摘 要：核電站主管道自動(dòng)焊技術(shù)是一種先進(jìn)的焊接技術(shù)，廣泛應(yīng)用于核電站建設(shè)與運(yùn)行維修階段。在中廣核CPR1000和三代EPR堆型核電站建設(shè)過(guò)程中均采用了主管道窄間隙自動(dòng)焊技術(shù)。為了保證窄間隙自動(dòng)焊技術(shù)的組對(duì)要求，需要對(duì)核島主回路設(shè)備進(jìn)行三維精密測(cè)量和模擬計(jì)算。由于CPR1000與EPR主管道自動(dòng)焊施工邏輯不同，其三維測(cè)量與計(jì)算的方法也不盡相同。該文詳細(xì)對(duì)比和分析了兩者的自動(dòng)焊施工邏輯、三維測(cè)量與計(jì)算的原理，測(cè)量實(shí)施方案等，找出其各自的優(yōu)缺點(diǎn)，為主管道自動(dòng)焊三維測(cè)量組對(duì)技術(shù)的改進(jìn)提供參考。

關(guān)鍵詞：核電站 主管道 自動(dòng)焊 三維測(cè)量 精密組對(duì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TG457.6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1674-098X（2013）04（c）-0073-04

核電站主管道自動(dòng)焊技術(shù)是一種先進(jìn)的焊接技術(shù)，廣泛應(yīng)用于核電站建設(shè)與運(yùn)行維修階段。在中廣核CPR1000堆型和三代EPR堆型核電站建設(shè)過(guò)程中均采用了主管道窄間隙自動(dòng)焊技術(shù)，該技術(shù)要求主管道的組對(duì)間隙不超過(guò)1 mm，組對(duì)錯(cuò)邊量不超過(guò)1.5 mm。為了滿(mǎn)足主管道的精確組對(duì)要求，需要對(duì)相關(guān)的核島主回路設(shè)備進(jìn)行三維精密測(cè)量和模擬計(jì)算。

CPR1000堆型核電站主管道自動(dòng)焊采用的是傳統(tǒng)的手工焊施工邏輯，EPR堆型核電站主管道自動(dòng)焊施工邏輯是基于蒸汽發(fā)生器（簡(jiǎn)稱(chēng)SG）更換的經(jīng)驗(yàn)，采用SG后裝的施工邏輯。由于自動(dòng)焊施工邏輯不同，兩者在三維測(cè)量和組對(duì)技術(shù)方面也有不同，各有優(yōu)缺點(diǎn)。

1 主管道自動(dòng)焊技術(shù)簡(jiǎn)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(shè)備（簡(jiǎn)稱(chēng)RPV、SG、RCP）以及連接主設(shè)備的主管道組成，共有3個(gè)環(huán)路，每個(gè)環(huán)路有一臺(tái)SG和一臺(tái)RCP，通過(guò)主管道與壓力容器連接起來(lái)。3個(gè)環(huán)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(tǒng)在CPR1000堆型的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)環(huán)路，形成了對(duì)稱(chēng)布置的四環(huán)路系統(tǒng)。每個(gè)環(huán)路依然包括一臺(tái)SG、一臺(tái)主泵、以及相連的主管道冷段、熱段和過(guò)渡段。其主回路布置如圖1所示。

1.2 主管道自動(dòng)焊焊口分布

CPR1000核島主回路系統(tǒng)每個(gè)環(huán)路的主管道分5段到貨，分別為冷段、熱段、過(guò)渡段AO段、過(guò)渡段BO段和過(guò)渡段CO段。單個(gè)環(huán)路共8個(gè)現(xiàn)場(chǎng)焊口，分別為C1、C4、F1、F4、U1、U2、U4、U6。3個(gè)環(huán)路總共24個(gè)現(xiàn)場(chǎng)焊口。

