AP/CAP系列核電主管道全尺寸模擬試驗三維建模技術

宋 平，侯海燕，劉虹澤，范祖貴

（國核工程有限公司，上海 200233）

0 前言

反應堆一回路主管道（RCL）是核電站的核安全Ⅰ級設備[1]，材質為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，主管道將反應堆壓力容器（RPV）、蒸汽發生器（SG）和反應堆冷卻劑泵（RCP）連成閉環回路。一回路由兩個環路組成，每個環路包括1根熱段和2根冷段，兩個環路共計6根管段、12個管端，因此在施工現場需要加工12道坡口。

主管道模擬件是由一段材質為SA-376 TP-316的不銹鋼管[2]和1∶1尺寸比例（簡稱全尺寸）的模擬管[3]組成，在車間進行的模擬試驗是取反應堆主管道一個環路實施實體模擬。

1 主管道安裝模擬的三維測量

1.1 測量方法及流程

主管道組對焊接三維（3D）模擬是通過3D模型測量和數學計算兩種相互驗證為主管道安裝提供準確的坡口加工量的方法。其中，3D建模測量方法是基于激光跟蹤儀現場采集的數據建立主管道及相關的3D模型，并利用3D模型實現模擬裝配，按照預先定義的組對條件，計算出主管道冷段、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

主管道安裝過程中的測量包括以下幾方面：RPV激光測量與建模；SG激光測量與建模；主管道激光測量與建模；主管道模擬裝配擬合建模；主管道與RPV、SG的組對測量；模擬主管道組對和焊接過程監測；模擬主設備實際位置，并與設計位置進行比較，最終計算安裝偏差。

模擬件測量工作流程如圖2所示。

圖2 模擬件測量工作流程

1.2 控制點布設及中心坐標系的建立

主管道全尺寸模擬試驗廠房建成后，應分別在RPV模擬件中心的預埋板和SG垂直支撐模擬件安裝中心的預埋板上標記好RPV中心點和垂直支撐中心點，用于后續模擬件的就位安裝。

主管道安裝的控制點的布設可在模擬件以及周邊模擬腔室墻體上均勻布置，考慮到墻體的穩定性不足，亦可在地面上布置控制點，但要確保所有控制點的數據都可以采集到，儀器每次設站、蛙跳時，觀測到的控制點應不少于6個。

當中心點和控制點穩定后，可采用激光跟蹤儀進行測量，作為控制點初始值，對測量控制點初始值進行多次觀測，直至觀測值穩定；然后保存數據，以RPV中心點作為原點，建立RPV中心坐標系。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中心坐標系是根據已確定的RPV模擬件中心位置坐標及SG垂直支撐模擬件安裝中心位置坐標，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，RPV-SG軸向為x軸，+x軸向由RPV中心指向SG垂直支撐中心，垂直方向為z軸，+z軸垂直向上。

1.3 模擬主設備及主管道尺寸3D測量

由于模擬件的特殊性，像RPV、SG模擬件只需開展管嘴測量，然后進行單體建模。對于SG，若有垂直支撐模擬件時，還應測量模擬件法蘭面螺栓孔，并進行單體建模。

在進行管嘴測量時，每個管嘴內側邊緣處至少選取8個測量位置，點位應均勻分布；另外，在合適位置選取4～8個冗余測量位置，所有測量位置應做好適當標記。

單面坡口管嘴與未加工坡口管嘴，宜使用圓柱銷測量座配合靶球進行測量，采用單點測量模式；雙面坡口管嘴宜使用平面測量座配合靶球測量其端面，并擬合計算出平面，使用靶球測量內壁相應位置，再計算出內壁測量點垂直投影到平面的點位數據。在進行主管道模擬件內徑測量時，每端選取3圈測量點，每圈應均勻設置8個測量點位；使用靶球采用穩定點或單點測量模式直接進行測量。模擬主管道及管嘴測量位置如圖4所示。

圖4 模擬主管道及管嘴測量位置示意

主管道中間段是采用碳鋼管制作，內部進行灌沙，以充分保證與正式主管道質量相等。試驗時，會在碳鋼管上焊接復位點，復位點選擇在施工各階段均方便測量的位置。冷段和熱段復位點分布示意如圖5和圖6所示。

圖5 冷段復位點分布示意

圖6 熱段復位點分布示意

因此，在主管道激光測量時也應對復位點進行測量，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、熱段不銹鋼管嘴內徑坡口上的測量點構造端面圓及其圓中心點和法向點；端面點測量時使用圓柱銷靶座，擬合時確認徑向、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系，每個管嘴按時鐘刻度設置12個點，坐標系原點位于管嘴端面圓中心點，+z矢量沿圓法線方向指向管外，+x矢量指向12#測量點，命名為RPV冷、熱管嘴坐標系。

