AP1000核電站主管道窄間隙坡口現(xiàn)場(chǎng)數(shù)控精確加工技術(shù)

國(guó)核工程有限公司 (上海 200233) 劉中仁 戴瑞光 韓世凱

A P1000核電站主管道采用整體鍛造加工成形，管道本身沒有了焊縫、減少了在役檢查的工作量，提高了使用壽命，其設(shè)計(jì)的運(yùn)行壽命為60年。主管道材質(zhì)為SA376TP316LN，冷段規(guī)格φ688 m m×65 m m，熱段規(guī)格φ952.5mm×82.6mm。

AP1000核電站主管道取消了過(guò)渡段（見圖1），由于主管道的制造偏差和設(shè)備制造偏差，導(dǎo)致安裝時(shí)主管道兩端與相應(yīng)設(shè)備管嘴端面存在夾角，需對(duì)主管道進(jìn)行斜面坡口加工和偏心加工，主管道冷段坡口如果按照正常坡口加工工藝進(jìn)行內(nèi)壁鏜孔，加工區(qū)域最小壁厚將小于主管道設(shè)計(jì)最小壁厚。

圖1 壓力容器、主管道、蒸汽發(fā)生器布置圖

因此，主管道的坡口加工不僅要有很高的加工精度，而且需要在加工時(shí)調(diào)整坡口面的角度和內(nèi)鏜孔的角度，以往使用的坡口加工方法已不再適用。

1.AP1000核電站主管道的坡口形式和加工采用的設(shè)備

AP1000核電站主管道采用了窄間隙單面焊U形坡口、窄間隙雙面焊U形坡口兩種類型。壓力容器側(cè)熱段管段、冷段管段均選用單面焊U形坡口，蒸發(fā)器側(cè)熱段管段選用雙面焊U形坡口、冷段管段選用單面焊U形坡口（見圖2）。

圖2 AP1000核電站主管道采用坡口形式

現(xiàn)場(chǎng)坡口加工需滿足直管、彎管管段坡口加工，管道端面直面、斜面切割坡口加工，并可進(jìn)行管道偏心坡口精確加工。同時(shí)主管道現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)由于主設(shè)備位置相對(duì)固定，對(duì)中精度要求高。常規(guī)的坡口加工和測(cè)量設(shè)備無(wú)法滿足。

現(xiàn)場(chǎng)采用的坡口加工設(shè)備：粗切割采用外徑坡口機(jī)PHSF－1050（用于主管道熱段）；PHSF－750（用于主管道冷段）。坡口的面切割、內(nèi)鏜孔、外坡口加工均采用數(shù)控坡口加工機(jī)Omega 9B（見圖3～圖6）。

AP1000核電站主管道的坡口加工是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量管道和設(shè)備數(shù)據(jù)，不斷調(diào)整坡口加工機(jī)來(lái)完成的。測(cè)量技術(shù)需滿足主設(shè)備和主管道的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量要求，并在壓力容器就位而蒸汽發(fā)生器沒有就位的前提下，正確計(jì)算出主管道兩端的切割余量，監(jiān)督、指導(dǎo)數(shù)控坡口加工機(jī)的定位。

圖3 外徑坡口機(jī)：PHSF

圖4 Omega 9B操作臺(tái)

圖5 Omega 9B加工機(jī)頭

圖6 Omega 9B內(nèi)卡式底座

現(xiàn)場(chǎng)采用的測(cè)量設(shè)備：FA R O激光跟蹤儀ION；配套軟件SA（Spatial Analyzer）空間測(cè)量分析軟件（見圖7）。

圖7 FARO激光跟蹤儀、計(jì)算機(jī)、Spatial Analyzer軟件

2.激光跟蹤測(cè)量及3D建模擬合

激光跟蹤測(cè)量技術(shù)，是采用高精度、便攜式的三維坐標(biāo)測(cè)量設(shè)備（激光跟蹤儀），將靶球放在需要定位的點(diǎn)上，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，運(yùn)用Spatial Analyzer軟件計(jì)算獲得高精度（5m內(nèi)精度為±0.025mm）測(cè)量數(shù)據(jù)的技術(shù)，此技術(shù)首次應(yīng)用在核電站主管道坡口加工中。

