水室封頭的尺寸檢測(cè)

蘆中良

(中國(guó)第一重型機(jī)械股份公司重型裝備事業(yè)部，黑龍江 161042)

蒸汽發(fā)生器是核電站核島中一、二回路的接口，通過它將一回路中核反應(yīng)產(chǎn)生的熱量傳遞給二回路的水，使其變?yōu)楦邷馗邏核羝俳?jīng)汽水分離器干燥后驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)進(jìn)行做功。蒸汽發(fā)生器在進(jìn)行熱交換的同時(shí)還起著阻止一回路放射性物質(zhì)進(jìn)入二回路的作用。水室封頭是蒸汽發(fā)生器的關(guān)鍵部件。水室封頭屬于大型復(fù)雜鍛件，制造周期長(zhǎng)，難度大。文章就水室封頭的尺寸檢測(cè)進(jìn)行了探討。

1 水室封頭的工藝難點(diǎn)

水室封頭結(jié)構(gòu)是一種帶有多個(gè)接管的典型的容器結(jié)構(gòu)，對(duì)安全性的要求非常高。由于封頭接管較多，開孔較大，加大了開孔邊緣的應(yīng)力集中，從而削弱了封頭結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。應(yīng)力集中不僅與開孔有關(guān)，還與該部位的變形協(xié)調(diào)有很大關(guān)系。對(duì)于大尺寸封頭的開孔接管，由于變形協(xié)調(diào)所造成的邊緣應(yīng)力衰減范圍就更寬了。在接管與封頭相貫區(qū)域?qū)⒊霈F(xiàn)兩個(gè)高應(yīng)力區(qū)(見圖1):內(nèi)側(cè)高應(yīng)力區(qū):在相貫區(qū)內(nèi)側(cè)與結(jié)構(gòu)對(duì)稱面的交點(diǎn)呈現(xiàn)最大應(yīng)力，此應(yīng)力點(diǎn)是水室封頭最高應(yīng)力的集中所在;外側(cè)高應(yīng)力區(qū):與相貫區(qū)內(nèi)側(cè)相對(duì)應(yīng)，在接管與封頭相貫線外側(cè)也存在著一個(gè)高應(yīng)力區(qū)，外側(cè)最大應(yīng)力點(diǎn)是內(nèi)側(cè)最大應(yīng)力點(diǎn)沿接管壁厚的對(duì)應(yīng)點(diǎn)。

圖1 水室封頭高應(yīng)力區(qū)Figure 1 High stress zone of water chamber head

水室封頭結(jié)構(gòu)特殊，針對(duì)其高應(yīng)力區(qū)無(wú)論是從設(shè)計(jì)、制造還是檢驗(yàn)，都提出了更高的要求。尺寸檢驗(yàn)，作為鍛件完工前的最后一道質(zhì)量保障，其作用就顯得尤為重要。通過對(duì)鍛件尺寸精確的測(cè)量，可以直觀的反映出鍛件是否符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求，是否具備安全使用的條件。一套簡(jiǎn)單、科學(xué)、合理有效的尺寸檢驗(yàn)方法，既能保證產(chǎn)品的質(zhì)量，又能消除分歧，提高產(chǎn)品的尺寸檢驗(yàn)速度與精度。

2 水室封頭的尺寸檢驗(yàn)

根據(jù)數(shù)據(jù)檢驗(yàn)的不同手段，水室封頭的尺寸檢驗(yàn)主要分為兩大部分:1)常規(guī)數(shù)據(jù)測(cè)量;2)樣板檢測(cè)。

2.1 常規(guī)數(shù)據(jù)測(cè)量

常規(guī)數(shù)據(jù)測(cè)量是指利用內(nèi)徑千分尺、外徑千分尺、游標(biāo)卡尺、深度千分尺、萬(wàn)能角度尺、百分表、三坐標(biāo)測(cè)量臂等計(jì)量工具直接測(cè)量出具體的數(shù)據(jù)或通過簡(jiǎn)單的理論計(jì)算得出數(shù)據(jù)，將得出的數(shù)據(jù)與圖紙要求相比較，即可直接判斷這些尺寸是否合格(見圖2、圖3)。

