核电主管道及波动管异形件尺寸检测研究

张进 余苏 陈红宇 柳玉晗 运金芬

(二重(德阳)重型装备有限公司，四川 德阳 618000)

核电主管道和稳压器波动管均为保证核安全的关键设备，在核电站的运行过程中，设备处于高温、高压、高流速和放射性的实际工况，是核蒸汽一回路重要的压力边界。主管道和稳压器波动管尺寸大、空间结构复杂，结构尺寸、接管尺寸及检测孔的空间位置之间关联密切，采用不同的检测方法和数据处理方法会导致最终的测量结果产生一定的偏差。在实际的应用中，偏差必须控制在满足核设备安装及正常运行所允许的范围内，利用现有检测手段真实反应产品的实际状况是整个管道制造过程中面临的难题。管道制造涉及多个工艺环节，每个环节尺寸控制面临的情况均有差别，这就要求在测量数据准确的同时，还要保证管道的测量数据在多个生产环节中能够随着管道状态的不断变化保持连贯性，最终达到一组符合图纸要求的数据，因此需要研究一套能够应对制造链多环节不同需求特点的，既能保证产能产出又能保障质量安全的检测方法。

1 管道制造各环节尺寸检测的特点

公司自2008年开始第三代核电主管道和稳压器波动管产品研发和制造以来，先后完成多个核电项目主管道和波动管的研制与生产。以目前较为先进和成熟的第三代核电管道产品为例，管道成形主要采取模压弯管工艺，制造过程大略分为：成形前、成形、机械加工三个阶段。这三个阶段因技术及工艺控制的特点不同，所涉及尺寸检测的倾向有所不同，精密的尺寸控制与检测主要集中在后两个阶段：成形及机械加工阶段。

(1)成形阶段的尺寸检测。

虽然这个阶段的管道属于毛料阶段，但由于成形技术、材料性能及制造成本等多因素的影响，管道余量不会太大，同时，在热处理过程中往往会产生较大的形变，为保证热处理后有限的余量能够满足机加需求，精确的尺寸检测与控制是必要的。这个阶段的尺寸检测主要涉及：弯曲成形、取芯模、校管身椭圆度和热处理固溶的结构尺寸、弯曲角度和弯曲半径的检测。每一步的尺寸检测，为管道制造专业人员及时进行调节修正提供重要参考依据。

(2)机械加工阶段的检测。

从这个阶段开始，管道将从半成品逐步蜕变成精品管道，因管道的尺寸较大，且其成形采用模压工艺，在热处理后，管身会产生较大的变形，导致原本不太充足的余量显得更加捉襟见肘。此时，除结构尺寸需要精确地测量控制外，同时要考虑部分管道的一体化管嘴及插入式焊接管嘴的空间位置精度，检测难度提升。

2 检测技术难点分析

以典型件为例展开难点分析，包含：短直段产品尺寸的测量、U形和门框形波动管尺寸检测、弯曲半径的测量。

2.1 短直段产品尺寸的测量

以ACP1000主管道热段管段为例，见图1，因制造工艺及技术原因，管道弯曲成形阶段SG侧直段较长，而按照图纸要求，终精加工后SG侧长仅几十毫米。在弯曲成形过程中，由于分散效应的存在，靠近弯曲段的直段发生弯曲和椭圆变形，SG侧测量段的选取会直接影响弯曲角度、管嘴位置尺寸的判断。由于弯曲成形后理论端面确定的难度大，要准确地反映最终产品的尺寸情况，需要进行合理的直段选择，错误的测量位置会导致尺寸偏差变化过大，甚至为后续制造环节提供错误的数据依据。

从图1中可以清晰地看到，SG侧直管段的长度在整个制造环节中发生了较大变化，关注这个变化，是管道尺寸检测的关键点。

图1 主管道成形前后实物图

2.2 波动管三维空间结构尺寸的测量

波动管尺寸通常不大，这里针对典型的复杂形状的U形和门框形波动管尺寸检测。管道三段均有小角度的偏斜角，由于中间段偏斜角为虚拟角度，无法直接测量，但该角度对于高差影响较大，因此，调整中间段偏斜角是测量过程的重点和难点。

2.3 弯曲半径的测量

受管壁和管道直径比例关系约束，目前公司核电主管道和稳压器波动管多采用模压成形，在模压弯曲成形过程中，上模对工件施加横向压力，下模对管坯施加支反力和弯矩，工件弯曲段在发生弯曲的同时产生椭圆变形，同时由于横向力作用内腹区域产生下陷，内腹区下凹的结果是导致内腹和外腹圆弧不同心，且弯曲角度通常小于90°，而设计的弯曲半径较大，属于典型的小角度大圆弧半径测量，目前的测量方式方法中，弯曲半径难以准确计算[1-2]。