現(xiàn)場(chǎng)使用FARO激光跟蹤儀，對(duì)放在需要定位的主管道和主設(shè)備的測(cè)量點(diǎn)上的靶球進(jìn)行測(cè)量。坡口加工前需要對(duì)主管道、蒸汽發(fā)生器、蒸汽發(fā)生器垂直支撐、反應(yīng)堆壓力容器進(jìn)行激光測(cè)量數(shù)據(jù)采集，然后運(yùn)用Spatial Analyzer軟件進(jìn)行3D建模、擬合、調(diào)整、計(jì)算主管道冷段和熱段的各管段管端切割量、切割角度、坡口加工的偏心量。

現(xiàn)場(chǎng)的激光測(cè)量要點(diǎn)如下：

（1）激光跟蹤儀安裝控制點(diǎn)的設(shè)置：測(cè)量數(shù)據(jù)采集之前，分別在主管道上及周圍、蒸汽發(fā)生器本體及周圍、反應(yīng)堆壓力容器及壓力容器腔室墻體上、蒸汽發(fā)生器腔室墻體上布置安裝控制點(diǎn)；注意蒸汽發(fā)生器腔室墻體上的安裝控制點(diǎn)，以壓力容器腔室內(nèi)的安裝控制點(diǎn)為基點(diǎn)通過(guò)主管道孔洞傳遞引入；安裝控制點(diǎn)用熱熔膠加以固定，控制點(diǎn)空間分布應(yīng)均勻，保證能夠完成所有測(cè)量區(qū)域的數(shù)據(jù)采集，且能滿足每次儀器設(shè)站至少能夠測(cè)到6個(gè)安裝控制點(diǎn)。

（2）激光跟蹤儀的安裝、啟動(dòng)：激光跟蹤儀安裝時(shí)，為了保證儀器的穩(wěn)定性，腳架間距至少保持在1m及以上，啟動(dòng)儀器進(jìn)行預(yù)熱時(shí)，預(yù)熱時(shí)間需要30～45min，激光跟蹤儀上的紅燈閃爍說(shuō)明儀器正在處于預(yù)熱狀態(tài)，紅燈穩(wěn)定不閃代表預(yù)熱完成。

（3）激光跟蹤儀的校準(zhǔn)：測(cè)量開始之前必須用標(biāo)準(zhǔn)件對(duì)激光跟蹤儀進(jìn)行校準(zhǔn)，超過(guò)允許偏差需要進(jìn)行一次自我補(bǔ)償，補(bǔ)償后才可以開始測(cè)量工作。

（4）激光跟蹤儀的建站定位：測(cè)量事先布設(shè)好的安裝控制點(diǎn)為儀器定位，測(cè)量所有可見的控制點(diǎn)，并保證每個(gè)測(cè)站位置至少測(cè)量6個(gè)控制點(diǎn)。建議能測(cè)量到的控制點(diǎn)全部進(jìn)行測(cè)量，在測(cè)量過(guò)程中如果有控制點(diǎn)偏差超過(guò)允許偏差（0.1mm），則舍棄此控制點(diǎn)，停止使用。

（5）激光跟蹤儀的復(fù)測(cè)：每完成一個(gè)建站的數(shù)據(jù)測(cè)量點(diǎn)采集工作，必須對(duì)建站的控制點(diǎn)進(jìn)行復(fù)測(cè)，核對(duì)激光跟蹤儀在測(cè)量過(guò)程中是否發(fā)生移位，如果復(fù)測(cè)與初始理論值偏差超過(guò)0.1mm ，則重新為激光跟蹤儀建站定位，重新測(cè)量之前測(cè)量的所有測(cè)量點(diǎn)。

（19）托爾斯泰開始為《復(fù)活》設(shè)計(jì)的結(jié)尾是：讓[Pro][[卡秋莎[Cor1]嫁給[Pro+PrEx]聶赫留朵夫[Cor2]]，然后離開俄國(guó)，僑居英國(guó)……

（6）激光跟蹤儀一次建站測(cè)量，不能完成所標(biāo)記的測(cè)量點(diǎn)，需要變換位置重新建站定位，開始測(cè)量，每次測(cè)量后，應(yīng)保護(hù)好控制點(diǎn)，以備以后使用。

