AP/CAP系列核電主管道全尺寸模擬試驗(yàn)三維建模技術(shù)

宋 平，侯海燕，劉虹澤，范祖貴

（國(guó)核工程有限公司，上海 200233）

0 前言

反應(yīng)堆一回路主管道（RCL）是核電站的核安全Ⅰ級(jí)設(shè)備[1]，材質(zhì)為SA-376 TP-316L，其制造工藝包括冶煉、電擊棒、電渣回爐、整體鍛造、粗加工、彎制、精加工、固熔處理、精加工等主工序，主管道將反應(yīng)堆壓力容器（RPV）、蒸汽發(fā)生器（SG）和反應(yīng)堆冷卻劑泵（RCP）連成閉環(huán)回路。一回路由兩個(gè)環(huán)路組成，每個(gè)環(huán)路包括1根熱段和2根冷段，兩個(gè)環(huán)路共計(jì)6根管段、12個(gè)管端，因此在施工現(xiàn)場(chǎng)需要加工12道坡口。

主管道模擬件是由一段材質(zhì)為SA-376 TP-316的不銹鋼管[2]和1∶1尺寸比例（簡(jiǎn)稱全尺寸）的模擬管[3]組成，在車間進(jìn)行的模擬試驗(yàn)是取反應(yīng)堆主管道一個(gè)環(huán)路實(shí)施實(shí)體模擬。

1 主管道安裝模擬的三維測(cè)量

1.1 測(cè)量方法及流程

主管道組對(duì)焊接三維（3D）模擬是通過(guò)3D模型測(cè)量和數(shù)學(xué)計(jì)算兩種相互驗(yàn)證為主管道安裝提供準(zhǔn)確的坡口加工量的方法。其中，3D建模測(cè)量方法是基于激光跟蹤儀現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)建立主管道及相關(guān)的3D模型，并利用3D模型實(shí)現(xiàn)模擬裝配，按照預(yù)先定義的組對(duì)條件，計(jì)算出主管道冷段、熱段坡口加工量。主管道全尺寸3D模型如圖1所示。

圖1 主管道全尺寸3D模型

主管道安裝過(guò)程中的測(cè)量包括以下幾方面：RPV激光測(cè)量與建模；SG激光測(cè)量與建模；主管道激光測(cè)量與建模；主管道模擬裝配擬合建模；主管道與RPV、SG的組對(duì)測(cè)量；模擬主管道組對(duì)和焊接過(guò)程監(jiān)測(cè)；模擬主設(shè)備實(shí)際位置，并與設(shè)計(jì)位置進(jìn)行比較，最終計(jì)算安裝偏差。

模擬件測(cè)量工作流程如圖2所示。

圖2 模擬件測(cè)量工作流程

1.2 控制點(diǎn)布設(shè)及中心坐標(biāo)系的建立

主管道全尺寸模擬試驗(yàn)廠房建成后，應(yīng)分別在RPV模擬件中心的預(yù)埋板和SG垂直支撐模擬件安裝中心的預(yù)埋板上標(biāo)記好RPV中心點(diǎn)和垂直支撐中心點(diǎn)，用于后續(xù)模擬件的就位安裝。

主管道安裝的控制點(diǎn)的布設(shè)可在模擬件以及周邊模擬腔室墻體上均勻布置，考慮到墻體的穩(wěn)定性不足，亦可在地面上布置控制點(diǎn)，但要確保所有控制點(diǎn)的數(shù)據(jù)都可以采集到，儀器每次設(shè)站、蛙跳時(shí)，觀測(cè)到的控制點(diǎn)應(yīng)不少于6個(gè)。

當(dāng)中心點(diǎn)和控制點(diǎn)穩(wěn)定后，可采用激光跟蹤儀進(jìn)行測(cè)量，作為控制點(diǎn)初始值，對(duì)測(cè)量控制點(diǎn)初始值進(jìn)行多次觀測(cè)，直至觀測(cè)值穩(wěn)定；然后保存數(shù)據(jù)，以RPV中心點(diǎn)作為原點(diǎn)，建立RPV中心坐標(biāo)系。激光跟蹤信及激光靶球如圖3所示。

