核電站主管道自動焊三維測量與組對技術(shù)的研究

摘 要：核電站主管道自動焊技術(shù)是一種先進的焊接技術(shù)，廣泛應(yīng)用于核電站建設(shè)與運行維修階段。在中廣核CPR1000和三代EPR堆型核電站建設(shè)過程中均采用了主管道窄間隙自動焊技術(shù)。為了保證窄間隙自動焊技術(shù)的組對要求，需要對核島主回路設(shè)備進行三維精密測量和模擬計算。由于CPR1000與EPR主管道自動焊施工邏輯不同，其三維測量與計算的方法也不盡相同。該文詳細對比和分析了兩者的自動焊施工邏輯、三維測量與計算的原理，測量實施方案等，找出其各自的優(yōu)缺點，為主管道自動焊三維測量組對技術(shù)的改進提供參考。

關(guān)鍵詞：核電站 主管道 自動焊 三維測量 精密組對

中圖分類號：TG457.6文獻標識碼：A文章編號：1674-098X（2013）04（c）-0073-04

核電站主管道自動焊技術(shù)是一種先進的焊接技術(shù)，廣泛應(yīng)用于核電站建設(shè)與運行維修階段。在中廣核CPR1000堆型和三代EPR堆型核電站建設(shè)過程中均采用了主管道窄間隙自動焊技術(shù)，該技術(shù)要求主管道的組對間隙不超過1 mm，組對錯邊量不超過1.5 mm。為了滿足主管道的精確組對要求，需要對相關(guān)的核島主回路設(shè)備進行三維精密測量和模擬計算。

CPR1000堆型核電站主管道自動焊采用的是傳統(tǒng)的手工焊施工邏輯，EPR堆型核電站主管道自動焊施工邏輯是基于蒸汽發(fā)生器（簡稱SG）更換的經(jīng)驗，采用SG后裝的施工邏輯。由于自動焊施工邏輯不同，兩者在三維測量和組對技術(shù)方面也有不同，各有優(yōu)缺點。

1 主管道自動焊技術(shù)簡介

1.1 CPR1000與EPR核島主回路布置

CPR1000核島主回路主要由3大主設(shè)備（簡稱RPV、SG、RCP）以及連接主設(shè)備的主管道組成，共有3個環(huán)路，每個環(huán)路有一臺SG和一臺RCP，通過主管道與壓力容器連接起來。3個環(huán)路相互之間成120度布置。其主回路布置如圖1所示。

EPR堆型為了提高單堆功率，其核島主回路系統(tǒng)在CPR1000堆型的基礎(chǔ)上增加了一個環(huán)路，形成了對稱布置的四環(huán)路系統(tǒng)。每個環(huán)路依然包括一臺SG、一臺主泵、以及相連的主管道冷段、熱段和過渡段。其主回路布置如圖1所示。

1.2 主管道自動焊焊口分布

CPR1000核島主回路系統(tǒng)每個環(huán)路的主管道分5段到貨，分別為冷段、熱段、過渡段AO段、過渡段BO段和過渡段CO段。單個環(huán)路共8個現(xiàn)場焊口，分別為C1、C4、F1、F4、U1、U2、U4、U6。3個環(huán)路總共24個現(xiàn)場焊口。

1.3 主管道自動焊施工邏輯

CPR1000主管道沿用傳統(tǒng)手工焊的施工邏輯，采用先焊接冷熱段，再焊接過渡段的順序。冷熱段焊接相互獨立，互不影響。每個環(huán)路的過渡段作為閉合環(huán)路的調(diào)整段，共分3段到貨，預(yù)留水平方向和垂直方向共兩個調(diào)節(jié)口補償整個環(huán)路焊接過程中的變形位移。具體單個環(huán)路8個現(xiàn)場焊口的焊接順序為U1→C4/F4→C1/F1→U4→U2/U6。

EPR主管道安裝施工邏輯基于SG的更換經(jīng)驗。SG是整個環(huán)路最后安裝的設(shè)備，連接SG的兩個焊口H3和U1口作為閉合環(huán)路的調(diào)節(jié)口。具體單個環(huán)路6個現(xiàn)場焊口的焊接順序為C1/C2→H1/U4→H3/U1。兩種堆型自動焊施工邏輯對比如圖3所示：