常規(guī)數(shù)據(jù)測(cè)量具有簡(jiǎn)單直觀的特點(diǎn)，實(shí)際檢測(cè)得出的數(shù)據(jù)客觀準(zhǔn)確，各方都能接受，對(duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)和結(jié)論的判定很少產(chǎn)生分歧，簡(jiǎn)單易操作。在實(shí)際操作過程中，主要注意以下幾個(gè)方面:

(1)所用的測(cè)量工具必須經(jīng)檢定合格并在有效合格期內(nèi)。

(2)所用的測(cè)量工具必須能夠滿足量程和精度的要求。

(3)所用的測(cè)量工具要和工件放置在相同溫度下恒溫一定時(shí)間。

(4)進(jìn)行的測(cè)量盡量簡(jiǎn)單直接，避免誤差的多次累加。

圖2 水室封頭常規(guī)數(shù)據(jù)測(cè)量示例1Figure 2 Normal measurement of water chamber head sample 1

圖3 水室封頭常規(guī)數(shù)據(jù)測(cè)量示例2Figure 3 Normal measurement of water chamber head sample 2

2.2 樣板檢測(cè)

樣板檢測(cè)是大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)鍛件尺寸檢測(cè)中常用的方法。由于此類鍛件的形狀不規(guī)則，很多重要的尺寸都無(wú)法直接依靠常規(guī)測(cè)量工具進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，這時(shí)我們就需要借助樣板進(jìn)行間接的對(duì)比測(cè)量，根據(jù)計(jì)量樣板與工件部位的吻合程度來判定工件尺寸合格與否。在使用樣板進(jìn)行測(cè)量時(shí)，要注意以下幾個(gè)方面:

(1)樣板必須設(shè)計(jì)合理，尺寸明確。

(2)樣板需經(jīng)檢査合格后方可使用。已變形、腐蝕和磨損的樣板不能使用。

(3)樣板使用前要擦干凈，使用時(shí)要輕拿輕放，以免過早磨損或失去精度。

(4)測(cè)量時(shí)，樣板的溫度應(yīng)與被測(cè)工件的溫度基本接近，以免產(chǎn)生誤差。

(5)樣板用后要擦干凈，涂上防銹油，妥善保管。

在水室封頭的尺寸檢測(cè)過程中，一些部位(見圖4)由于其特殊性而無(wú)法進(jìn)行直接測(cè)量，此時(shí)就必須借助于樣板比對(duì)來進(jìn)行判定。

圖4 需用樣板測(cè)量的水室封頭典型部位Figure 4 Typical position of water chamber head needed to be measured by template

2.3 高應(yīng)力區(qū)的尺寸檢測(cè)

某鍛件制造廠生產(chǎn)一水室封頭，采用數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工，相關(guān)加工工藝參數(shù)如下:內(nèi)球面和接管嘴圓柱面的相貫處為R300 mm(圖紙要求為，內(nèi)球面半徑為R1 667 mm(圖紙要求為mm)，接管嘴圓柱面直徑為?804 mm(圖紙要求為mm)。工藝部門為了驗(yàn)證數(shù)控加工的結(jié)果是否合格，設(shè)計(jì)了一個(gè)整體樣板(見圖5)對(duì)此部位進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量結(jié)果顯示，當(dāng)樣板和工件進(jìn)行輪廓貼合時(shí)，在R300 mm 處出現(xiàn)7.9 mm 的縫隙，判定結(jié)論為合格。

R300 mm 處是內(nèi)球面和接管嘴圓柱面的相貫面，即半徑為R1 667 mm 的內(nèi)球面與半徑為R402 mm 的管嘴內(nèi)壁柱面相貫而成的。設(shè)計(jì)整體樣板的目的在于一次性完成對(duì)接管嘴內(nèi)壁與R300 mm 過渡區(qū)、R300 mm 處、R300 mm 與內(nèi)球面的過渡區(qū)三個(gè)要素的測(cè)量。使用樣板檢測(cè)時(shí)，R300 mm 處出現(xiàn)7.9 mm 的縫隙，各方對(duì)樣板的設(shè)計(jì)、使用和結(jié)果判定標(biāo)準(zhǔn)問題產(chǎn)生了嚴(yán)重分歧:

圖5 整體樣板Figure 5 The complete template

(1)用整體樣板進(jìn)行檢測(cè)，必須同時(shí)受到三個(gè)要素的限制，R300 mm 處出現(xiàn)較大的縫隙，是否客觀反映了工件的真實(shí)狀況，樣板的設(shè)計(jì)是否合理?

