激光跟蹤測量整體建模技術在AP1000核電項目主管道安裝中的應用

秦 鋒 張振虎

(1. 中國核工業集團三門核電有限公司, 浙江 臺州 317112; 2. 上?？辈煸O計研究院(集團)有限公司, 上海 200093)

0 引言

浙江三門核電廠位于浙江省三門縣健跳鎮東北的貓頭山嘴半島上,瀕臨三門灣,廠區總體規劃建設6臺核電機組,分三期建設,其中一期工程建設兩臺。一期工程于2009年4月19日正式開工,是我國首個三代核電自主化依托項目,其1號機組更是全球首臺AP1000核電機組,1號機組和2號機組已分別于2018年6月30日和8月24日并網發電。AP1000項目核島主管道作為反應堆廠房中的核心設備,首次采用全鍛造方式制造,中間不設置過渡段,安全性方面有了進一步的提高,但其安裝精度要求也高于一般核電項目,傳統的高精度全站儀已不能滿足要求,引入精度更高的測量方式勢在必行。激光跟蹤儀作為當前精度最高的移動式坐標測量系統[1],其將測距精度由全站儀的亞毫米級提升至微米級[2-3],已在航空航天、高能物理、汽車及地鐵等領域實現了應用[4-7]。為保障主管道安裝精度,三門AP1000項目在國內核電項目中率先采用了激光跟蹤測量整體建模技術,經實踐證明,該技術精度高,數據采集簡便,完全滿足AP1000項目核島主管道安裝精度要求。

1 激光跟蹤儀數據采集

1.1 激光跟蹤儀測量原理簡介

激光跟蹤儀和全站儀一樣采用極坐標測量系統[8],其組成主要包括主機、附件和軟件等三部分[9]。激光跟蹤儀的工作基本原理是在目標點上安置一個靶鏡,跟蹤頭發出的激光射到靶鏡上,又返回到跟蹤頭,當目標移動時,跟蹤頭調整光束方向來對準目標。同時,返回光束為檢測系統所接收,用來測算目標的空間位置。激光跟蹤儀通過測量俯仰角和水平方位角以及一個半徑距離來決定靶鏡中心點的球坐標。用安裝在激光跟蹤測量系統仰角軸和方位角軸上的編碼器測量俯仰角和水平方位角。距離測量部分主要包括干涉法距離測量裝置和絕對距離測量裝置。

1.2 數據采集對象簡介

AP1000項目核島反應堆冷卻劑系統由兩個熱交換環路組成(圖1),每個環路上包含一臺蒸汽發生器、兩臺主泵、一根熱段管道和兩根冷段管道。

圖1 核島反應堆冷卻劑系統立體圖

在施工過程中,反應堆壓力容器先安裝就位,然后焊接主管道壓力容器端,再引入蒸汽發生器,最后焊接主管道蒸汽發生器端。反應堆壓力容器與蒸汽發生器之間的距離相對固定,為保證主管道與壓力容器及蒸汽發生器精密空間對接,在安裝主管道前需要精確計算主管道兩端的切割量及坡口加工形式等。目前高精度全站儀如Leica公司的TM50全站儀,測距精度只能達到0.6 mm+1 mm/km·D(D單位為km)，難以滿足主管道的安裝精度;而且使用全站儀時,難以在壓力容器、蒸汽發生器及主管道上安裝棱鏡,操作上有諸多不便;此外,壓力容器、蒸汽發生器腔室空間狹窄,通視條件差,如使用全站儀需要頻繁轉站且測量距離過短,精度得不到保證。因此,測量精度高、操作簡便的激光跟蹤儀就體現出其優勢。采用激光跟蹤儀對壓力容器、蒸汽發生器及主管道分別測量建模,再將各模型納入同一坐標系中,通過不斷調整主管道空間位置直至選取最佳空間位置，便可準確計算出主管道兩端的切割量及坡口加工形式,其計算精度可以達到0.01 mm,完全可以滿足主管道的安裝精度要求。

1.3 儀器測量精度、影響因素及質量保證措施

激光跟蹤儀的測量精度主要取決于它的角度測量精度和距離測量精度及周邊環境。以美國自動精密工程公司(Automatic Precision Industry, API)T3激光跟蹤儀為例,它的角度測量分辨率為0.05″,干涉法距離測量(interferometer, IFM)的分辨率為0.1 μm,測量精度1 μm/m·D(D單位為km);絕對測距精度(Absolute Distance Meter, ADM)的分辨率為1 μm,在10 m之內測量精度可以達到15 μm,10 m之外測量精度1.5 μm/m·D(D單位為km)。環境影響因素主要包括溫度、氣壓、大氣均勻性及周邊其他干擾物的影響[10-11]。不同溫度下的空氣流動會影響激光束的方向,跟蹤頭附近的熱源和風扇造成的空氣擾動都會降低儀器的測量精度。在精確測量中,要保證激光束傳播介質即空氣的性質均勻,以減少折射帶來的誤差。測量過程中,跟蹤頭和被測工件周邊的重物移動,以及地面的堅實程度均會不同程度地影響測量精度。