1.4 主管道自動焊組對要求

CPR1000與EPR主管道焊接均采用窄間隙自動焊工藝，其組對技術(shù)要求包括：組對間隙0～1 mm，組對錯邊量0～1.5 mm。為了滿足自動焊組對要求，CPR1000與EPR均采用了高精度三維測量技術(shù)對主設(shè)備和主管道安裝過程進行精密測量計算。

2 三維測量組對技術(shù)對比

由于主設(shè)備制造公差和現(xiàn)場安裝公差的影響，很難保證主管道窄間隙自動焊的組對要求。因此需要通過對主設(shè)備竣工尺寸進行三維精密測量，計算得到相應(yīng)的主管道需要加工的坡口尺寸。并在安裝過程中通過測量，嚴格控制設(shè)備安裝位置，實現(xiàn)自動焊的組對要求。由于CPR1000與EPR自動焊施工邏輯不同，兩種三維測量和計算的方法也有差異，以下從4個方面進行對比分析。

2.1 三維測量、組對計算的基本原理

根據(jù)CPR1000自動焊的施工邏輯，其冷熱段安裝相互獨立，互不影響。過渡段兩個調(diào)節(jié)口分別補償水平方向和垂直方向的偏差，也是相互獨立的計算。由于主設(shè)備本身安裝精度要求比較高，要實現(xiàn)自動焊組對要求，重點是根據(jù)主設(shè)備的竣工尺寸計算出對應(yīng)的主管道坡口尺寸，其基本原理如下：

（1）進行主設(shè)備竣工尺寸測量。

（2）主管道冷熱段預(yù)留坡口長度并進行三維測量。

（3）主設(shè)備與主管道模型進行最佳組對擬合計算，得到坡口尺寸。

（4）過渡段預(yù)留U2/U4坡口長度。

（5）冷熱段焊接完成之后，測量過渡段連接口的安裝尺寸。

（6）考慮焊接收縮量和溫度補償，計算U2/U4調(diào)節(jié)口的最終坡口加工尺寸。

具體測量與計算流程如圖4所示：

EPR測量計算基本原理與CPR1000類似。由于EPR采用SG最后安裝的施工邏輯，H3和U1口作為調(diào)節(jié)口最后組對焊接，而H3和U1口分別是50度彎頭和40度彎頭上的焊口，焊接過程中同時存在水平分量和垂直分量的焊接收縮量，增加了測量、計算以及組對的難度。EPR自動焊測量與計算的基本原理如下：

（1）進行主設(shè)備竣工尺寸測量。

（2）進行主管道初始尺寸測量。

（3）進行RPV、RCP和CL最佳擬合計算，得到冷段C1/C2口最終坡口尺寸。

（4）進行RPV、SG和HL最佳擬合計算，得到熱段H1口最終坡口尺寸。

（5）進行RCP、SG和COL最佳擬合計算，得到過渡段U4口最終坡口尺寸。

（6）C1、C2、H1和U4口焊接完成之后，測量H3和U1口的位置，并結(jié)合SG進出口管嘴竣工尺寸數(shù)據(jù)，考慮U1口焊接收縮量的補償，計算得到主管道H3和U1口的最終坡口尺寸。

（7）由于U1口預(yù)留了焊接收縮量，組對之前需要對過渡段用千斤頂進行強制位移，然后安裝SG，組對和焊接H3/U1口，完成環(huán)路閉合。

具體測量與計算流程如圖5所示。

CPR1000與EPR自動焊測量的基本原理大體相同，都是通過對主設(shè)備進行三維測量建模，然后結(jié)合具體的安裝邏輯，考慮焊接收縮量的補償?shù)纫蛩赜绊?，采用最佳組對擬合計算出主管道的最終坡口尺寸，以滿足自動焊組對要求。

2.2 三維測量與建模

CPR1000自動焊三維測量使用的是API激光跟蹤儀系統(tǒng)，其特點是可以實時自動跟蹤目標靶球的位置，測量目標靶球在三維空間的位置坐標，適合單點三維坐標測量和實時跟蹤，以及動態(tài)掃描測量。

EPR自動焊三維測量使用的是GSI三維攝影測量系統(tǒng)，其特點是通過布置大量反射標記點進行目標體三維測量，適合用于對大型設(shè)備進行三維測量（如圖6）。

