國核工程有限公司 (上海 200233) 劉中仁 戴瑞光 韓世凱

A P1000核電站主管道采用整體鍛造加工成形，管道本身沒有了焊縫、減少了在役檢查的工作量，提高了使用壽命，其設計的運行壽命為60年。主管道材質為SA376TP316LN，冷段規(guī)格φ688 m m×65 m m，熱段規(guī)格φ952.5mm×82.6mm。

AP1000核電站主管道取消了過渡段（見圖1），由于主管道的制造偏差和設備制造偏差，導致安裝時主管道兩端與相應設備管嘴端面存在夾角，需對主管道進行斜面坡口加工和偏心加工，主管道冷段坡口如果按照正常坡口加工工藝進行內壁鏜孔，加工區(qū)域最小壁厚將小于主管道設計最小壁厚。

圖1 壓力容器、主管道、蒸汽發(fā)生器布置圖

因此，主管道的坡口加工不僅要有很高的加工精度，而且需要在加工時調整坡口面的角度和內鏜孔的角度，以往使用的坡口加工方法已不再適用。

1.AP1000核電站主管道的坡口形式和加工采用的設備

AP1000核電站主管道采用了窄間隙單面焊U形坡口、窄間隙雙面焊U形坡口兩種類型。壓力容器側熱段管段、冷段管段均選用單面焊U形坡口，蒸發(fā)器側熱段管段選用雙面焊U形坡口、冷段管段選用單面焊U形坡口（見圖2）。

圖2 AP1000核電站主管道采用坡口形式

現(xiàn)場坡口加工需滿足直管、彎管管段坡口加工，管道端面直面、斜面切割坡口加工，并可進行管道偏心坡口精確加工。同時主管道現(xiàn)場安裝時由于主設備位置相對固定，對中精度要求高。常規(guī)的坡口加工和測量設備無法滿足。

現(xiàn)場采用的坡口加工設備：粗切割采用外徑坡口機PHSF－1050（用于主管道熱段）；PHSF－750（用于主管道冷段）。坡口的面切割、內鏜孔、外坡口加工均采用數(shù)控坡口加工機Omega 9B（見圖3～圖6）。

AP1000核電站主管道的坡口加工是根據現(xiàn)場實際測量管道和設備數(shù)據，不斷調整坡口加工機來完成的。測量技術需滿足主設備和主管道的現(xiàn)場測量要求，并在壓力容器就位而蒸汽發(fā)生器沒有就位的前提下，正確計算出主管道兩端的切割余量，監(jiān)督、指導數(shù)控坡口加工機的定位。

圖3 外徑坡口機：PHSF

圖4 Omega 9B操作臺

圖5 Omega 9B加工機頭

圖6 Omega 9B內卡式底座

現(xiàn)場采用的測量設備：FA R O激光跟蹤儀ION；配套軟件SA（Spatial Analyzer）空間測量分析軟件（見圖7）。

圖7 FARO激光跟蹤儀、計算機、Spatial Analyzer軟件

2.激光跟蹤測量及3D建模擬合

激光跟蹤測量技術，是采用高精度、便攜式的三維坐標測量設備（激光跟蹤儀），將靶球放在需要定位的點上，進行數(shù)據采集，運用Spatial Analyzer軟件計算獲得高精度（5m內精度為±0.025mm）測量數(shù)據的技術，此技術首次應用在核電站主管道坡口加工中。

現(xiàn)場使用FARO激光跟蹤儀，對放在需要定位的主管道和主設備的測量點上的靶球進行測量。坡口加工前需要對主管道、蒸汽發(fā)生器、蒸汽發(fā)生器垂直支撐、反應堆壓力容器進行激光測量數(shù)據采集，然后運用Spatial Analyzer軟件進行3D建模、擬合、調整、計算主管道冷段和熱段的各管段管端切割量、切割角度、坡口加工的偏心量。

現(xiàn)場的激光測量要點如下：

（1）激光跟蹤儀安裝控制點的設置：測量數(shù)據采集之前，分別在主管道上及周圍、蒸汽發(fā)生器本體及周圍、反應堆壓力容器及壓力容器腔室墻體上、蒸汽發(fā)生器腔室墻體上布置安裝控制點；注意蒸汽發(fā)生器腔室墻體上的安裝控制點，以壓力容器腔室內的安裝控制點為基點通過主管道孔洞傳遞引入；安裝控制點用熱熔膠加以固定，控制點空間分布應均勻，保證能夠完成所有測量區(qū)域的數(shù)據采集，且能滿足每次儀器設站至少能夠測到6個安裝控制點。

（2）激光跟蹤儀的安裝、啟動：激光跟蹤儀安裝時，為了保證儀器的穩(wěn)定性，腳架間距至少保持在1m及以上，啟動儀器進行預熱時，預熱時間需要30～45min，激光跟蹤儀上的紅燈閃爍說明儀器正在處于預熱狀態(tài)，紅燈穩(wěn)定不閃代表預熱完成。