3.主管道的坡口加工的工序

坡口加工分兩個(gè)階段進(jìn)行：

第一階段是主管道冷段、熱段的反應(yīng)堆壓力容器端坡口加工，此部分工作在主管道專用加工車間內(nèi)加工完成。

第二階段是主管道冷段、熱段的蒸汽發(fā)生器端坡口加工，在主管道與反應(yīng)堆壓力容器側(cè)焊口焊接完成50%左右厚度后，蒸汽發(fā)生器（含主泵泵殼）吊裝就位之前，在CA01模塊內(nèi)的蒸汽發(fā)生器腔室內(nèi)進(jìn)行。

（1）標(biāo)切割線：根據(jù)激光測(cè)量及3D建模擬合確定的切割量數(shù)據(jù)，考慮壓力容器側(cè)主管道焊口焊接50%厚度時(shí)的焊縫收縮量，按照激光測(cè)量及3D建模擬合確定的管段切割量分別加δ（焊縫收縮量的預(yù)留長(zhǎng)度）的焊縫收縮切割余量，確定主管道坡口加工的激光測(cè)量及3D建模擬合最終切割量坐標(biāo)，采用激光跟蹤儀配合在管段上繪制最終切割線（FFL）、粗略切割線（RFL）及基準(zhǔn)線。

劃線過(guò)程是建模模型在管體上的映射。應(yīng)注意對(duì)激光測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行核對(duì)，并對(duì)劃線使用的工具和劃痕深度進(jìn)行控制（見圖8）。

圖8 主管道坡口加工劃線示意圖

（2）管段粗切割：主管道的粗切割加工采用外徑坡口機(jī)。由于管道制造偏差最終坡口端面存在傾角，機(jī)器需傾角安裝。具體的安裝以管段上劃的切割線為準(zhǔn)。

管段粗切斷后，對(duì)管端毛刺進(jìn)行打磨，清理管道表面的冷卻液及切斷碎屑。

（3）管口面切割：第一步為Omega 9B 坡口機(jī)加工機(jī)頭的拼裝、調(diào)試、定位。步驟如下：①坡口機(jī)的內(nèi)置卡盤支撐安裝：初步安裝機(jī)器卡盤支撐上的4個(gè)主要支腿及4個(gè)輔助支腿，利用支腿內(nèi)置螺栓調(diào)節(jié)并固定卡盤支撐。②坡口機(jī)加工機(jī)頭安裝：將Omega 9B機(jī)身本體（加工機(jī)頭）就位至卡盤相應(yīng)的聯(lián)接點(diǎn)，擰緊4個(gè)聯(lián)接螺栓以確保機(jī)身本體固定在卡盤上。③機(jī)器手動(dòng)調(diào)試：當(dāng)機(jī)器本體安裝完畢后，使用固定在刀架上的百分表（指針靠壓在管材的內(nèi)、外表面）繞管道內(nèi)、外壁進(jìn)行周向檢測(cè)，手動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)器與管材的同心度。④采用激光跟蹤儀對(duì)坡口機(jī)加工機(jī)頭進(jìn)行最終定位：面加工時(shí)坡口機(jī)的軸線與壓力容器管嘴坐標(biāo)系的Z軸平行或重合。由于主管道制造偏差，壓力容器側(cè)主管道冷段沒有直管段，增加了坡口機(jī)定位的難度。⑤在坡口機(jī)加工機(jī)頭的耳環(huán)上安裝坡口機(jī)調(diào)整工裝，利用主管道上的控制點(diǎn)對(duì)激光跟蹤儀進(jìn)行建站定位，在該主管道相對(duì)應(yīng)的壓力容器管嘴坐標(biāo)系下，通過(guò)調(diào)整卡盤，確保X－Y板成直線，并且與相對(duì)應(yīng)的壓力容器管嘴端面平行，X－Y板中心對(duì)齊壓力容器管嘴坐標(biāo)系原點(diǎn)。借助計(jì)算機(jī)顯示器上的實(shí)時(shí)顯示，轉(zhuǎn)動(dòng)Omega 9B坡口機(jī)加工機(jī)頭，比較0°、90°、180°、270°位置上的X、Y、Z值。首先調(diào)整Z軸，使其在0°、90°、180°、270°位置達(dá)到相同的值，然后調(diào)整X軸和Y軸，使X－Y板中心位于壓力容器管嘴坐標(biāo)系原點(diǎn)，重新檢查X、Y、Z軸，最終調(diào)整使其偏差達(dá)到0.2mm以內(nèi)。⑥在坡口機(jī)加工機(jī)頭上安裝外切割刀架，測(cè)量刀具行走的距離，保證刀架行程滿足加工要求。⑦面切割之前確保坡口機(jī)安裝精確定位、端面傾角符合要求。