2.4 管道状态变化引发的测量数据一致性差

管道从弯曲成形开始，其外形便不断地发生变化，集中体现在直管段圆柱度、管道角度及管道基准面的变化，从而导致管身结构尺寸及管嘴方位出现不稳定情况，数据前后的一致性极差。而一体化管嘴和焊接嘴在管身的空间位置调整量极其有限，部分管嘴甚至无法变动。管身形变引起的状态变化和多方位接管嘴的固定化形成尖锐的尺寸公差约束矛盾，即一体化管嘴方位的确定来自管身直管段，但当管身直管段发生变化时，一体化管嘴的调整量极小，制约管道结构尺寸的变化，甚至造成尺寸超差，尤其体现在水压试验前后。

3 检测技术难点解决方案

3.1 带短直段主管道尺寸的测量

带短直段产品的尺寸测量中，短直段测量位置是影响测量准确性的重点和难点，长端测量位置的确定比较简单，而短直段测量位置较难确定。长、短端直管段在弯曲成形及固溶热处理过程中均会发生变形，通过测量长端外圆可确定长端的中心线，预先粗略地对短端进行数据模拟，计算短端区域的高度并与产品图比对，进而判断短端测量位置是否合适。若短端测量区域存在偏差，补采一组或两组数据，进行精确调整，重新进行尺寸计算，得到更为准确的尺寸测量数据[3-4]。该方法避免了由于采集区域不合适导致的数据不准确问题，提供了更为准确的测量数据，帮助相关技术人员更为全面和真实地掌握管道质量动态。

3.2 波动管三维空间结构尺寸的测量

以典型件“U”螺旋形管道AP1000/CAP1400波动管S002、波动管S003为例。在目前的生产条件下，无法实现立体调整，测量过程中只能通过多次调整进行数据的不断比对，影响制造精度及进度。为解决这个难题，可采取首先控制两端角度的办法。测量前，采用角度仪先复核上偏斜角和下偏斜角，让上偏斜角和下偏斜角尽可能相等，之后通过激光跟踪仪测量整体结构尺寸。中间偏斜角这时候可能不满足要求或不是最佳角度，通过测量软件立体建立三维模型，可以任意调整中间段的角度，寻找最佳的中间偏斜角，使得项目H满足图纸尺寸要求，在这种情况下，管道所处的形态，与图纸要求的形态基本保持一致，以长端直管段中心线建立长度尺寸测量基准，通过中分长端端口中心，建立测量中分面，获取弯曲处圆弧截面圆，拟合其中心，管道结构尺寸的关键点就能确定，近而全面准确地获得相关数据。

三维模拟及检测数据示意图见图2和图3。

图2 测量数据三维模拟图

图3 波动管测量示意图

经过多次实物验证，以及数据分析，该方法能够准确反映产品的真实尺寸，再现性强，且各个环节数据的贯通性较好，可以为制造提供可靠的数据支撑。

3.3 弯曲半径的测量

管道弯曲采用模压成形，内腹区靠近弯曲段的直段发生弯曲变形，同时内腹区由于受上模压力作用整体下凹。如果采用两端直段和弯曲段一起和整体数模比对确定弯曲半径，内腹区半径偏差较大。如果采用内腹区、外腹区分别采集，分别计算弯曲半径的方式，将会出现内外圆不同心的情况，也不能准确反映产品的真实情况。

经过研究，在文献[5-6]中提出的方法，由于很小的弓高和弦长差就会产生较大测量误差甚至错误，而核电管道的弯曲段存在凹凸不平的变形，必然导致弓高和弦长产生偏差，这样计算出的弯曲半径值不符合实际情况。通过分析发现，弯曲半径测量可以采用两种更加准确的解决方案：

一种是数模比对的方法：依据管道弯曲成形后的尺寸检测数据，建立标准半径的三维数模，采集激光跟踪仪内、外腹表面的三维数据，使用三维点数据与数模自由比对的办法，确定内、外半径的实际偏差，计算均差，进而确定半径尺寸。经过多件产品测量验证，测量结果和成形模具要控制的弯曲半径对应较好。

另一种是文献[7]中设计的一种测量大型弯管弯曲半径检测方法，通过测量实际的结构尺寸，依据图纸固定圆心，使用测量设备获取内外腹部外边缘轮廓点数据，分别计算边缘轮廓点至固定点的距离，计算内外腹圆弧点距圆心的距离均值，进而计算出弯曲半径。目前这种方法的使用性较好，计算的弯曲半径值准确度高，且其数据的稳定性好。