1.3 主管道自動(dòng)焊施工邏輯

CPR1000主管道沿用傳統(tǒng)手工焊的施工邏輯，采用先焊接冷熱段，再焊接過(guò)渡段的順序。冷熱段焊接相互獨(dú)立，互不影響。每個(gè)環(huán)路的過(guò)渡段作為閉合環(huán)路的調(diào)整段，共分3段到貨，預(yù)留水平方向和垂直方向共兩個(gè)調(diào)節(jié)口補(bǔ)償整個(gè)環(huán)路焊接過(guò)程中的變形位移。具體單個(gè)環(huán)路8個(gè)現(xiàn)場(chǎng)焊口的焊接順序?yàn)閁1→C4/F4→C1/F1→U4→U2/U6。

EPR主管道安裝施工邏輯基于SG的更換經(jīng)驗(yàn)。SG是整個(gè)環(huán)路最后安裝的設(shè)備，連接SG的兩個(gè)焊口H3和U1口作為閉合環(huán)路的調(diào)節(jié)口。具體單個(gè)環(huán)路6個(gè)現(xiàn)場(chǎng)焊口的焊接順序?yàn)镃1/C2→H1/U4→H3/U1。兩種堆型自動(dòng)焊施工邏輯對(duì)比如圖3所示：

1.4 主管道自動(dòng)焊組對(duì)要求

CPR1000與EPR主管道焊接均采用窄間隙自動(dòng)焊工藝，其組對(duì)技術(shù)要求包括：組對(duì)間隙0～1 mm，組對(duì)錯(cuò)邊量0～1.5 mm。為了滿(mǎn)足自動(dòng)焊組對(duì)要求，CPR1000與EPR均采用了高精度三維測(cè)量技術(shù)對(duì)主設(shè)備和主管道安裝過(guò)程進(jìn)行精密測(cè)量計(jì)算。

2 三維測(cè)量組對(duì)技術(shù)對(duì)比

由于主設(shè)備制造公差和現(xiàn)場(chǎng)安裝公差的影響，很難保證主管道窄間隙自動(dòng)焊的組對(duì)要求。因此需要通過(guò)對(duì)主設(shè)備竣工尺寸進(jìn)行三維精密測(cè)量，計(jì)算得到相應(yīng)的主管道需要加工的坡口尺寸。并在安裝過(guò)程中通過(guò)測(cè)量，嚴(yán)格控制設(shè)備安裝位置，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)焊的組對(duì)要求。由于CPR1000與EPR自動(dòng)焊施工邏輯不同，兩種三維測(cè)量和計(jì)算的方法也有差異，以下從4個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比分析。

2.1 三維測(cè)量、組對(duì)計(jì)算的基本原理

根據(jù)CPR1000自動(dòng)焊的施工邏輯，其冷熱段安裝相互獨(dú)立，互不影響。過(guò)渡段兩個(gè)調(diào)節(jié)口分別補(bǔ)償水平方向和垂直方向的偏差，也是相互獨(dú)立的計(jì)算。由于主設(shè)備本身安裝精度要求比較高，要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)焊組對(duì)要求，重點(diǎn)是根據(jù)主設(shè)備的竣工尺寸計(jì)算出對(duì)應(yīng)的主管道坡口尺寸，其基本原理如下：

（1）進(jìn)行主設(shè)備竣工尺寸測(cè)量。

（2）主管道冷熱段預(yù)留坡口長(zhǎng)度并進(jìn)行三維測(cè)量。

（3）主設(shè)備與主管道模型進(jìn)行最佳組對(duì)擬合計(jì)算，得到坡口尺寸。

（4）過(guò)渡段預(yù)留U2/U4坡口長(zhǎng)度。

（5）冷熱段焊接完成之后，測(cè)量過(guò)渡段連接口的安裝尺寸。

（6）考慮焊接收縮量和溫度補(bǔ)償，計(jì)算U2/U4調(diào)節(jié)口的最終坡口加工尺寸。

具體測(cè)量與計(jì)算流程如圖4所示：

EPR測(cè)量計(jì)算基本原理與CPR1000類(lèi)似。由于EPR采用SG最后安裝的施工邏輯，H3和U1口作為調(diào)節(jié)口最后組對(duì)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(guò)程中同時(shí)存在水平分量和垂直分量的焊接收縮量，增加了測(cè)量、計(jì)算以及組對(duì)的難度。EPR自動(dòng)焊測(cè)量與計(jì)算的基本原理如下：