因此,為保證測量精度,在測量之前需將激光跟蹤儀架設在堅實穩定的地面上或工作平臺上,并在測量環境下預熱1～2 h以適應環境溫度,再對儀器進行前視/后視檢查,如誤差超差則執行快速體積補償。同時檢查周邊環境,確定周邊無其他干擾[12]。在測量過程中,每次轉站之前均檢查控制點以確定點位有無變化,如點位變化超過0.1 mm,該站數據全部重測。多余測量是保證測量精度、減少測量誤差的重要手段,不但可以指出測量中的錯誤,也可以減少環境干擾引起的測量誤差。在實踐中,一般是對同一物項采集兩次數據,兩次數據之間較差0.3 mm以內,便可認為測量結果是真實可信的。

1.4 數據采集

主管道在出廠時會預留一定的長度以備現場切割及坡口加工,在現場切割前必須精確計算切割長度。主管道一側與壓力容器連接,另一側與蒸汽發生器連接,主管道、壓力容器及蒸汽發生器均為空間布置,且需要保證主管道切割及坡口加工完成后其與壓力容器接口及蒸汽發生器接口之間的間隙及內壁錯邊量滿足設計要求,故精確計算其切割長度及坡口加工形式難度很大。為解決上述問題,三門AP1000項目率先采用了激光跟蹤整體建模技術,該技術先采用激光跟蹤儀采集設備外形數據,并根據數據進行建模,然后基于模型虛擬裝配以確定加工形式。因此,該技術的第一步需要對相關設備進行特征數據的采集。具體到本項目,就需要對主管道、壓力容器、蒸汽發生器及蒸汽發生器垂直支撐進行特征數據采集。

激光跟蹤儀數據采集主要分為以下步驟:

(1)在被測物體周邊穩定區域布置測量控制點,控制點采用靶座,并用熱熔膠固定?？刂泣c要均勻分布,使其能夠完成所有測量區域的數據采集,且能滿足每次儀器設站至少能夠測量6個。

(2)標注數據采集點位置。

(3)啟動儀器預熱,進行角度、精度評估確認。

(4)測量所有可見的控制點為儀器定位。

(5)采集被測物體數據。

(6)測量完成后檢查控制點,如有控制點偏差超過0.1 mm,則該點停止使用。

(7)如在一站內無法完成所有數據的采集,需要進行轉站,每次轉站需要至少測量6個控制點。

(8)對所有測量數據進行第二次采集,如擬合結果與第一次相差0.3 mm以內,則采用第一次數據。否則重測,直至兩次結果相差小于0.3 mm為止。

1.4.1反應堆壓力容器數據采集

依次采集反應堆壓力容器法蘭螺栓孔、法蘭內圓周(圖2),熱段、冷段管嘴(圖3)及安注管嘴等特征數據，要求數據采集點位盡量分布均勻,如可能盡量在一站內完成數據采集,避免轉站帶來的誤差。

圖2 壓力容器法蘭面 圖3 壓力容器冷、熱段管嘴

1.4.2蒸汽發生器數據采集

采集蒸汽發生器冷段及熱段管嘴(圖4)、連接凸臺螺栓孔和凸臺圓周(圖5)、蒸汽發生器筒體(圖6)、蒸汽發生器橫向支撐及垂直支撐等特征數據。

圖5 蒸汽發生器連接凸臺 圖6 蒸汽發生器筒體

1.4.3主管道數據采集

測量冷、熱段管道端面內、外圓,兩端直管段內管壁、內外母線和支管嘴位置,如圖7～8所示。

圖7 主管道熱段 圖8 主管道冷段

2 激光跟蹤測量系統數據建模及虛擬裝配計算

數據建模采用SA(Spatial Analyzer)測量軟件,SA軟件由美國NRK (New River Kinematics)公司研發,是專為大尺寸整體測量應用分析而配套的測量軟件,是一款獨立于測量儀器、可追溯的3D圖形化軟件平臺,可以很容易地分析數據及創建模型,功能強大,通用性強。