圖3 激光跟蹤儀及激光靶球

RPV中心坐標(biāo)系是根據(jù)已確定的RPV模擬件中心位置坐標(biāo)及SG垂直支撐模擬件安裝中心位置坐標(biāo)，以RPV中心與SG垂直支撐就位中心連線為RPV-SG軸線，以PV模擬件中心為原點(diǎn)，RPV-SG軸向?yàn)閤軸，+x軸向由RPV中心指向SG垂直支撐中心，垂直方向?yàn)閦軸，+z軸垂直向上。

1.3 模擬主設(shè)備及主管道尺寸3D測(cè)量

由于模擬件的特殊性，像RPV、SG模擬件只需開(kāi)展管嘴測(cè)量，然后進(jìn)行單體建模。對(duì)于SG，若有垂直支撐模擬件時(shí)，還應(yīng)測(cè)量模擬件法蘭面螺栓孔，并進(jìn)行單體建模。

在進(jìn)行管嘴測(cè)量時(shí)，每個(gè)管嘴內(nèi)側(cè)邊緣處至少選取8個(gè)測(cè)量位置，點(diǎn)位應(yīng)均勻分布；另外，在合適位置選取4～8個(gè)冗余測(cè)量位置，所有測(cè)量位置應(yīng)做好適當(dāng)標(biāo)記。

單面坡口管嘴與未加工坡口管嘴，宜使用圓柱銷測(cè)量座配合靶球進(jìn)行測(cè)量，采用單點(diǎn)測(cè)量模式；雙面坡口管嘴宜使用平面測(cè)量座配合靶球測(cè)量其端面，并擬合計(jì)算出平面，使用靶球測(cè)量?jī)?nèi)壁相應(yīng)位置，再計(jì)算出內(nèi)壁測(cè)量點(diǎn)垂直投影到平面的點(diǎn)位數(shù)據(jù)。在進(jìn)行主管道模擬件內(nèi)徑測(cè)量時(shí)，每端選取3圈測(cè)量點(diǎn)，每圈應(yīng)均勻設(shè)置8個(gè)測(cè)量點(diǎn)位；使用靶球采用穩(wěn)定點(diǎn)或單點(diǎn)測(cè)量模式直接進(jìn)行測(cè)量。模擬主管道及管嘴測(cè)量位置如圖4所示。

圖4 模擬主管道及管嘴測(cè)量位置示意

主管道中間段是采用碳鋼管制作，內(nèi)部進(jìn)行灌沙，以充分保證與正式主管道質(zhì)量相等。試驗(yàn)時(shí)，會(huì)在碳鋼管上焊接復(fù)位點(diǎn)，復(fù)位點(diǎn)選擇在施工各階段均方便測(cè)量的位置。冷段和熱段復(fù)位點(diǎn)分布示意如圖5和圖6所示。

圖5 冷段復(fù)位點(diǎn)分布示意

圖6 熱段復(fù)位點(diǎn)分布示意

因此，在主管道激光測(cè)量時(shí)也應(yīng)對(duì)復(fù)位點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，并參與主管道單體建模。

1.4 模擬件的3D建模

1.4.1 RPV建模

利用RPV冷、熱段不銹鋼管嘴內(nèi)徑坡口上的測(cè)量點(diǎn)構(gòu)造端面圓及其圓中心點(diǎn)和法向點(diǎn)；端面點(diǎn)測(cè)量時(shí)使用圓柱銷靶座，擬合時(shí)確認(rèn)徑向、平面偏移量及偏移方向正確；在RPV模擬件冷、熱段接管嘴端面建立坐標(biāo)系，每個(gè)管嘴按時(shí)鐘刻度設(shè)置12個(gè)點(diǎn)，坐標(biāo)系原點(diǎn)位于管嘴端面圓中心點(diǎn)，+z矢量沿圓法線方向指向管外，+x矢量指向12#測(cè)量點(diǎn)，命名為RPV冷、熱管嘴坐標(biāo)系。