（1）進(jìn)行主設(shè)備竣工尺寸測(cè)量。

（2）進(jìn)行主管道初始尺寸測(cè)量。

（3）進(jìn)行RPV、RCP和CL最佳擬合計(jì)算，得到冷段C1/C2口最終坡口尺寸。

（4）進(jìn)行RPV、SG和HL最佳擬合計(jì)算，得到熱段H1口最終坡口尺寸。

（5）進(jìn)行RCP、SG和COL最佳擬合計(jì)算，得到過(guò)渡段U4口最終坡口尺寸。

（6）C1、C2、H1和U4口焊接完成之后，測(cè)量H3和U1口的位置，并結(jié)合SG進(jìn)出口管嘴竣工尺寸數(shù)據(jù)，考慮U1口焊接收縮量的補(bǔ)償，計(jì)算得到主管道H3和U1口的最終坡口尺寸。

（7）由于U1口預(yù)留了焊接收縮量，組對(duì)之前需要對(duì)過(guò)渡段用千斤頂進(jìn)行強(qiáng)制位移，然后安裝SG，組對(duì)和焊接H3/U1口，完成環(huán)路閉合。

具體測(cè)量與計(jì)算流程如圖5所示。

CPR1000與EPR自動(dòng)焊測(cè)量的基本原理大體相同，都是通過(guò)對(duì)主設(shè)備進(jìn)行三維測(cè)量建模，然后結(jié)合具體的安裝邏輯，考慮焊接收縮量的補(bǔ)償?shù)纫蛩赜绊懀捎米罴呀M對(duì)擬合計(jì)算出主管道的最終坡口尺寸，以滿(mǎn)足自動(dòng)焊組對(duì)要求。

2.2 三維測(cè)量與建模

CPR1000自動(dòng)焊三維測(cè)量使用的是API激光跟蹤儀系統(tǒng)，其特點(diǎn)是可以實(shí)時(shí)自動(dòng)跟蹤目標(biāo)靶球的位置，測(cè)量目標(biāo)靶球在三維空間的位置坐標(biāo)，適合單點(diǎn)三維坐標(biāo)測(cè)量和實(shí)時(shí)跟蹤，以及動(dòng)態(tài)掃描測(cè)量。

EPR自動(dòng)焊三維測(cè)量使用的是GSI三維攝影測(cè)量系統(tǒng)，其特點(diǎn)是通過(guò)布置大量反射標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行目標(biāo)體三維測(cè)量，適合用于對(duì)大型設(shè)備進(jìn)行三維測(cè)量（如圖6）。

從測(cè)量精度來(lái)看，激光跟蹤儀的測(cè)量精度稍高。從采集的測(cè)量特征點(diǎn)來(lái)看，攝影測(cè)量所需標(biāo)記點(diǎn)要更多。采用激光跟蹤測(cè)量時(shí)RPV測(cè)量特征點(diǎn)約100個(gè)，而三維攝影測(cè)量時(shí)RPV布點(diǎn)數(shù)達(dá)到500個(gè)以上，與激光測(cè)量方法形成鮮明的對(duì)比。下圖是兩種測(cè)量方法獲得的三維測(cè)量模型。

2.3 組對(duì)計(jì)算

2.3.1 組對(duì)計(jì)算的實(shí)現(xiàn)方法

CPR1000與EPR的組對(duì)計(jì)算均采用SA測(cè)量軟件的最佳擬合功能。其基本步驟是根據(jù)主設(shè)備安裝技術(shù)要求，先對(duì)主設(shè)備測(cè)量模型進(jìn)行定位，然后導(dǎo)入主管道測(cè)量模型，通過(guò)最佳擬合計(jì)算得到主管道的安裝位置和坡口尺寸。

