張進(jìn) 余蘇 陳紅宇 柳玉晗 運金芬

(二重(德陽)重型裝備有限公司，四川 德陽 618000)

核電主管道和穩(wěn)壓器波動管均為保證核安全的關(guān)鍵設(shè)備，在核電站的運行過程中，設(shè)備處于高溫、高壓、高流速和放射性的實際工況，是核蒸汽一回路重要的壓力邊界。主管道和穩(wěn)壓器波動管尺寸大、空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，結(jié)構(gòu)尺寸、接管尺寸及檢測孔的空間位置之間關(guān)聯(lián)密切，采用不同的檢測方法和數(shù)據(jù)處理方法會導(dǎo)致最終的測量結(jié)果產(chǎn)生一定的偏差。在實際的應(yīng)用中，偏差必須控制在滿足核設(shè)備安裝及正常運行所允許的范圍內(nèi)，利用現(xiàn)有檢測手段真實反應(yīng)產(chǎn)品的實際狀況是整個管道制造過程中面臨的難題。管道制造涉及多個工藝環(huán)節(jié)，每個環(huán)節(jié)尺寸控制面臨的情況均有差別，這就要求在測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的同時，還要保證管道的測量數(shù)據(jù)在多個生產(chǎn)環(huán)節(jié)中能夠隨著管道狀態(tài)的不斷變化保持連貫性，最終達(dá)到一組符合圖紙要求的數(shù)據(jù)，因此需要研究一套能夠應(yīng)對制造鏈多環(huán)節(jié)不同需求特點的，既能保證產(chǎn)能產(chǎn)出又能保障質(zhì)量安全的檢測方法。

1 管道制造各環(huán)節(jié)尺寸檢測的特點

公司自2008年開始第三代核電主管道和穩(wěn)壓器波動管產(chǎn)品研發(fā)和制造以來，先后完成多個核電項目主管道和波動管的研制與生產(chǎn)。以目前較為先進(jìn)和成熟的第三代核電管道產(chǎn)品為例，管道成形主要采取模壓彎管工藝，制造過程大略分為：成形前、成形、機械加工三個階段。這三個階段因技術(shù)及工藝控制的特點不同，所涉及尺寸檢測的傾向有所不同，精密的尺寸控制與檢測主要集中在后兩個階段：成形及機械加工階段。

(1)成形階段的尺寸檢測。

雖然這個階段的管道屬于毛料階段，但由于成形技術(shù)、材料性能及制造成本等多因素的影響，管道余量不會太大，同時，在熱處理過程中往往會產(chǎn)生較大的形變，為保證熱處理后有限的余量能夠滿足機加需求，精確的尺寸檢測與控制是必要的。這個階段的尺寸檢測主要涉及：彎曲成形、取芯模、校管身橢圓度和熱處理固溶的結(jié)構(gòu)尺寸、彎曲角度和彎曲半徑的檢測。每一步的尺寸檢測，為管道制造專業(yè)人員及時進(jìn)行調(diào)節(jié)修正提供重要參考依據(jù)。

(2)機械加工階段的檢測。

從這個階段開始，管道將從半成品逐步蛻變成精品管道，因管道的尺寸較大，且其成形采用模壓工藝，在熱處理后，管身會產(chǎn)生較大的變形，導(dǎo)致原本不太充足的余量顯得更加捉襟見肘。此時，除結(jié)構(gòu)尺寸需要精確地測量控制外，同時要考慮部分管道的一體化管嘴及插入式焊接管嘴的空間位置精度，檢測難度提升。

2 檢測技術(shù)難點分析

以典型件為例展開難點分析，包含：短直段產(chǎn)品尺寸的測量、U形和門框形波動管尺寸檢測、彎曲半徑的測量。

2.1 短直段產(chǎn)品尺寸的測量

以ACP1000主管道熱段管段為例，見圖1，因制造工藝及技術(shù)原因，管道彎曲成形階段SG側(cè)直段較長，而按照圖紙要求，終精加工后SG側(cè)長僅幾十毫米。在彎曲成形過程中，由于分散效應(yīng)的存在，靠近彎曲段的直段發(fā)生彎曲和橢圓變形，SG側(cè)測量段的選取會直接影響彎曲角度、管嘴位置尺寸的判斷。由于彎曲成形后理論端面確定的難度大，要準(zhǔn)確地反映最終產(chǎn)品的尺寸情況，需要進(jìn)行合理的直段選擇，錯誤的測量位置會導(dǎo)致尺寸偏差變化過大，甚至為后續(xù)制造環(huán)節(jié)提供錯誤的數(shù)據(jù)依據(jù)。

從圖1中可以清晰地看到，SG側(cè)直管段的長度在整個制造環(huán)節(jié)中發(fā)生了較大變化，關(guān)注這個變化，是管道尺寸檢測的關(guān)鍵點。

