核電站一回路冷卻劑主泵鑄造不銹鋼泵殼不規(guī)則壁厚的測(cè)量

李亞輝

(中國(guó)一重重裝技術(shù)質(zhì)量部，黑龍江 161042)

主泵是核反應(yīng)堆一回路冷卻劑環(huán)路主設(shè)備。目前主泵泵殼主要有鑄造不銹鋼Z3CN20-09M 和鍛造SA-508Ⅲ泵殼兩種。鑄造泵殼是鐵素體-奧氏體雙相不銹鋼泵殼，兼有鐵素體和奧氏體兩種不銹鋼的特點(diǎn)，但鐵素體含量需要控制。因冷卻劑主泵要求耐腐蝕，且鑄造不銹鋼泵殼比鍛造SA-508Ⅲ泵殼少堆焊表層工序而被廣泛應(yīng)用。但鑄造不銹鋼泵殼壁厚不規(guī)則，這給壁厚的測(cè)量造成一定的難度。本文將主要從不銹鋼泵殼為什么不用超聲波測(cè)量壁厚和壁厚如何測(cè)量?jī)煞矫骊U述泵殼不規(guī)則壁厚的測(cè)量方法。

下面我們根據(jù)鑄造不銹鋼泵殼的構(gòu)造及需要測(cè)量的位置，分析選擇最佳測(cè)量方法。

1 鑄造不銹鋼泵殼的結(jié)構(gòu)

圖1 是不銹鋼泵殼立體示意圖。從圖中我們可以知道需要測(cè)量的壁厚有兩處:吸出口管嘴處壁厚和泵殼自身壁厚。

根據(jù)圖2 的標(biāo)識(shí)，圖2A 向視圖所示共Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ、Ⅹ、Ⅺ、Ⅻ12 個(gè)測(cè)量截面，每個(gè)測(cè)量截面如圖3 所示有G、m、H、n、J、p、K、r、L、t 10 個(gè)測(cè)量位置。

圖1 不銹鋼泵殼立體示意圖Figure 1 Stereo schematic sketch of stainless steel pump casing

圖2 A 向視圖Figure 2 A direction view

圖3 測(cè)量位置Figure 3 Measured positions

表1 10 個(gè)位置的壁厚Table 1 Wall thicknesses of ten positions

10 個(gè)位置的壁厚如表1 所示。

由表1 可見(jiàn)，泵殼的壁厚是不規(guī)則的，每一個(gè)縱向截面的壁厚是不一樣的。那么如何測(cè)量泵殼的壁厚就成為難題。按照傳統(tǒng)的方法，用超聲波測(cè)厚儀進(jìn)行壁厚的測(cè)量十分簡(jiǎn)單。但是鑄造不銹鋼泵殼不能用超聲波測(cè)厚儀進(jìn)行測(cè)量，必須要找到合適的泵殼不規(guī)則壁厚的測(cè)量方法。

2 不銹鋼泵殼不能用超聲波測(cè)厚的原因

對(duì)于鍛造SA-508Ⅲ泵殼，因其內(nèi)部組織均勻及晶粒細(xì)小等關(guān)系，通常壁厚用超聲波測(cè)厚儀就能測(cè)量，并且結(jié)果準(zhǔn)確。與鍛造SA-508Ⅲ泵殼相比，鑄造不銹鋼泵殼內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)不均勻且晶粒粗大。超聲波測(cè)厚與超聲波在介質(zhì)中傳播的信噪比及衰減有關(guān)。當(dāng)材質(zhì)晶粒較粗且大于超聲波波長(zhǎng)時(shí)，波長(zhǎng)短時(shí)間內(nèi)衰減大，同時(shí)信噪比低，超聲波就被反射，而此時(shí)測(cè)得的結(jié)果要比實(shí)際結(jié)果小，測(cè)量結(jié)果不真實(shí)。所以鑄造不銹鋼泵殼的壁厚不能使用超聲波測(cè)厚儀進(jìn)行測(cè)量。