2.3.2 非調(diào)節(jié)口的組對(duì)計(jì)算

非調(diào)節(jié)口是指按照設(shè)計(jì)尺寸加工，不用于補(bǔ)償整個(gè)環(huán)路焊接變形的焊口。非調(diào)節(jié)口的坡口尺寸計(jì)算只依賴(lài)于主設(shè)備竣工尺寸以及主設(shè)備安裝要求。在主設(shè)備制造完工之后，現(xiàn)場(chǎng)安裝工作開(kāi)始之前即可對(duì)非調(diào)節(jié)口進(jìn)行坡口擬合計(jì)算，并加工完最終坡口。計(jì)算過(guò)程中需要在每個(gè)焊口預(yù)留焊接收縮量。如上節(jié)所描述的，CPR1000與EPR對(duì)于非調(diào)節(jié)口的坡口尺寸計(jì)算所采用的計(jì)算方法相同。

2.3.3 調(diào)節(jié)口的組對(duì)計(jì)算

調(diào)節(jié)口是整個(gè)環(huán)路最后焊接的焊口，承擔(dān)著補(bǔ)償環(huán)路焊接位移的任務(wù)。調(diào)節(jié)口的坡口尺寸需要等到環(huán)路中所有其他焊口都已經(jīng)焊接完成，并對(duì)環(huán)路的開(kāi)口進(jìn)行實(shí)際測(cè)量之后計(jì)算得到的。整個(gè)環(huán)路的焊接變形可以分解到水平和垂直兩個(gè)方向。CPR1000調(diào)節(jié)口U2/U4就是分別在這兩個(gè)方向上對(duì)環(huán)路焊接變形進(jìn)行補(bǔ)償。

EPR主管道自動(dòng)焊的調(diào)節(jié)口是與SG相連的H3和U1口，兩個(gè)焊口都是斜焊口，每個(gè)焊口的焊接收縮都會(huì)分解到水平和垂直方向。而且由于預(yù)留收縮量之后，兩個(gè)管口之間的距離會(huì)比SG管嘴之間的距離小，導(dǎo)致SG不能直接與主管道兩個(gè)管口組對(duì)，需要先將過(guò)渡段U1口通過(guò)千斤頂進(jìn)行強(qiáng)制位移，然后才能完成H3和U1口的組對(duì)。因此在H3/U1口組對(duì)過(guò)程中，需要通過(guò)測(cè)量精確控制U1口的位移量，確保能夠滿(mǎn)足自動(dòng)焊組對(duì)要求。

通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，CPR1000自動(dòng)焊調(diào)節(jié)口的坡口計(jì)算和組對(duì)更加容易控制和實(shí)現(xiàn)，EPR自動(dòng)焊調(diào)節(jié)口的坡口計(jì)算和組對(duì)安裝難度比較高。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)CPR1000與EPR主管道自動(dòng)焊測(cè)量與組對(duì)技術(shù)的對(duì)比分析，可以得出以下一些結(jié)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(guò)渡段作為一整個(gè)組件在現(xiàn)場(chǎng)安裝，減少了現(xiàn)場(chǎng)的焊口數(shù)量，有利于縮短工期。但同時(shí)也增加了SG安裝和主管道組對(duì)的難度。

從測(cè)量方法上分析，激光跟蹤測(cè)量具有動(dòng)態(tài)測(cè)量的特性，適合現(xiàn)場(chǎng)主設(shè)備安裝過(guò)程的監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的精確安裝。而三維攝影測(cè)量法具有不接觸測(cè)量的優(yōu)勢(shì)，適合進(jìn)行主設(shè)備竣工尺寸等大型空間位置的三維精密測(cè)量，也適合在役項(xiàng)目輻射環(huán)境下的無(wú)接觸三維測(cè)量。兩種測(cè)量方法各有優(yōu)勢(shì)，形成互補(bǔ)。

三維精密測(cè)量及模擬安裝組對(duì)的技術(shù)，不僅能應(yīng)用于主管道窄間隙自動(dòng)焊的組對(duì)，也可以應(yīng)用于核島主系統(tǒng)安裝過(guò)程中。通過(guò)三維測(cè)量和實(shí)時(shí)監(jiān)控，能夠指導(dǎo)主設(shè)備進(jìn)行精確就位，有利于提高安裝質(zhì)量和縮短工期。