圖1 主管道成形前后實物圖

2.2 波動管三維空間結(jié)構(gòu)尺寸的測量

波動管尺寸通常不大，這里針對典型的復(fù)雜形狀的U形和門框形波動管尺寸檢測。管道三段均有小角度的偏斜角，由于中間段偏斜角為虛擬角度，無法直接測量，但該角度對于高差影響較大，因此，調(diào)整中間段偏斜角是測量過程的重點和難點。

2.3 彎曲半徑的測量

受管壁和管道直徑比例關(guān)系約束，目前公司核電主管道和穩(wěn)壓器波動管多采用模壓成形，在模壓彎曲成形過程中，上模對工件施加橫向壓力，下模對管坯施加支反力和彎矩，工件彎曲段在發(fā)生彎曲的同時產(chǎn)生橢圓變形，同時由于橫向力作用內(nèi)腹區(qū)域產(chǎn)生下陷，內(nèi)腹區(qū)下凹的結(jié)果是導(dǎo)致內(nèi)腹和外腹圓弧不同心，且彎曲角度通常小于90°，而設(shè)計的彎曲半徑較大，屬于典型的小角度大圓弧半徑測量，目前的測量方式方法中，彎曲半徑難以準(zhǔn)確計算[1-2]。

2.4 管道狀態(tài)變化引發(fā)的測量數(shù)據(jù)一致性差

管道從彎曲成形開始，其外形便不斷地發(fā)生變化，集中體現(xiàn)在直管段圓柱度、管道角度及管道基準(zhǔn)面的變化，從而導(dǎo)致管身結(jié)構(gòu)尺寸及管嘴方位出現(xiàn)不穩(wěn)定情況，數(shù)據(jù)前后的一致性極差。而一體化管嘴和焊接嘴在管身的空間位置調(diào)整量極其有限，部分管嘴甚至無法變動。管身形變引起的狀態(tài)變化和多方位接管嘴的固定化形成尖銳的尺寸公差約束矛盾，即一體化管嘴方位的確定來自管身直管段，但當(dāng)管身直管段發(fā)生變化時，一體化管嘴的調(diào)整量極小，制約管道結(jié)構(gòu)尺寸的變化，甚至造成尺寸超差，尤其體現(xiàn)在水壓試驗前后。

3 檢測技術(shù)難點解決方案

3.1 帶短直段主管道尺寸的測量

帶短直段產(chǎn)品的尺寸測量中，短直段測量位置是影響測量準(zhǔn)確性的重點和難點，長端測量位置的確定比較簡單，而短直段測量位置較難確定。長、短端直管段在彎曲成形及固溶熱處理過程中均會發(fā)生變形，通過測量長端外圓可確定長端的中心線，預(yù)先粗略地對短端進(jìn)行數(shù)據(jù)模擬，計算短端區(qū)域的高度并與產(chǎn)品圖比對，進(jìn)而判斷短端測量位置是否合適。若短端測量區(qū)域存在偏差，補采一組或兩組數(shù)據(jù)，進(jìn)行精確調(diào)整，重新進(jìn)行尺寸計算，得到更為準(zhǔn)確的尺寸測量數(shù)據(jù)[3-4]。該方法避免了由于采集區(qū)域不合適導(dǎo)致的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確問題，提供了更為準(zhǔn)確的測量數(shù)據(jù)，幫助相關(guān)技術(shù)人員更為全面和真實地掌握管道質(zhì)量動態(tài)。

3.2 波動管三維空間結(jié)構(gòu)尺寸的測量

以典型件“U”螺旋形管道AP1000/CAP1400波動管S002、波動管S003為例。在目前的生產(chǎn)條件下，無法實現(xiàn)立體調(diào)整，測量過程中只能通過多次調(diào)整進(jìn)行數(shù)據(jù)的不斷比對，影響制造精度及進(jìn)度。為解決這個難題，可采取首先控制兩端角度的辦法。測量前，采用角度儀先復(fù)核上偏斜角和下偏斜角，讓上偏斜角和下偏斜角盡可能相等，之后通過激光跟蹤儀測量整體結(jié)構(gòu)尺寸。中間偏斜角這時候可能不滿足要求或不是最佳角度，通過測量軟件立體建立三維模型，可以任意調(diào)整中間段的角度，尋找最佳的中間偏斜角，使得項目H滿足圖紙尺寸要求，在這種情況下，管道所處的形態(tài)，與圖紙要求的形態(tài)基本保持一致，以長端直管段中心線建立長度尺寸測量基準(zhǔn)，通過中分長端端口中心，建立測量中分面，獲取彎曲處圓弧截面圓，擬合其中心，管道結(jié)構(gòu)尺寸的關(guān)鍵點就能確定，近而全面準(zhǔn)確地獲得相關(guān)數(shù)據(jù)。