3 測(cè)量方法的選擇

鑄造不銹鋼泵殼的工藝流程是:泵殼鑄造→去除工藝冒口→固溶熱處理→性能試驗(yàn)→粗加工(加工余量確認(rèn))→無(wú)損檢測(cè)(PT 和RT)→修復(fù)→無(wú)損檢測(cè)(PT 和RT)→精加工→壁厚測(cè)量→水壓試驗(yàn)→最終壁厚測(cè)量(精加工后測(cè)量)。從工藝流程分析，首先要保證泵殼的壁厚滿足鑄造圖紙要求，在保證有機(jī)械加工余量的前提下，才能進(jìn)行機(jī)械加工。因此不銹鋼泵殼壁厚測(cè)量分為兩個(gè)階段，第一階段是粗加工前的余量確認(rèn)測(cè)量，目的是為了測(cè)量泵殼壁厚及其它尺寸是否滿足機(jī)械加工要求;第二階段是精加工完成之后的測(cè)量，目的是測(cè)量泵殼壁厚的結(jié)果是否滿足交貨圖紙要求。

3.1 粗加工前的余量確認(rèn)測(cè)量

加工前的余量確認(rèn)測(cè)量之前，將泵殼的大端面、吸入口小端面及吸出口端面上機(jī)床機(jī)械加工見(jiàn)平后作為后序樣板測(cè)量的基準(zhǔn)面。

(1)吸出口管嘴處壁厚檢測(cè)。驗(yàn)證管嘴處壁厚是否滿足鑄造圖紙要求?；罴蠑?shù)控鏜床找正，在檢測(cè)時(shí)吸出管嘴對(duì)主軸(即吸出口管嘴中心線和鏜床主軸平行)。利用已加工見(jiàn)平面定吸入口管嘴中心線及吸出口管嘴中心線交點(diǎn)為零點(diǎn)。根據(jù)檢測(cè)要求測(cè)出內(nèi)壁與外壁測(cè)量點(diǎn)的座標(biāo)值，經(jīng)計(jì)算得出壁厚值。檢測(cè)原理如圖4。

圖4 檢測(cè)原理Figure 4 Check and measure principle

按要求檢測(cè)圖4 中位置I 的壁厚。通過(guò)圖紙理論計(jì)算得出X2值，通過(guò)機(jī)床檢測(cè)得出Y2值。通過(guò)圖紙理論計(jì)算得出X1值，經(jīng)機(jī)床檢測(cè)得出Y1值。此時(shí)內(nèi)外壁兩點(diǎn)的座標(biāo)值均已知道，經(jīng)計(jì)算可知此處壁厚，壁厚I2=(X2－X1)2+(Y2－Y1)2。在同一截面測(cè)量多處壁厚值，可得同一截面的壁厚均勻性，利用此方法可測(cè)出其它要求檢測(cè)位置的壁厚。

(2)泵殼本體壁厚的檢測(cè)。按檢測(cè)壁厚要求制做內(nèi)、外樣板，并且內(nèi)、外樣板上均對(duì)應(yīng)刻有按檢測(cè)壁厚要求位置的向心線。內(nèi)、外樣板在此刻線處理論距離已定，在檢測(cè)時(shí)將已加工見(jiàn)平的大端面及內(nèi)孔定位，按刻線位置測(cè)量?jī)?nèi)、外樣板距殼體表面距離，用理論距離減實(shí)測(cè)值，即為壁厚值，如圖5 所示。

例如按要求檢測(cè)吸出口管嘴中心線截面位置處壁厚。預(yù)先在大端面按圖紙角度要求以吸出口中心線為基準(zhǔn)人工分解大端面為若干份(同時(shí)樣板、托架等附具提前具備)，再使工件平放，內(nèi)、外樣板利用上部托架先后放入工件內(nèi)部及外部，使樣板定位處與泵殼貼緊，找出內(nèi)、外樣板上此處刻線，先后測(cè)量?jī)?nèi)樣板此刻線處與內(nèi)壁距離，再測(cè)出外樣板此刻線處與外壁距離。由于此狀態(tài)下內(nèi)、外樣板此刻線處距離已知，故可知此處壁厚。需要注意的是此階段的測(cè)量?jī)H僅是確認(rèn)壁厚能否滿足粗加工要求，實(shí)際準(zhǔn)確的壁厚數(shù)值要到精加工完成后測(cè)量。