1.4.2 垂直支撐及SG建模

以垂直支撐模擬件法蘭螺栓孔測(cè)量點(diǎn)構(gòu)造螺栓孔圓及其圓中心點(diǎn)和法向點(diǎn)；再利用構(gòu)造出的螺栓孔圓中心點(diǎn)構(gòu)造出法蘭片圓及其圓中心點(diǎn)和法向點(diǎn)；端面點(diǎn)測(cè)量時(shí)使用圓柱銷靶座，擬合時(shí)確認(rèn)徑向、平面偏移量及偏移方向正確；構(gòu)造SG垂直支撐坐標(biāo)系，原點(diǎn)為SG垂直支撐中心，+z矢量平行于RPV中心坐標(biāo)系z(mì)軸且指向一致，+x矢量平行于RPV坐標(biāo)系x軸并指向RPV熱段中心方向，命名為SG垂直支撐坐標(biāo)系。

SG冷、熱段不銹鋼管嘴內(nèi)徑坡口上的測(cè)量點(diǎn)構(gòu)造端面圓及其圓中心點(diǎn)和法向點(diǎn)；端面點(diǎn)測(cè)量時(shí)使用圓柱銷靶座，擬合時(shí)確認(rèn)徑向、平面偏移量及偏移方向正確；構(gòu)造SG模擬件坐標(biāo)系，原點(diǎn)為SG底部凸臺(tái)中心，+z矢量指向法蘭片圓法向點(diǎn)，+x矢量指向SG熱段中心方向，命名為SG坐標(biāo)系。

使用空間測(cè)量分析軟件Spatial Analyzer（SA）對(duì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。管嘴計(jì)算時(shí)，使用單個(gè)模擬管嘴采集的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行圓擬合計(jì)算，計(jì)算時(shí)應(yīng)注意使用的圓柱銷測(cè)量座及靶球的規(guī)格尺寸與方向。管壁計(jì)算時(shí)，使用單個(gè)模擬主管道一側(cè)內(nèi)壁采集的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行圓柱擬合計(jì)算，計(jì)算時(shí)注意靶球所在方向。

擬合計(jì)算時(shí)應(yīng)注意誤差分布情況，對(duì)于明顯影響形狀公差的點(diǎn)位數(shù)據(jù)應(yīng)予以剔除。

1.4.3 主管道建模

利用冷段、熱段管道端面管口測(cè)量點(diǎn)構(gòu)造端面圓及其中心點(diǎn)和法向線；利用冷段、熱段直管段內(nèi)外壁的測(cè)量點(diǎn)構(gòu)造圓柱體及其圓柱體中心線；構(gòu)造冷段、熱段管口坐標(biāo)系，原點(diǎn)為端面圓中心點(diǎn)，+z矢量沿內(nèi)壁構(gòu)造的圓柱體中心線指向管內(nèi)，+x矢量指向管口端面標(biāo)識(shí)的12#測(cè)量點(diǎn)，并命名為冷段、熱段管嘴坐標(biāo)系。

1.4.4 虛擬擬合計(jì)算

通過(guò)對(duì)坐標(biāo)系的設(shè)置切換，將4個(gè)單體模型逐一合并，并根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行調(diào)整，形成一個(gè)整體的3D模型。