（3）激光跟蹤儀的校準：測量開始之前必須用標準件對激光跟蹤儀進行校準，超過允許偏差需要進行一次自我補償，補償后才可以開始測量工作。

（4）激光跟蹤儀的建站定位：測量事先布設好的安裝控制點為儀器定位，測量所有可見的控制點，并保證每個測站位置至少測量6個控制點。建議能測量到的控制點全部進行測量，在測量過程中如果有控制點偏差超過允許偏差（0.1mm），則舍棄此控制點，停止使用。

（5）激光跟蹤儀的復測：每完成一個建站的數(shù)據測量點采集工作，必須對建站的控制點進行復測，核對激光跟蹤儀在測量過程中是否發(fā)生移位，如果復測與初始理論值偏差超過0.1mm ，則重新為激光跟蹤儀建站定位，重新測量之前測量的所有測量點。

（19）托爾斯泰開始為《復活》設計的結尾是：讓[Pro][[卡秋莎[Cor1]嫁給[Pro+PrEx]聶赫留朵夫[Cor2]]，然后離開俄國，僑居英國……

（6）激光跟蹤儀一次建站測量，不能完成所標記的測量點，需要變換位置重新建站定位，開始測量，每次測量后，應保護好控制點，以備以后使用。

3.主管道的坡口加工的工序

坡口加工分兩個階段進行：

第一階段是主管道冷段、熱段的反應堆壓力容器端坡口加工，此部分工作在主管道專用加工車間內加工完成。

第二階段是主管道冷段、熱段的蒸汽發(fā)生器端坡口加工，在主管道與反應堆壓力容器側焊口焊接完成50%左右厚度后，蒸汽發(fā)生器（含主泵泵殼）吊裝就位之前，在CA01模塊內的蒸汽發(fā)生器腔室內進行。

（1）標切割線：根據激光測量及3D建模擬合確定的切割量數(shù)據，考慮壓力容器側主管道焊口焊接50%厚度時的焊縫收縮量，按照激光測量及3D建模擬合確定的管段切割量分別加δ（焊縫收縮量的預留長度）的焊縫收縮切割余量，確定主管道坡口加工的激光測量及3D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。

劃線過程是建模模型在管體上的映射。應注意對激光測量點進行核對，并對劃線使用的工具和劃痕深度進行控制（見圖8）。

圖8 主管道坡口加工劃線示意圖

（2）管段粗切割：主管道的粗切割加工采用外徑坡口機。由于管道制造偏差最終坡口端面存在傾角，機器需傾角安裝。具體的安裝以管段上劃的切割線為準。

管段粗切斷后，對管端毛刺進行打磨，清理管道表面的冷卻液及切斷碎屑。

（3）管口面切割：第一步為Omega 9B 坡口機加工機頭的拼裝、調試、定位。步驟如下：①坡口機的內置卡盤支撐安裝：初步安裝機器卡盤支撐上的4個主要支腿及4個輔助支腿，利用支腿內置螺栓調節(jié)并固定卡盤支撐。②坡口機加工機頭安裝：將Omega 9B機身本體（加工機頭）就位至卡盤相應的聯(lián)接點，擰緊4個聯(lián)接螺栓以確保機身本體固定在卡盤上。③機器手動調試：當機器本體安裝完畢后，使用固定在刀架上的百分表（指針靠壓在管材的內、外表面）繞管道內、外壁進行周向檢測，手動調節(jié)機器與管材的同心度。④采用激光跟蹤儀對坡口機加工機頭進行最終定位：面加工時坡口機的軸線與壓力容器管嘴坐標系的Z軸平行或重合。由于主管道制造偏差，壓力容器側主管道冷段沒有直管段，增加了坡口機定位的難度。⑤在坡口機加工機頭的耳環(huán)上安裝坡口機調整工裝，利用主管道上的控制點對激光跟蹤儀進行建站定位，在該主管道相對應的壓力容器管嘴坐標系下，通過調整卡盤，確保X－Y板成直線，并且與相對應的壓力容器管嘴端面平行，X－Y板中心對齊壓力容器管嘴坐標系原點。借助計算機顯示器上的實時顯示，轉動Omega 9B坡口機加工機頭，比較0°、90°、180°、270°位置上的X、Y、Z值。首先調整Z軸，使其在0°、90°、180°、270°位置達到相同的值，然后調整X軸和Y軸，使X－Y板中心位于壓力容器管嘴坐標系原點，重新檢查X、Y、Z軸，最終調整使其偏差達到0.2mm以內。⑥在坡口機加工機頭上安裝外切割刀架，測量刀具行走的距離，保證刀架行程滿足加工要求。⑦面切割之前確保坡口機安裝精確定位、端面傾角符合要求。

第二步面切割：①管道粗切割完成后，用Omega 9B 坡口機對主管道端面加工調節(jié)余量進行修整，并以此端面為基準面，測量并記錄端面至最終切割線（FFL）的距離。加工至FFL距離約1mm處，控制每刀的進刀量，最終完成面切割，面切割應當控制每次的進刀量不能超過0.25mm，且加工的最終表面應沒有冷作硬化層和不當操作引起的變色。②面加工過程中，始終采用激光跟蹤儀對坡口端面和坡口機的位置進行監(jiān)測，保證加工端面與激光建模擬合端面相一致。由于主管道本體的不規(guī)則，實際加工時，激光建模擬合端面與加工前最終切割線（FFL）有差異時，以實際激光建模擬合端面為準。