圖5 泵殼本體壁厚測(cè)量Figure 5 Measurement of pump casing body wall thickness

3.2 精加工完成后的精確測(cè)量

目前，全世界已經(jīng)成功制造核電站一回路冷卻劑主泵鑄造不銹鋼泵殼的公司僅有幾家，日本三菱、法國(guó)阿?，m兩家公司對(duì)于鑄造不銹鋼泵殼不規(guī)則壁厚的測(cè)量方式都是采用激光跟蹤儀進(jìn)行測(cè)量。激光跟蹤儀是目前世界上最先進(jìn)的光學(xué)測(cè)量?jī)x器之一，它精度高、能將不同坐標(biāo)系按一個(gè)參考點(diǎn)系擬合到一個(gè)坐標(biāo)系達(dá)到實(shí)體造型的效果而被廣泛應(yīng)用。本文也采用激光跟蹤儀測(cè)量不規(guī)則壁厚。

測(cè)量?jī)x器:激光跟蹤儀一臺(tái)，全站儀(兩臺(tái))工業(yè)測(cè)量系統(tǒng)一套，激光跟蹤儀和全站儀(兩臺(tái))同時(shí)使用同一測(cè)量系統(tǒng)軟件組成一個(gè)測(cè)量系統(tǒng)。

環(huán)境要求:剛性地面無(wú)震源影響，溫度和光線適宜。

泵殼放置:泵殼B 基準(zhǔn)面向下，3 點(diǎn)互成120°支撐于剛性地面上，如圖6 所示。

測(cè)量步驟:

(1)激光跟蹤儀架設(shè)在泵殼下中心位置，全站儀(兩臺(tái))工業(yè)測(cè)量系統(tǒng)架設(shè)在泵殼外適當(dāng)位置。

(2)激光跟蹤儀和全站儀聯(lián)機(jī)組成測(cè)量系統(tǒng)。

(3)測(cè)量B 基準(zhǔn)面和相關(guān)幾何要素，建立測(cè)量坐標(biāo)系。

(4)根據(jù)圖紙理論尺寸確定待測(cè)量橫向截面和豎向截面位置，如圖6A 標(biāo)注線和B 標(biāo)注線尺寸。

(5)激光跟蹤儀測(cè)量?jī)?nèi)壁，在相應(yīng)橫向截面理論測(cè)量位置采用逼近的方法密集采點(diǎn)得到實(shí)際測(cè)量坐標(biāo)值。

所有界面壁厚都以泵殼中心為中心，向外輻射射線與泵殼內(nèi)、外壁相交于兩點(diǎn)，兩點(diǎn)間距離就是泵殼厚度。按照測(cè)量步驟，以B 基準(zhǔn)及其相關(guān)幾何要素建立坐標(biāo)系，按照?qǐng)D6A 標(biāo)注線和B 標(biāo)注線給出的通過(guò)圖紙理論計(jì)算所得某一壁厚內(nèi)、外軸向距B 基準(zhǔn)的距離生成射線與泵殼內(nèi)外壁交點(diǎn)坐標(biāo)值，計(jì)算壁厚，得出壁厚實(shí)際結(jié)果。

圖6 激光跟蹤儀測(cè)量示意圖Figure 6 Schematic sketch of laser tracker measurement

具體數(shù)據(jù)處理舉例如下:

假設(shè)要求圖6 最上面壁厚t，按照激光跟蹤儀讀出A1和B1與壁厚t 內(nèi)、外壁交點(diǎn)坐標(biāo)值分別為(a1，b1)和(a2，b2)，t2=(a2－a1)2+(b2－b1)2，則計(jì)算出t。同理可以計(jì)算出其它壁厚。

實(shí)際測(cè)量與理論值之間有一定的差距，同時(shí)由于測(cè)量操作者之間的配合和其它物理原因使測(cè)量結(jié)果與實(shí)際尺寸會(huì)有一定的偏差。因此在測(cè)量過(guò)程中，要求將測(cè)量點(diǎn)Ai(x，y，z)的x 和y 坐標(biāo)值的誤差控制在0.1 mm 以內(nèi)，選取最佳測(cè)量點(diǎn)與坐標(biāo)原點(diǎn)進(jìn)行擬合，求解對(duì)應(yīng)點(diǎn)坐標(biāo)值Bi(x，y，z)與相應(yīng)直線的距離應(yīng)控制在0.1 mm 以內(nèi)。

4 結(jié)束語(yǔ)

激光跟蹤儀是目前世界上最先進(jìn)的光學(xué)測(cè)量?jī)x器之一，因其具有精度高、測(cè)量范圍大等特點(diǎn)，除了被應(yīng)用于測(cè)量鑄造不銹鋼泵殼等不規(guī)則壁厚外也被廣泛應(yīng)用于航空、航天等領(lǐng)域。