2.1 反應堆壓力容器數據建模

(1)利用SA軟件構造圓功能,將每個法蘭螺栓孔測得的數據點擬合圓并構造其圓中心點,再用擬合得到的螺栓孔圓中心點擬合生成圓,將其圓心確認為反應堆壓力容器中心點。

(2)利用每個冷段、熱段管嘴上測得的數據點擬合端面圓,并構造圓中心點及法向點。

壓力容器建模后的圖形如圖9所示。

圖9 壓力容器建模模型

2.2 蒸汽發生器數據建模

(1)利用每個冷、熱段管嘴上測得的數據點擬合圓,構造圓中心點及法向點。

(2)利用蒸發器連接凸臺螺栓孔上所測得的點擬合每個螺栓孔圓,并構造螺栓孔圓心。利用生成的螺栓孔圓心再次擬合生成凸臺圓周并構造其中心點。

(3)利用每個橫向支撐上測得的點擬合圓,構造圓中心點以確定橫向支撐平面位置及中心點。

(4)利用蒸發器筒體上測得的數據點構造蒸汽發生器圓柱體段。

(5)根據垂直支撐上底座螺栓孔擬合圓并分別構造圓中心點,利用得到的螺栓孔圓心再次擬合圓確定上底座中心。

對蒸汽發生器建模后的圖形見圖10。

圖10 蒸汽發生器建模模型

2.3 主管道數據建模

(1)分別利用主管道冷段、熱段端面內、外圓測量點擬合圓,構造內外圓中心點。

(2)利用直管段內管壁測量點擬合圓柱體,構造圓柱體端點和中心線。

對主管道冷段、熱段建模后的圖形如圖11～12所示。

圖11 主管道熱段建模模型

圖12 主管道冷段建模模型

2.4 主管道虛擬裝配計算

主管道安裝過程中需要在SA軟件中進行兩次虛擬裝配計算,第一次計算用以確定主管道壓力容器側的切割量及坡口加工形式,第二次計算用以確定主管道蒸汽發生器側的切割量及坡口加工形式。

2.4.1主管道第一次虛擬裝配計算

(1)打開壓力容器模型及蒸汽發生器模型。

(2)調整蒸汽發生器模型,使蒸汽發生器冷段管嘴與反應堆壓力容器冷段管嘴保持水平。

(3)將主管道冷段及熱段模型插入到壓力容器模型和蒸汽發生器模型中。通過主管道的不斷調整,使兩端管中心線分別通過管嘴中心點,錯邊量要求在允許范圍內。

(4)根據組對重合部分及組對間隙要求計算主管道壓力容器端的切割量和坡口加工形式。

2.4.2主管道二次虛擬裝配計算

主管道壓力容器端的切割量和坡口加工形式計算確定后，進行主管道壓力容器端的機加工。加工完成后,與反應堆壓力容器冷、熱段管嘴組對焊接。在焊接過程中監測主管道蒸汽發生器端的變化。在主管道壓力容器端焊接完成后,對主管道蒸汽發生器端重新采集數據并建模,并進行二次虛擬裝配計算。通過二次計算,可以得到主管道蒸汽發生器端的切割量和坡口加工形式,并據此進行主管道蒸汽發生器端的機加工和后續組對焊接。

2.5 測量精度統計及最終組對結果

主管道激光跟蹤測量主要精度統計詳見表1。

表1 主管道測量及建模精度統計 單位：mm

從表1可以看出,在主管道激光跟蹤測量轉站過程中,其控制點最大偏差優于0.1 mm。通過對主管道兩次測量建模,其擬合得到的圓及圓柱主要特征值最大差值在0.3 mm以內,滿足測量精度要求。從轉站最大偏差及兩次測量最大偏差可以看出,激光跟蹤儀測量體現了其高精度性,較全站儀測量精度有了較大的提升。在主管道坡口加工完成后,經現場實際測量,主管道A環路和B環路壓力容器側及蒸汽發生器側最大組對間隙均滿足2 mm的設計要求,最大內壁錯邊量滿足0.8 mm的設計要求。

3 結束語

采用激光跟蹤測量整體建模技術,成功實現了三門AP1000項目核島主管道的安裝。實踐證明,該項技術精度高,操作方便,大幅度提升了作業效率。該技術以采集的高精度三維數據為基礎,通過精確建模,以模型仿真形式計算各項參數。在實施過程中,可及時采集最新數據并更新模型,適時調整安裝參數,實現了安裝過程的仿真化和安裝參數的最優化。通過模型虛擬裝配,可提前發現安裝過程中存在的問題,有利于安裝過程質量控制,較傳統質量監督方式實現了效率提升。

對于狹窄空間的精密工程安裝,激光跟蹤測量以其良好的空間測量特性、轉站的便利性、測量數據的高精度性展現出了一種比全站儀測量更高效、更精密的測量方法,可更多地應用于精密安裝工程中。

目前激光跟蹤測量已在多個領域實現了應用并取得了良好效果,但對于整體建模應用尚較少,期待在未來更多領域內采用該技術實現更精密、更智能的應用。