由于主泵冷段接管處高于RPV冷段接管處1～4 mm，熱段水平直管兩端同樣存在1～4 mm的高度差，因此建模時(shí)SG就位坐標(biāo)相對(duì)理論位置提高約2 mm，再將主管道模型導(dǎo)入后確保兩側(cè)管口能夠正確組對(duì)且錯(cuò)邊量控制0.8 mm以內(nèi)，從而得到當(dāng)前RPV側(cè)管嘴重疊量，并根據(jù)工藝試驗(yàn)確定的焊縫收縮量及組對(duì)間隙確定最終的坡口切割量（每個(gè)管口共采集8組數(shù)據(jù)），以保證實(shí)際組對(duì)時(shí)預(yù)留的焊縫收縮量及組對(duì)間隙能夠確保SG側(cè)管口在焊接過(guò)程中移動(dòng)至預(yù)定位置。

將激光跟蹤測(cè)量獲得的數(shù)據(jù)利用SA軟件分別進(jìn)行RPV、SG及主管道建模擬合計(jì)算，根據(jù)主管道與設(shè)備管嘴重合部分及考慮焊口組對(duì)間隙的要求，計(jì)算主管道兩端的切割余量。

在建模擬合過(guò)程中，應(yīng)考慮RPV側(cè)主管道焊口焊接50%時(shí)的收縮量，按照激光建模擬合確定的管段切割量分別加焊縫收縮預(yù)留量（注：由于采用焊接工藝不同，焊接收縮量會(huì)有所不同）的焊縫收縮切割余量，確定主管道坡口加工的激光測(cè)量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。主管道模擬件下料切割線標(biāo)記如圖7所示。

圖7 主管道模擬件下料切割線標(biāo)記

1.4.5 3D模型測(cè)量驗(yàn)證

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)建立精細(xì)3D模型，并根據(jù)圖紙與測(cè)量數(shù)據(jù)精確定位3D模型。在模型中，主管道的預(yù)留管段將與對(duì)應(yīng)的管嘴重疊，在模型中測(cè)量重疊部分?jǐn)?shù)據(jù)，即為需要切割掉的加工量。在加工過(guò)程中，距最終切割線1 mm時(shí)，控制進(jìn)刀量在0.25 mm以內(nèi)[4]，每進(jìn)刀一次用激光跟蹤儀測(cè)量檢查z值正確性。

（1）將1∶1的3D模型進(jìn)行組對(duì)，使主管道兩側(cè)軸線分別與RPV管嘴、SG管嘴軸線重合，在3D模型中確定主管道準(zhǔn)確的組對(duì)位置。

（2）以設(shè)備管嘴端面作為輔助平面（平面1），其中心定位在管嘴中心。

（3）以主管道管口端面作為輔助平面（平面2），其中心定位在管口中心。

（4）在管嘴處4個(gè)過(guò)主管道中心線的平面（平面 a、b、c、d）并使得相鄰兩平面間夾角為 45°。

（5）平面 a、b、c、d 與平面 1 及平面 2及主管道圓筒面間形成交點(diǎn)，測(cè)量出沿著主管道軸線方向相應(yīng)交點(diǎn)間距，即為加工數(shù)據(jù)，如圖8所示；最后將3D模型的測(cè)量數(shù)據(jù)與軟件的計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，保證兩種方式所得的數(shù)據(jù)吻合，誤差在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。

圖8 3D模型測(cè)量點(diǎn)示意

2 坡口加工工藝

AP/CAP系列核電站主管道坡口形式有單面坡口和兩面坡口兩種，根據(jù)不同形式的坡口，制定不同的加工工藝，不同直徑相同坡口形式采用同一加工工藝，即單面坡口加工工藝和雙面坡口加工工藝。

坡口加工時(shí)還需滿足坡口組對(duì)時(shí)各管段標(biāo)高要求以及主管道自身制造偏差，單面坡口通過(guò)內(nèi)卡式坡口機(jī)的兩次對(duì)刀及對(duì)中完成，第一次對(duì)刀及對(duì)中，調(diào)整坡口機(jī)軸線與3D建模管道軸線重合，坡口機(jī)角度與管道本體角度平行，完成內(nèi)膛的加工；第二次對(duì)刀及對(duì)中，調(diào)整內(nèi)卡式坡口機(jī)軸線和角度與3D建模管道軸線與角度重合，完成斜坡口的加工。雙面坡口則通過(guò)調(diào)整內(nèi)卡式坡口機(jī)軸線和角度與3D建模管道軸線與角度重合，完成內(nèi)坡口和外坡口的加工。