第二步面切割：①管道粗切割完成后，用Omega 9B 坡口機(jī)對(duì)主管道端面加工調(diào)節(jié)余量進(jìn)行修整，并以此端面為基準(zhǔn)面，測(cè)量并記錄端面至最終切割線（FFL）的距離。加工至FFL距離約1mm處，控制每刀的進(jìn)刀量，最終完成面切割，面切割應(yīng)當(dāng)控制每次的進(jìn)刀量不能超過(guò)0.25mm，且加工的最終表面應(yīng)沒有冷作硬化層和不當(dāng)操作引起的變色。②面加工過(guò)程中，始終采用激光跟蹤儀對(duì)坡口端面和坡口機(jī)的位置進(jìn)行監(jiān)測(cè)，保證加工端面與激光建模擬合端面相一致。由于主管道本體的不規(guī)則，實(shí)際加工時(shí)，激光建模擬合端面與加工前最終切割線（FFL）有差異時(shí)，以實(shí)際激光建模擬合端面為準(zhǔn)。

（4）管口內(nèi)鏜孔：壓力容器側(cè)主管道冷段管口由于制造偏差，管道存在橢圓、不同的位置管壁厚度不均勻，按照正常的坡口加工工藝進(jìn)行內(nèi)鏜孔，無(wú)法滿足管道最小壁厚的要求，根據(jù)管道各個(gè)位置壁厚的不同，內(nèi)鏜孔角度采用1°～2.5°，2T后過(guò)渡區(qū)采用≤10°傾角（見圖9、圖10）。

圖9 壓力容器側(cè)冷段管口內(nèi)鏜孔及坡口加工軸線示意圖

圖10 蒸汽發(fā)生器側(cè)主管道冷段管口和壓力容器側(cè)熱段管口內(nèi)鏜孔及坡口加工軸線示意圖

操作過(guò)程：①采用激光跟蹤對(duì)Omega 9B 坡口機(jī)的位置進(jìn)行調(diào)整：調(diào)整方法與面切割時(shí)坡口機(jī)的調(diào)整方法基本相同。內(nèi)鏜孔時(shí)則不同，坡口加工機(jī)軸線與管段軸線平行或重合。②拆卸面切割刀架，安裝內(nèi)徑刀架。③內(nèi)鏜孔前需在管端面0°、90°、180°、270°分別標(biāo)記出鏜孔位置標(biāo)記點(diǎn)。④在Omega 9B 坡口機(jī)操作臺(tái)打開內(nèi)鏜孔切割程序，進(jìn)行模擬程序操作，檢驗(yàn)程序的正確性與走刀的軌跡，確保滿足加工要求。⑤管道內(nèi)鏜孔時(shí)，當(dāng)距離鏜孔位置標(biāo)示點(diǎn)1mm時(shí)，每次進(jìn)刀加工后都要對(duì)壁厚進(jìn)行測(cè)量，并控制每次的進(jìn)刀量不能超過(guò)0.25mm，且加工的最終表面，應(yīng)沒有有害的冷作硬化層和不當(dāng)操作引起的變色。⑥管道內(nèi)鏜孔過(guò)程中，采用激光跟蹤儀對(duì)坡口機(jī)的軸線位置進(jìn)行監(jiān)測(cè)，保證坡口機(jī)軸線與管段軸線平行或重合。⑦內(nèi)鏜孔加工后，用超聲波測(cè)厚儀，對(duì)最終切割線（FFL）、FFL＋65mm、FFL＋124mm的0°、90°、180°、270°位置，管道外壁標(biāo)記點(diǎn)處的壁厚進(jìn)行測(cè)量；用游標(biāo)卡尺，對(duì)凸臺(tái)高度范圍內(nèi)0°、90°、180°、270°方向管段面內(nèi)徑進(jìn)行測(cè)量；用角度尺以管段面為基準(zhǔn)，對(duì)管內(nèi)壁的內(nèi)膛角度進(jìn)行測(cè)量。