從測量精度來看，激光跟蹤儀的測量精度稍高。從采集的測量特征點來看，攝影測量所需標記點要更多。采用激光跟蹤測量時RPV測量特征點約100個，而三維攝影測量時RPV布點數(shù)達到500個以上，與激光測量方法形成鮮明的對比。下圖是兩種測量方法獲得的三維測量模型。

2.3 組對計算

2.3.1 組對計算的實現(xiàn)方法

CPR1000與EPR的組對計算均采用SA測量軟件的最佳擬合功能。其基本步驟是根據(jù)主設(shè)備安裝技術(shù)要求，先對主設(shè)備測量模型進行定位，然后導(dǎo)入主管道測量模型，通過最佳擬合計算得到主管道的安裝位置和坡口尺寸。

2.3.2 非調(diào)節(jié)口的組對計算

非調(diào)節(jié)口是指按照設(shè)計尺寸加工，不用于補償整個環(huán)路焊接變形的焊口。非調(diào)節(jié)口的坡口尺寸計算只依賴于主設(shè)備竣工尺寸以及主設(shè)備安裝要求。在主設(shè)備制造完工之后，現(xiàn)場安裝工作開始之前即可對非調(diào)節(jié)口進行坡口擬合計算，并加工完最終坡口。計算過程中需要在每個焊口預(yù)留焊接收縮量。如上節(jié)所描述的，CPR1000與EPR對于非調(diào)節(jié)口的坡口尺寸計算所采用的計算方法相同。

2.3.3 調(diào)節(jié)口的組對計算

調(diào)節(jié)口是整個環(huán)路最后焊接的焊口，承擔著補償環(huán)路焊接位移的任務(wù)。調(diào)節(jié)口的坡口尺寸需要等到環(huán)路中所有其他焊口都已經(jīng)焊接完成，并對環(huán)路的開口進行實際測量之后計算得到的。整個環(huán)路的焊接變形可以分解到水平和垂直兩個方向。CPR1000調(diào)節(jié)口U2/U4就是分別在這兩個方向上對環(huán)路焊接變形進行補償。

EPR主管道自動焊的調(diào)節(jié)口是與SG相連的H3和U1口，兩個焊口都是斜焊口，每個焊口的焊接收縮都會分解到水平和垂直方向。而且由于預(yù)留收縮量之后，兩個管口之間的距離會比SG管嘴之間的距離小，導(dǎo)致SG不能直接與主管道兩個管口組對，需要先將過渡段U1口通過千斤頂進行強制位移，然后才能完成H3和U1口的組對。因此在H3/U1口組對過程中，需要通過測量精確控制U1口的位移量，確保能夠滿足自動焊組對要求。

通過對比可以發(fā)現(xiàn)，CPR1000自動焊調(diào)節(jié)口的坡口計算和組對更加容易控制和實現(xiàn)，EPR自動焊調(diào)節(jié)口的坡口計算和組對安裝難度比較高。

3 結(jié)語

通過對CPR1000與EPR主管道自動焊測量與組對技術(shù)的對比分析，可以得出以下一些結(jié)論：

從施工邏輯上分析，EPR堆型采用SG后裝的施工邏輯，可以將過渡段作為一整個組件在現(xiàn)場安裝，減少了現(xiàn)場的焊口數(shù)量，有利于縮短工期。但同時也增加了SG安裝和主管道組對的難度。

從測量方法上分析，激光跟蹤測量具有動態(tài)測量的特性，適合現(xiàn)場主設(shè)備安裝過程的監(jiān)控，實現(xiàn)設(shè)備的精確安裝。而三維攝影測量法具有不接觸測量的優(yōu)勢，適合進行主設(shè)備竣工尺寸等大型空間位置的三維精密測量，也適合在役項目輻射環(huán)境下的無接觸三維測量。兩種測量方法各有優(yōu)勢，形成互補。

三維精密測量及模擬安裝組對的技術(shù)，不僅能應(yīng)用于主管道窄間隙自動焊的組對，也可以應(yīng)用于核島主系統(tǒng)安裝過程中。通過三維測量和實時監(jiān)控，能夠指導(dǎo)主設(shè)備進行精確就位，有利于提高安裝質(zhì)量和縮短工期。