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量點構造螺栓孔圓及其圓中心點和法向點；再利用構造出的螺栓孔圓中心點構造出法蘭片圓及其圓中心點和法向點；端面點測量時使用圓柱銷靶座，擬合時確認徑向、平面偏移量及偏移方向正確；構造SG垂直支撐坐標系，原點為SG垂直支撐中心，+z矢量平行于RPV中心坐標系z軸且指向一致，+x矢量平行于RPV坐標系x軸并指向RPV熱段中心方向，命名為SG垂直支撐坐標系。

SG冷、熱段不銹鋼管嘴內徑坡口上的測量點構造端面圓及其圓中心點和法向點；端面點測量時使用圓柱銷靶座，擬合時確認徑向、平面偏移量及偏移方向正確；構造SG模擬件坐標系，原點為SG底部凸臺中心，+z矢量指向法蘭片圓法向點，+x矢量指向SG熱段中心方向，命名為SG坐標系。

使用空間測量分析軟件Spatial Analyzer（SA）對現場測量的數據進行計算。管嘴計算時，使用單個模擬管嘴采集的測量數據進行圓擬合計算，計算時應注意使用的圓柱銷測量座及靶球的規格尺寸與方向。管壁計算時，使用單個模擬主管道一側內壁采集的測量數據進行圓柱擬合計算，計算時注意靶球所在方向。

擬合計算時應注意誤差分布情況，對于明顯影響形狀公差的點位數據應予以剔除。

1.4.3 主管道建模

利用冷段、熱段管道端面管口測量點構造端面圓及其中心點和法向線；利用冷段、熱段直管段內外壁的測量點構造圓柱體及其圓柱體中心線；構造冷段、熱段管口坐標系，原點為端面圓中心點，+z矢量沿內壁構造的圓柱體中心線指向管內，+x矢量指向管口端面標識的12#測量點，并命名為冷段、熱段管嘴坐標系。

1.4.4 虛擬擬合計算

通過對坐標系的設置切換，將4個單體模型逐一合并，并根據設計要求進行調整，形成一個整體的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SG就位坐標相對理論位置提高約2 mm，再將主管道模型導入后確保兩側管口能夠正確組對且錯邊量控制0.8 mm以內，從而得到當前RPV側管嘴重疊量，并根據工藝試驗確定的焊縫收縮量及組對間隙確定最終的坡口切割量（每個管口共采集8組數據），以保證實際組對時預留的焊縫收縮量及組對間隙能夠確保SG側管口在焊接過程中移動至預定位置。

將激光跟蹤測量獲得的數據利用SA軟件分別進行RPV、SG及主管道建模擬合計算，根據主管道與設備管嘴重合部分及考慮焊口組對間隙的要求，計算主管道兩端的切割余量。

在建模擬合過程中，應考慮RPV側主管道焊口焊接50%時的收縮量，按照激光建模擬合確定的管段切割量分別加焊縫收縮預留量（注：由于采用焊接工藝不同，焊接收縮量會有所不同）的焊縫收縮切割余量，確定主管道坡口加工的激光測量建模擬合最終切割量坐標，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）及基準線。主管道模擬件下料切割線標記如圖7所示。

圖7 主管道模擬件下料切割線標記

1.4.5 3D模型測量驗證

依據現場測量數據建立精細3D模型，并根據圖紙與測量數據精確定位3D模型。在模型中，主管道的預留管段將與對應的管嘴重疊，在模型中測量重疊部分數據，即為需要切割掉的加工量。在加工過程中，距最終切割線1 mm時，控制進刀量在0.25 mm以內[4]，每進刀一次用激光跟蹤儀測量檢查z值正確性。

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

（2）以設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個過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，測量出沿著主管道軸線方向相應交點間距，即為加工數據，如圖8所示；最后將3D模型的測量數據與軟件的計算數據進行對比驗證，保證兩種方式所得的數據吻合，誤差在設計范圍內。

圖8 3D模型測量點示意

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。

坡口加工時還需滿足坡口組對時各管段標高要求以及主管道自身制造偏差，單面坡口通過內卡式坡口機的兩次對刀及對中完成，第一次對刀及對中，調整坡口機軸線與3D建模管道軸線重合，坡口機角度與管道本體角度平行，完成內膛的加工；第二次對刀及對中，調整內卡式坡口機軸線和角度與3D建模管道軸線與角度重合，完成斜坡口的加工。雙面坡口則通過調整內卡式坡口機軸線和角度與3D建模管道軸線與角度重合，完成內坡口和外坡口的加工。