（5）管道外側(cè)坡口加工：①采用管口面切割時(shí)Omega 9B 坡口機(jī)的調(diào)整方法進(jìn)行調(diào)整，確保坡口機(jī)的軸線角度和安裝位置與測(cè)量建模數(shù)據(jù)斜面位置相一致，并使用百分表對(duì)安裝位置進(jìn)行驗(yàn)證。②拆除內(nèi)徑刀架，安裝外徑切割刀架。③測(cè)量管壁的實(shí)際尺寸，按照鈍邊理論厚度要求在管端面0°、90°、180°、270°分別作上標(biāo)記。④在Omega 9B 坡口機(jī)操作臺(tái)打開外坡口加工程序，根據(jù)測(cè)量實(shí)際值，調(diào)整外坡口加工程序，進(jìn)行程序模擬，查看走刀軌跡，檢查完畢后，開始外徑坡口加工。當(dāng)加工至距離鈍邊加工標(biāo)記約1mm時(shí)，對(duì)鈍邊厚度進(jìn)行復(fù)測(cè)，并控制每刀進(jìn)刀厚度不超過(guò)0.25mm。⑤管道外坡口加工過(guò)程中，采用激光跟蹤儀對(duì)坡口機(jī)的軸線位置進(jìn)行監(jiān)測(cè)，保證坡口機(jī)軸線與管段端面軸線平行或重合。⑥鈍邊打磨：坡口加工完成后，用拋光片對(duì)坡口鈍邊進(jìn)行打磨。打磨前應(yīng)測(cè)量鈍邊實(shí)際厚度，根據(jù)測(cè)量結(jié)果安排打磨次數(shù)，確保坡口尺寸滿足設(shè)計(jì)要求。

主管道與反應(yīng)堆壓力容器側(cè)焊口焊接完成50%厚度后，需要重新對(duì)蒸汽發(fā)生器側(cè)的主管道管口進(jìn)行激光測(cè)量、建模并重新擬合，計(jì)算出主管道蒸汽發(fā)生器側(cè)主管道管端最終的切割余量，按照主管道壓力容器側(cè)坡口加工方法，對(duì)主管道蒸汽發(fā)生器側(cè)的坡口進(jìn)行加工，不同的是蒸汽發(fā)生器側(cè)主管道熱段采用雙面坡口，內(nèi)壁不需要內(nèi)鏜孔，面切割完成后首先進(jìn)行內(nèi)坡口的加工，然后進(jìn)行外側(cè)坡口的加工。

4.管道坡口檢測(cè)

（1）主管道坡口加工完成后，對(duì)管道坡口的鈍邊厚度及長(zhǎng)度、R角、坡口面傾角、鏜孔的深度和角度、管道壁厚、管道內(nèi)徑、管道的坡口及內(nèi)鏜孔區(qū)域的表面粗糙度等進(jìn)行測(cè)量，最終坡口加工尺寸各項(xiàng)指標(biāo)均符合圖樣的要求，表面粗糙度值Ra〈3.2μm。

（2）對(duì)加工完成的坡口及內(nèi)鏜孔區(qū)域進(jìn)行目視檢測(cè)，滲透檢測(cè)，結(jié)果完全符合要求。

5.結(jié)語(yǔ)

AP1000核電站主管道坡口的成功加工，證明了借助激光跟蹤測(cè)量及3D建模擬合技術(shù)的幫助，采用現(xiàn)場(chǎng)數(shù)控坡口加工技術(shù)，利用偏心切割、斜面加工、傾斜角度內(nèi)鏜孔等方法，完全能克服主管道的制造尺寸偏差（主管道曲率半徑、彎曲角度偏差、管口存在橢圓度、內(nèi)外圓不同心、壁厚偏差等），加工出符合技術(shù)要求的管道坡口。開創(chuàng)了高精度坡口現(xiàn)場(chǎng)加工的先例，為AP1000主管道的成功安裝奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。