3 主管道模擬件組對(duì)和焊接

3.1 組對(duì)測(cè)量

主管道全尺寸模擬試驗(yàn)是對(duì)其中一個(gè)環(huán)路進(jìn)行模擬，共涉及6道焊口的組對(duì)焊接，RPV側(cè)和SG側(cè)焊口編號(hào)如表1所示。

表1 主管道模擬件RPV側(cè)焊口編號(hào)

在組對(duì)RPV側(cè)的HL01、CL04和CL06焊口時(shí)，調(diào)整測(cè)量SG側(cè)的HL02、CL03和CL05管嘴中心點(diǎn)位置（中心定位靶直接測(cè)量和中心點(diǎn)擬合兩種方法），通過(guò)控制調(diào)整組對(duì)間隙與錯(cuò)邊量，確保主管道模擬件的熱段、冷段安裝位置，組對(duì)間隙、錯(cuò)邊量滿足設(shè)計(jì)要求[5]。

組對(duì)完成后對(duì)RPV和SG側(cè)管嘴位置進(jìn)行測(cè)量，兩側(cè)位置均合格后，對(duì)主管道模擬件SG側(cè)管嘴進(jìn)行測(cè)量，至少選取8個(gè)均布點(diǎn)位測(cè)量位置；另外應(yīng)在合適位置選取4～8個(gè)冗余測(cè)量位置，測(cè)量完成后模擬計(jì)算出中心點(diǎn)坐標(biāo)；如測(cè)量完成后計(jì)算出的中心點(diǎn)坐標(biāo)結(jié)果超出合格范圍，則重新進(jìn)行組對(duì)調(diào)整。

3.2 模擬RPV側(cè)焊口焊接過(guò)程監(jiān)測(cè)

利用車間測(cè)量控制點(diǎn)，使用激光跟蹤儀進(jìn)行測(cè)量，每個(gè)管嘴至少選取8個(gè)均布點(diǎn)位測(cè)量位置；另外應(yīng)在合適位置選取4～8個(gè)冗余測(cè)量位置，測(cè)量完成后模擬計(jì)算出中心點(diǎn)坐標(biāo)，與模擬RPV側(cè)管嘴組對(duì)完成后的測(cè)量結(jié)果比較，得出焊接變化情況。

3.3 SG側(cè)二次建模

RPV側(cè)焊接至50%后，通過(guò)二次3D測(cè)量采集SG側(cè)3個(gè)管口數(shù)據(jù)并導(dǎo)入RPV坐標(biāo)系，與SG模擬管嘴進(jìn)行模擬組對(duì)確保錯(cuò)邊量滿足要求，得到SG側(cè)管嘴重疊量，再根據(jù)組對(duì)間隙的要求確定最終坡口切割量（每個(gè)管口共采集8組數(shù)據(jù)），加工完成后測(cè)量SG側(cè)主管道以及SG側(cè)管口并更新模型，管口位置須滿足設(shè)計(jì)要求。

模擬SG吊裝就位，調(diào)整位置后，驗(yàn)證SG側(cè)3道焊接坡口焊接組對(duì)。CPR1000核電的SG與主泵是分體結(jié)構(gòu)且連接SG與主泵的主管道設(shè)置過(guò)渡段[6]；AP/CAP系列核電的SG與主泵泵殼是一體化結(jié)構(gòu)，組對(duì)錯(cuò)邊量要求相對(duì)更高。