3 主管道模擬件組對和焊接

3.1 組對測量

主管道全尺寸模擬試驗是對其中一個環路進行模擬，共涉及6道焊口的組對焊接，RPV側和SG側焊口編號如表1所示。

表1 主管道模擬件RPV側焊口編號

在組對RPV側的HL01、CL04和CL06焊口時，調整測量SG側的HL02、CL03和CL05管嘴中心點位置（中心定位靶直接測量和中心點擬合兩種方法），通過控制調整組對間隙與錯邊量，確保主管道模擬件的熱段、冷段安裝位置，組對間隙、錯邊量滿足設計要求[5]。

組對完成后對RPV和SG側管嘴位置進行測量，兩側位置均合格后，對主管道模擬件SG側管嘴進行測量，至少選取8個均布點位測量位置；另外應在合適位置選取4～8個冗余測量位置，測量完成后模擬計算出中心點坐標；如測量完成后計算出的中心點坐標結果超出合格范圍，則重新進行組對調整。

3.2 模擬RPV側焊口焊接過程監測

利用車間測量控制點，使用激光跟蹤儀進行測量，每個管嘴至少選取8個均布點位測量位置；另外應在合適位置選取4～8個冗余測量位置，測量完成后模擬計算出中心點坐標，與模擬RPV側管嘴組對完成后的測量結果比較，得出焊接變化情況。

3.3 SG側二次建模

RPV側焊接至50%后，通過二次3D測量采集SG側3個管口數據并導入RPV坐標系，與SG模擬管嘴進行模擬組對確保錯邊量滿足要求，得到SG側管嘴重疊量，再根據組對間隙的要求確定最終坡口切割量（每個管口共采集8組數據），加工完成后測量SG側主管道以及SG側管口并更新模型，管口位置須滿足設計要求。

模擬SG吊裝就位，調整位置后，驗證SG側3道焊接坡口焊接組對。CPR1000核電的SG與主泵是分體結構且連接SG與主泵的主管道設置過渡段[6]；AP/CAP系列核電的SG與主泵泵殼是一體化結構，組對錯邊量要求相對更高。

3.4 焊接完成后最終測量檢查

在主管道模擬件焊接完成后，需進行最終測量檢查，使用激光跟蹤儀對主管道模擬件復位點、垂直支撐中心位置進行測量；通過復位點進行計算，得出模擬主設備實際位置，與設計位置進行比較，偏差滿足設計要求。

4 測量方法及問題處理

在主管道模擬試驗中，掌握激光跟蹤儀的正確使用方法，及時解決測量過程中出現的各種問題是確保測量數據準確的先決條件。

（1）對測量用的控制點，在空間均勻分布并進行編號，測量時確保所有數據都可以采集到，儀器每次設站、蛙跳至少能夠測到6個點。

（2）激光跟蹤儀預熱完成后，需進行檢查及校準，Azimuth與Elevation兩個角的誤差絕對值應全部小于0.001；若任何一個超過0.001，小于0.004，則執行單點快速體積補償；若超過0.004，就需執行四點QVC快速體積補償。

（3）若有測點不可達，需將儀器蛙跳到下一站，測量前進行測量控制點檢查，測量至少6個控制點與控制點初始值最佳擬合來定位儀器，并根據需要增加控制點，測量剩余點，直到所有點全部測量完成為止。

（4）雙面坡口無法按單面坡口的方法測量錯邊量，需要使用專用測量工具，測量時應避免多工具輔助測量造成的誤差累計過大，導致測量數據不準確。

5 結論

通過主管道模擬試驗，借助激光跟蹤測量和3D建模擬合技術以及車間數控坡口加工技術的應用，完全能解決主管道的制造尺寸偏差問題；在掌握3D測量和建模技術的同時，建立良好實踐和經驗反饋機制[7]，為后續AP/CAP系列核電主管道的施工作業提供理論和技術支持。

（1）在主管道內、外坡口加工的模擬試驗及坡口尺寸驗收的過程中發現問題和解決問題，通過改進工藝提高坡口機加工質量和效率。

（2）通過3D測量及建模確保RPV側坡口正確組對的情況下，SG側管口能夠達到建模的預定位置，掌握冷段和熱段三道焊口同時組對技術。

（3）在焊接過程中對兩側管口利用百分表及3D測量儀進行撓曲變形跟蹤監測，可以明確各模擬體的變形及位移情況，并根據變化情況在焊接過程中改變熱輸入量或焊接起弧點的位置等控制措施，使SG側管口位置及軸線盡量按照預定的路線移動。

（4）在測量和建模過程中，對主管道坡口尺寸、錯邊量及組對間隙、焊縫收縮量等數據的測量采集，驗證激光測量和3D建模的準確性。