3.4 管道状态变化引起数据一致性差的解决方案

在整个管道制造的过程中，数据的一致性是重中之重，是一切工序推进的基础，没有各环节数据的高度统一，最终的产品注定是面目全非的失败品。因此，技术人员应尽可能的消除变化因素，基本的原理是保持基准统一，实现基准统一的最好、最关键的方法是优化最佳拟合的精度，减小基准复原偏差，在脱离管身的情况下定位尺寸及角度，指导机床复原基准，保证管道尺寸合格[8-9]。

(1)优化最佳拟合精度

首先，确立最佳拟合定位点。

寻找管身标记点(见图4)，以标记点为定位点，进行最优拟合，实现管道前后加工基准的统一。确立管身加工及管嘴焊接定位时，采集的长短端圆柱构建出的测量基准所确定的划线点为最佳拟合特征点，以水压加工前的标记点作为最佳拟合特征点的原始数据(理论点数据)，以水压试验后采集的划线点为测量点。定位点应分布于管身全尺寸范围内，以增加控制范围，减小偏差。

图4 管道表面划线标记点

(2)优化定位点采集精度

目前，采集单点定位点的方式是使用跟踪仪扫描功能，SA软件进行测量分析，操作指令为扫描球心，采用标准摇杆，进行以测量点为球心的球空间扫描，通过参数控制，拟合计算出球心坐标，即定位点三维数据。要提高管道最佳拟合精度，那么定位点的数据采集精度必须提高，由于用于定位，那么应主要关注定位点数据获取的重复精度。优化前定位点采集精度见表1。

从表1观察到，最大偏差ΔX=0.65 mm、ΔY=0.39 mm、ΔZ=0.58 mm，偏差太大，主要原因在于摇杆采集时的测量精度。通过设定测量参数来优化定位点采集精度。

表1 优化前定位点采集精度

数据采集模式参数设定：

1)将摇杆采集的球面点数据拟合球度误差控制在0.20 mm以内；

2)设置采集点球面覆盖率>1.6。

应用设置参数重新进行数据采集验证，得到表2中数据。

表2 优化后定位点采集数据

表2中，最大偏差ΔX=0.11 mm、ΔY=0.16 mm、ΔZ=0.15 mm，优化后的定位点采集精度大幅提升。

(3)优化最佳拟合参数

在最佳拟合算法未进行优化前，拟合具体数据见图5，其拟合精度最大误差为0.32 mm。

图5 最佳拟合数据图

0.32 mm的拟合精度显然过大，因为每个点的测量均存在误差，而误差产生的因素较多，且是随机的，此时应衡量尺寸控制的关键点，通过调整比例因子，改变各点中各坐标值得出拟合计算权重，近而改变拟合精度，以减小拟合误差。

通过调整拟合坐标权重，图6中显示最佳拟合最大误差降低为0.097 mm。

图6 优化参数后的拟合结果

通过定位点筛选，定位点采集精度优化，拟合参数修正，最终达到了优化最佳拟合定位精度的目的，保证了定位精度，贯穿整个制造环节，特别是定量加工的机械环节，管身基准得到统一，这样数据变化的差异便得到缩小。上述过程中的数据只是一种方法研究的示范，实际过程中的测量数据变化多样，但依据上述方法进行数据的不断优化，可以使得测量精度大幅度提高。

4 应用效果

以某冷段环路为例，水压试验前尺寸是通过长短端圆柱建立测量基准面进行控制，水压试验要对端口进行堵头焊接，试验后切除堵头，对于长度只有70 mm，直径近1 m的短端会造成无法避免的变形，导致短端基准发生变化，产生所谓的非稳定基准。采用最佳拟合并进行精度优化，前后数据的对比显示，除去试验段切除尺寸，管身结构尺寸及各管嘴方位尺寸偏差控制在0.80 mm以内，未产生太大差异，方位角度最大变化0.17°，图纸要求±0.30°，变化后的角度同样满足设计要求，检测方法应用效果显著。

5 结论

经过对核电管道制造多环节工艺要求的分析与研究，结合生产实际特点，采用三维建模、三维测量、测量数据分析优化等手段，克服了在管身结构及管嘴方位已经定型的情况下，由于后续制造导致基准发生变化时，管道总体控制尺寸难以准确复原的难题，并形成了结构尺寸、弯曲角度、接管嘴方位检测及解决数据一致性差的全套检测方法，通过实践数据的检验，有效地提高了生产效率及核电管道质量安全。