三維模擬及檢測數(shù)據(jù)示意圖見圖2和圖3。

圖2 測量數(shù)據(jù)三維模擬圖

圖3 波動管測量示意圖

經(jīng)過多次實物驗證，以及數(shù)據(jù)分析，該方法能夠準(zhǔn)確反映產(chǎn)品的真實尺寸，再現(xiàn)性強，且各個環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)的貫通性較好，可以為制造提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。

3.3 彎曲半徑的測量

管道彎曲采用模壓成形，內(nèi)腹區(qū)靠近彎曲段的直段發(fā)生彎曲變形，同時內(nèi)腹區(qū)由于受上模壓力作用整體下凹。如果采用兩端直段和彎曲段一起和整體數(shù)模比對確定彎曲半徑，內(nèi)腹區(qū)半徑偏差較大。如果采用內(nèi)腹區(qū)、外腹區(qū)分別采集，分別計算彎曲半徑的方式，將會出現(xiàn)內(nèi)外圓不同心的情況，也不能準(zhǔn)確反映產(chǎn)品的真實情況。

經(jīng)過研究，在文獻(xiàn)[5-6]中提出的方法，由于很小的弓高和弦長差就會產(chǎn)生較大測量誤差甚至錯誤，而核電管道的彎曲段存在凹凸不平的變形，必然導(dǎo)致弓高和弦長產(chǎn)生偏差，這樣計算出的彎曲半徑值不符合實際情況。通過分析發(fā)現(xiàn)，彎曲半徑測量可以采用兩種更加準(zhǔn)確的解決方案：

一種是數(shù)模比對的方法：依據(jù)管道彎曲成形后的尺寸檢測數(shù)據(jù)，建立標(biāo)準(zhǔn)半徑的三維數(shù)模，采集激光跟蹤儀內(nèi)、外腹表面的三維數(shù)據(jù)，使用三維點數(shù)據(jù)與數(shù)模自由比對的辦法，確定內(nèi)、外半徑的實際偏差，計算均差，進(jìn)而確定半徑尺寸。經(jīng)過多件產(chǎn)品測量驗證，測量結(jié)果和成形模具要控制的彎曲半徑對應(yīng)較好。

另一種是文獻(xiàn)[7]中設(shè)計的一種測量大型彎管彎曲半徑檢測方法，通過測量實際的結(jié)構(gòu)尺寸，依據(jù)圖紙固定圓心，使用測量設(shè)備獲取內(nèi)外腹部外邊緣輪廓點數(shù)據(jù)，分別計算邊緣輪廓點至固定點的距離，計算內(nèi)外腹圓弧點距圓心的距離均值，進(jìn)而計算出彎曲半徑。目前這種方法的使用性較好，計算的彎曲半徑值準(zhǔn)確度高，且其數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性好。

3.4 管道狀態(tài)變化引起數(shù)據(jù)一致性差的解決方案

在整個管道制造的過程中，數(shù)據(jù)的一致性是重中之重，是一切工序推進(jìn)的基礎(chǔ)，沒有各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)的高度統(tǒng)一，最終的產(chǎn)品注定是面目全非的失敗品。因此，技術(shù)人員應(yīng)盡可能的消除變化因素，基本的原理是保持基準(zhǔn)統(tǒng)一，實現(xiàn)基準(zhǔn)統(tǒng)一的最好、最關(guān)鍵的方法是優(yōu)化最佳擬合的精度，減小基準(zhǔn)復(fù)原偏差，在脫離管身的情況下定位尺寸及角度，指導(dǎo)機床復(fù)原基準(zhǔn)，保證管道尺寸合格[8-9]。

(1)優(yōu)化最佳擬合精度

首先，確立最佳擬合定位點。

尋找管身標(biāo)記點(見圖4)，以標(biāo)記點為定位點，進(jìn)行最優(yōu)擬合，實現(xiàn)管道前后加工基準(zhǔn)的統(tǒng)一。確立管身加工及管嘴焊接定位時，采集的長短端圓柱構(gòu)建出的測量基準(zhǔn)所確定的劃線點為最佳擬合特征點，以水壓加工前的標(biāo)記點作為最佳擬合特征點的原始數(shù)據(jù)(理論點數(shù)據(jù))，以水壓試驗后采集的劃線點為測量點。定位點應(yīng)分布于管身全尺寸范圍內(nèi)，以增加控制范圍，減小偏差。