3.4 焊接完成后最終測(cè)量檢查

在主管道模擬件焊接完成后，需進(jìn)行最終測(cè)量檢查，使用激光跟蹤儀對(duì)主管道模擬件復(fù)位點(diǎn)、垂直支撐中心位置進(jìn)行測(cè)量；通過(guò)復(fù)位點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，得出模擬主設(shè)備實(shí)際位置，與設(shè)計(jì)位置進(jìn)行比較，偏差滿足設(shè)計(jì)要求。

4 測(cè)量方法及問(wèn)題處理

在主管道模擬試驗(yàn)中，掌握激光跟蹤儀的正確使用方法，及時(shí)解決測(cè)量過(guò)程中出現(xiàn)的各種問(wèn)題是確保測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的先決條件。

（1）對(duì)測(cè)量用的控制點(diǎn)，在空間均勻分布并進(jìn)行編號(hào)，測(cè)量時(shí)確保所有數(shù)據(jù)都可以采集到，儀器每次設(shè)站、蛙跳至少能夠測(cè)到6個(gè)點(diǎn)。

（2）激光跟蹤儀預(yù)熱完成后，需進(jìn)行檢查及校準(zhǔn)，Azimuth與Elevation兩個(gè)角的誤差絕對(duì)值應(yīng)全部小于0.001；若任何一個(gè)超過(guò)0.001，小于0.004，則執(zhí)行單點(diǎn)快速體積補(bǔ)償；若超過(guò)0.004，就需執(zhí)行四點(diǎn)QVC快速體積補(bǔ)償。

（3）若有測(cè)點(diǎn)不可達(dá)，需將儀器蛙跳到下一站，測(cè)量前進(jìn)行測(cè)量控制點(diǎn)檢查，測(cè)量至少6個(gè)控制點(diǎn)與控制點(diǎn)初始值最佳擬合來(lái)定位儀器，并根據(jù)需要增加控制點(diǎn)，測(cè)量剩余點(diǎn)，直到所有點(diǎn)全部測(cè)量完成為止。

（4）雙面坡口無(wú)法按單面坡口的方法測(cè)量錯(cuò)邊量，需要使用專用測(cè)量工具，測(cè)量時(shí)應(yīng)避免多工具輔助測(cè)量造成的誤差累計(jì)過(guò)大，導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。

5 結(jié)論

通過(guò)主管道模擬試驗(yàn)，借助激光跟蹤測(cè)量和3D建模擬合技術(shù)以及車間數(shù)控坡口加工技術(shù)的應(yīng)用，完全能解決主管道的制造尺寸偏差問(wèn)題；在掌握3D測(cè)量和建模技術(shù)的同時(shí)，建立良好實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)反饋機(jī)制[7]，為后續(xù)AP/CAP系列核電主管道的施工作業(yè)提供理論和技術(shù)支持。

（1）在主管道內(nèi)、外坡口加工的模擬試驗(yàn)及坡口尺寸驗(yàn)收的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題，通過(guò)改進(jìn)工藝提高坡口機(jī)加工質(zhì)量和效率。

（2）通過(guò)3D測(cè)量及建模確保RPV側(cè)坡口正確組對(duì)的情況下，SG側(cè)管口能夠達(dá)到建模的預(yù)定位置，掌握冷段和熱段三道焊口同時(shí)組對(duì)技術(shù)。

（3）在焊接過(guò)程中對(duì)兩側(cè)管口利用百分表及3D測(cè)量?jī)x進(jìn)行撓曲變形跟蹤監(jiān)測(cè)，可以明確各模擬體的變形及位移情況，并根據(jù)變化情況在焊接過(guò)程中改變熱輸入量或焊接起弧點(diǎn)的位置等控制措施，使SG側(cè)管口位置及軸線盡量按照預(yù)定的路線移動(dòng)。

（4）在測(cè)量和建模過(guò)程中，對(duì)主管道坡口尺寸、錯(cuò)邊量及組對(duì)間隙、焊縫收縮量等數(shù)據(jù)的測(cè)量采集，驗(yàn)證激光測(cè)量和3D建模的準(zhǔn)確性。