(2)如果在檢測(cè)過程中樣板和工件的貼合出現(xiàn)縫隙，那么驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)是什么，即出現(xiàn)多大的縫隙工件才算合格?

通過分析，我們發(fā)現(xiàn)利用1 個(gè)整體樣板對(duì)R300 mm 處的三個(gè)測(cè)量要素進(jìn)行一次性測(cè)量，確實(shí)存在不合理之處。水室封頭的構(gòu)造比較復(fù)雜，故其精加工的工序也較為復(fù)雜。就內(nèi)球面和管嘴內(nèi)壁的R300 mm 處的加工來說，首先通過鏜床的定位找準(zhǔn)球心后用立車加工內(nèi)球面，其次通過鏜床定位管嘴的位置，然后再利用變位器加工管嘴的內(nèi)壁及內(nèi)壁和內(nèi)球面的相貫球面R300 mm 處。根據(jù)這個(gè)加工順序，理論上此R300 mm 處是通過相貫內(nèi)球面與管嘴內(nèi)柱面而得到的。然而在實(shí)際加工過程中，考慮到工序銜接、機(jī)床精度以及人為等因素，水室封頭的內(nèi)球面和接管嘴內(nèi)壁柱形面的相貫面并不一定完全與理論模擬相吻合，勢(shì)必造成兩個(gè)過渡區(qū)存在一定的不光滑過渡。考慮到水室封頭在整個(gè)核反應(yīng)堆內(nèi)的重要性，必須避免因各種因素導(dǎo)致的應(yīng)力集中問題，故需通過打磨工藝，使其盡量達(dá)到平滑過渡。欲對(duì)此處進(jìn)行全面客觀的檢測(cè)，必須滿足以下五個(gè)方面的要求:

(4)內(nèi)球面與相貫面滿足圓滑過渡;

(5)接管嘴內(nèi)壁與相貫面滿足圓滑過渡。

其中前兩個(gè)條件通過常規(guī)方法測(cè)量即可判斷是否滿足要求，而后三個(gè)條件則需要設(shè)計(jì)出合理的樣板來進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。為此，我們需要設(shè)計(jì)三個(gè)樣板進(jìn)行聯(lián)合驗(yàn)證。

樣板1(見圖6):用來檢測(cè)相貫面的半徑是否滿足要求?？紤]到相貫面機(jī)加工過程中的機(jī)械誤差及理論要求數(shù)值，用此樣板進(jìn)行測(cè)量時(shí)允許存在的最大間隙為4.12 mm(見圖7)。

圖6 樣板1Figure 6 Template 1

圖7 誤差間隙Figure 7 Error clearance

圖8 樣板2Figure 8 Template 2

圖9 樣板3Figure 9 Template 3

樣板2(見圖8):用來檢測(cè)內(nèi)球面與相貫面是否平滑過渡。此樣板按內(nèi)球面半徑R1 667 mm 制造，內(nèi)球面半徑要求值為mm，所以用此樣板檢測(cè)時(shí)，此處允許存在的最大間隙為3 mm。樣板3(見圖9):用來檢測(cè)接管嘴內(nèi)壁與相貫面是否平滑過渡。此樣板按?804.5 mm 加工，而接管嘴內(nèi)孔要求尺寸為?804+20 mm，故用此樣板進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，此處允許存在的最大間隙為0.75 mm。

通過這三個(gè)樣板的綜合使用，使R300 mm 處的測(cè)量更加全面，更加合理，有效地消除了各方對(duì)于檢測(cè)方法及判定標(biāo)準(zhǔn)的分歧，既保證了產(chǎn)品質(zhì)量，又為水室封頭的快速檢測(cè)創(chuàng)造了條件。

3 結(jié)束語(yǔ)

水室封頭結(jié)構(gòu)特殊，進(jìn)行尺寸檢測(cè)時(shí)，應(yīng)綜合使用常規(guī)數(shù)據(jù)測(cè)量和樣板檢測(cè)兩種方法，才能確保尺寸檢測(cè)的準(zhǔn)確性。