圖4 管道表面劃線標(biāo)記點

(2)優(yōu)化定位點采集精度

目前，采集單點定位點的方式是使用跟蹤儀掃描功能，SA軟件進(jìn)行測量分析，操作指令為掃描球心，采用標(biāo)準(zhǔn)搖桿，進(jìn)行以測量點為球心的球空間掃描，通過參數(shù)控制，擬合計算出球心坐標(biāo)，即定位點三維數(shù)據(jù)。要提高管道最佳擬合精度，那么定位點的數(shù)據(jù)采集精度必須提高，由于用于定位，那么應(yīng)主要關(guān)注定位點數(shù)據(jù)獲取的重復(fù)精度。優(yōu)化前定位點采集精度見表1。

從表1觀察到，最大偏差ΔX=0.65 mm、ΔY=0.39 mm、ΔZ=0.58 mm，偏差太大，主要原因在于搖桿采集時的測量精度。通過設(shè)定測量參數(shù)來優(yōu)化定位點采集精度。

表1 優(yōu)化前定位點采集精度

數(shù)據(jù)采集模式參數(shù)設(shè)定：

1)將搖桿采集的球面點數(shù)據(jù)擬合球度誤差控制在0.20 mm以內(nèi)；

2)設(shè)置采集點球面覆蓋率>1.6。

應(yīng)用設(shè)置參數(shù)重新進(jìn)行數(shù)據(jù)采集驗證，得到表2中數(shù)據(jù)。

表2 優(yōu)化后定位點采集數(shù)據(jù)

表2中，最大偏差ΔX=0.11 mm、ΔY=0.16 mm、ΔZ=0.15 mm，優(yōu)化后的定位點采集精度大幅提升。

(3)優(yōu)化最佳擬合參數(shù)

在最佳擬合算法未進(jìn)行優(yōu)化前，擬合具體數(shù)據(jù)見圖5，其擬合精度最大誤差為0.32 mm。

圖5 最佳擬合數(shù)據(jù)圖

0.32 mm的擬合精度顯然過大，因為每個點的測量均存在誤差，而誤差產(chǎn)生的因素較多，且是隨機的，此時應(yīng)衡量尺寸控制的關(guān)鍵點，通過調(diào)整比例因子，改變各點中各坐標(biāo)值得出擬合計算權(quán)重，近而改變擬合精度，以減小擬合誤差。

通過調(diào)整擬合坐標(biāo)權(quán)重，圖6中顯示最佳擬合最大誤差降低為0.097 mm。

圖6 優(yōu)化參數(shù)后的擬合結(jié)果

通過定位點篩選，定位點采集精度優(yōu)化，擬合參數(shù)修正，最終達(dá)到了優(yōu)化最佳擬合定位精度的目的，保證了定位精度，貫穿整個制造環(huán)節(jié)，特別是定量加工的機械環(huán)節(jié)，管身基準(zhǔn)得到統(tǒng)一，這樣數(shù)據(jù)變化的差異便得到縮小。上述過程中的數(shù)據(jù)只是一種方法研究的示范，實際過程中的測量數(shù)據(jù)變化多樣，但依據(jù)上述方法進(jìn)行數(shù)據(jù)的不斷優(yōu)化，可以使得測量精度大幅度提高。

4 應(yīng)用效果

以某冷段環(huán)路為例，水壓試驗前尺寸是通過長短端圓柱建立測量基準(zhǔn)面進(jìn)行控制，水壓試驗要對端口進(jìn)行堵頭焊接，試驗后切除堵頭，對于長度只有70 mm，直徑近1 m的短端會造成無法避免的變形，導(dǎo)致短端基準(zhǔn)發(fā)生變化，產(chǎn)生所謂的非穩(wěn)定基準(zhǔn)。采用最佳擬合并進(jìn)行精度優(yōu)化，前后數(shù)據(jù)的對比顯示，除去試驗段切除尺寸，管身結(jié)構(gòu)尺寸及各管嘴方位尺寸偏差控制在0.80 mm以內(nèi)，未產(chǎn)生太大差異，方位角度最大變化0.17°，圖紙要求±0.30°，變化后的角度同樣滿足設(shè)計要求，檢測方法應(yīng)用效果顯著。

5 結(jié)論

經(jīng)過對核電管道制造多環(huán)節(jié)工藝要求的分析與研究，結(jié)合生產(chǎn)實際特點，采用三維建模、三維測量、測量數(shù)據(jù)分析優(yōu)化等手段，克服了在管身結(jié)構(gòu)及管嘴方位已經(jīng)定型的情況下，由于后續(xù)制造導(dǎo)致基準(zhǔn)發(fā)生變化時，管道總體控制尺寸難以準(zhǔn)確復(fù)原的難題，并形成了結(jié)構(gòu)尺寸、彎曲角度、接管嘴方位檢測及解決數(shù)據(jù)一致性差的全套檢測方法，通過實踐數(shù)據(jù)的檢驗，有效地提高了生產(chǎn)效率及核電管道質(zhì)量安全。