（4）管口內鏜孔：壓力容器側主管道冷段管口由于制造偏差，管道存在橢圓、不同的位置管壁厚度不均勻，按照正常的坡口加工工藝進行內鏜孔，無法滿足管道最小壁厚的要求，根據管道各個位置壁厚的不同，內鏜孔角度采用1°～2.5°，2T后過渡區(qū)采用≤10°傾角（見圖9、圖10）。

圖9 壓力容器側冷段管口內鏜孔及坡口加工軸線示意圖

圖10 蒸汽發(fā)生器側主管道冷段管口和壓力容器側熱段管口內鏜孔及坡口加工軸線示意圖

操作過程：①采用激光跟蹤對Omega 9B 坡口機的位置進行調整：調整方法與面切割時坡口機的調整方法基本相同。內鏜孔時則不同，坡口加工機軸線與管段軸線平行或重合。②拆卸面切割刀架，安裝內徑刀架。③內鏜孔前需在管端面0°、90°、180°、270°分別標記出鏜孔位置標記點。④在Omega 9B 坡口機操作臺打開內鏜孔切割程序，進行模擬程序操作，檢驗程序的正確性與走刀的軌跡，確保滿足加工要求。⑤管道內鏜孔時，當距離鏜孔位置標示點1mm時，每次進刀加工后都要對壁厚進行測量，并控制每次的進刀量不能超過0.25mm，且加工的最終表面，應沒有有害的冷作硬化層和不當操作引起的變色。⑥管道內鏜孔過程中，采用激光跟蹤儀對坡口機的軸線位置進行監(jiān)測，保證坡口機軸線與管段軸線平行或重合。⑦內鏜孔加工后，用超聲波測厚儀，對最終切割線（FFL）、FFL＋65mm、FFL＋124mm的0°、90°、180°、270°位置，管道外壁標記點處的壁厚進行測量；用游標卡尺，對凸臺高度范圍內0°、90°、180°、270°方向管段面內徑進行測量；用角度尺以管段面為基準，對管內壁的內膛角度進行測量。

（5）管道外側坡口加工：①采用管口面切割時Omega 9B 坡口機的調整方法進行調整，確保坡口機的軸線角度和安裝位置與測量建模數(shù)據斜面位置相一致，并使用百分表對安裝位置進行驗證。②拆除內徑刀架，安裝外徑切割刀架。③測量管壁的實際尺寸，按照鈍邊理論厚度要求在管端面0°、90°、180°、270°分別作上標記。④在Omega 9B 坡口機操作臺打開外坡口加工程序，根據測量實際值，調整外坡口加工程序，進行程序模擬，查看走刀軌跡，檢查完畢后，開始外徑坡口加工。當加工至距離鈍邊加工標記約1mm時，對鈍邊厚度進行復測，并控制每刀進刀厚度不超過0.25mm。⑤管道外坡口加工過程中，采用激光跟蹤儀對坡口機的軸線位置進行監(jiān)測，保證坡口機軸線與管段端面軸線平行或重合。⑥鈍邊打磨：坡口加工完成后，用拋光片對坡口鈍邊進行打磨。打磨前應測量鈍邊實際厚度，根據測量結果安排打磨次數(shù)，確保坡口尺寸滿足設計要求。

主管道與反應堆壓力容器側焊口焊接完成50%厚度后，需要重新對蒸汽發(fā)生器側的主管道管口進行激光測量、建模并重新擬合，計算出主管道蒸汽發(fā)生器側主管道管端最終的切割余量，按照主管道壓力容器側坡口加工方法，對主管道蒸汽發(fā)生器側的坡口進行加工，不同的是蒸汽發(fā)生器側主管道熱段采用雙面坡口，內壁不需要內鏜孔，面切割完成后首先進行內坡口的加工，然后進行外側坡口的加工。

4.管道坡口檢測

（1）主管道坡口加工完成后，對管道坡口的鈍邊厚度及長度、R角、坡口面傾角、鏜孔的深度和角度、管道壁厚、管道內徑、管道的坡口及內鏜孔區(qū)域的表面粗糙度等進行測量，最終坡口加工尺寸各項指標均符合圖樣的要求，表面粗糙度值Ra〈3.2μm。

（2）對加工完成的坡口及內鏜孔區(qū)域進行目視檢測，滲透檢測，結果完全符合要求。

5.結語

AP1000核電站主管道坡口的成功加工，證明了借助激光跟蹤測量及3D建模擬合技術的幫助，采用現(xiàn)場數(shù)控坡口加工技術，利用偏心切割、斜面加工、傾斜角度內鏜孔等方法，完全能克服主管道的制造尺寸偏差（主管道曲率半徑、彎曲角度偏差、管口存在橢圓度、內外圓不同心、壁厚偏差等），加工出符合技術要求的管道坡口。開創(chuàng)了高精度坡口現(xiàn)場加工的先例，為AP1000主管道的成功安裝奠定了堅實基礎。