核電站主管道自動焊三維測量與組對技術的研究

摘 要：核電站主管道自動焊技術是一種先進的焊接技術，廣泛應用于核電站建設與運行維修階段。在中廣核CPR1000和三代EPR堆型核電站建設過程中均采用了主管道窄間隙自動焊技術。為了保證窄間隙自動焊技術的組對要求，需要對核島主回路設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，找出其各自的優缺點，為主管道自動焊三維測量組對技術的改進提供參考。

關鍵詞：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是一種先進的焊接技術，廣泛應用于核電站建設與運行維修階段。在中廣核CPR1000堆型和三代EPR堆型核電站建設過程中均采用了主管道窄間隙自動焊技術，該技術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，需要對相關的核島主回路設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生器（簡稱SG）更換的經驗，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方面也有不同，各有優缺點。

1 主管道自動焊技術簡介

1.1 CPR1000與EPR核島主回路布置

CPR1000核島主回路主要由3大主設備（簡稱RPV、SG、RCP）以及連接主設備的主管道組成，共有3個環路，每個環路有一臺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，其核島主回路系統在CPR1000堆型的基礎上增加了一個環路，形成了對稱布置的四環路系統。每個環路依然包括一臺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核島主回路系統每個環路的主管道分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。單個環路共8個現場焊口，分別為C1、C4、F1、F4、U1、U2、U4、U6。3個環路總共24個現場焊口。

1.3 主管道自動焊施工邏輯

CPR1000主管道沿用傳統手工焊的施工邏輯，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。每個環路的過渡段作為閉合環路的調整段，共分3段到貨，預留水平方向和垂直方向共兩個調節口補償整個環路焊接過程中的變形位移。具體單個環路8個現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的更換經驗。SG是整個環路最后安裝的設備，連接SG的兩個焊口H3和U1口作為閉合環路的調節口。具體單個環路6個現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對主設備和主管道安裝過程進行精密測量計算。

2 三維測量組對技術對比

由于主設備制造公差和現場安裝公差的影響，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備竣工尺寸進行三維精密測量，計算得到相應的主管道需要加工的坡口尺寸。并在安裝過程中通過測量，嚴格控制設備安裝位置，實現自動焊的組對要求。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。過渡段兩個調節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。由于主設備本身安裝精度要求比較高，要實現自動焊組對要求，重點是根據主設備的竣工尺寸計算出對應的主管道坡口尺寸，其基本原理如下：

（1）進行主設備竣工尺寸測量。

（2）主管道冷熱段預留坡口長度并進行三維測量。

（3）主設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調節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口作為調節口最后組對焊接，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，并結合SG進出口管嘴竣工尺寸數據，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，都是通過對主設備進行三維測量建模，然后結合具體的安裝邏輯，考慮焊接收縮量的補償等因素影響，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，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，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。其基本步驟是根據主設備安裝技術要求，先對主設備測量模型進行定位，然后導入主管道測量模型，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 非調節口的組對計算

非調節口是指按照設計尺寸加工，不用于補償整個環路焊接變形的焊口。非調節口的坡口尺寸計算只依賴于主設備竣工尺寸以及主設備安裝要求。在主設備制造完工之后，現場安裝工作開始之前即可對非調節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留焊接收縮量。如上節所描述的，CPR1000與EPR對于非調節口的坡口尺寸計算所采用的計算方法相同。

2.3.3 調節口的組對計算

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

EPR主管道自動焊的調節口是與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。

通過對比可以發現，CPR1000自動焊調節口的坡口計算和組對更加容易控制和實現，EPR自動焊調節口的坡口計算和組對安裝難度比較高。

3 結語

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

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場安裝，減少了現場的焊口數量，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測量的特性，適合現場主設備安裝過程的監控，實現設備的精確安裝。而三維攝影測量法具有不接觸測量的優勢，適合進行主設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境下的無接觸三維測量。兩種測量方法各有優勢，形成互補。

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