核电站主管道自动焊三维测量与组对技术的研究摘要：核电站主管道自动焊技术是一种先进的焊接技术，广泛应用于核电站建设与运行维修阶段。
在中广核cpr1000和三代epr 堆型核电站建设过程中均采用了主管道窄间隙自动焊技术。
为了保证窄间隙自动焊技术的组对要求，需要对核岛主回路设备进行三维精密测量和模拟计算。
由于cpr1000与epr主管道自动焊施工逻辑不同，其三维测量与计算的方法也不尽相同。
该文详细对比和分析了两者的自动焊施工逻辑、三维测量与计算的原理，测量实施方案等，找出其各自的优缺点，为主管道自动焊三维测量组对技术的改进提供参考。
关键词：核电站主管道自动焊三维测量精密组对中图分类号：tg457.6 文献标识码：a 文章编号：1674-098x （2013）04（c）-0073-04核电站主管道自动焊技术是一种先进的焊接技术，广泛应用于核电站建设与运行维修阶段。
在中广核cpr1000堆型和三代epr堆型核电站建设过程中均采用了主管道窄间隙自动焊技术，该技术要求主管道的组对间隙不超过1 mm，组对错边量不超过1.5 mm。
为了满足主管道的精确组对要求，需要对相关的核岛主回路设备进行三维精密测量和模拟计算。
cpr1000堆型核电站主管道自动焊采用的是传统的手工焊施工逻辑，epr堆型核电站主管道自动焊施工逻辑是基于蒸汽发生器（简称sg）更换的经验，采用sg后装的施工逻辑。
由于自动焊施工逻辑不同，两者在三维测量和组对技术方面也有不同，各有优缺点。
1 主管道自动焊技术简介1.1 cpr1000与epr核岛主回路布置cpr1000核岛主回路主要由3大主设备（简称rpv、sg、rcp）以及连接主设备的主管道组成，共有3个环路，每个环路有一台sg和一台rcp，通过主管道与压力容器连接起来。
3个环路相互之间成120度布置。
其主回路布置如图1所示。
epr堆型为了提高单堆功率，其核岛主回路系统在cpr1000堆型的基础上增加了一个环路，形成了对称布置的四环路系统。
每个环路依然包括一台sg、一台主泵、以及相连的主管道冷段、热段和过渡段。
其主回路布置如图1所示。
1.2 主管道自动焊焊口分布cpr1000核岛主回路系统每个环路的主管道分5段到货，分别为冷段、热段、过渡段ao段、过渡段bo段和过渡段co段。
单个环路共8个现场焊口，分别为c1、c4、f1、f4、u1、u2、u4、u6。
3个环路总共24个现场焊口。
1.3 主管道自动焊施工逻辑cpr1000主管道沿用传统手工焊的施工逻辑，采用先焊接冷热段，再焊接过渡段的顺序。
冷热段焊接相互独立，互不影响。
每个环路的过渡段作为闭合环路的调整段，共分3段到货，预留水平方向和垂直方向共两个调节口补偿整个环路焊接过程中的变形位移。
具体单个环路8个现场焊口的焊接顺序为u1→c4/f4→c1/f1→u4→u2/u6。
epr主管道安装施工逻辑基于sg的更换经验。
sg是整个环路最后安装的设备，连接sg的两个焊口h3和u1口作为闭合环路的调节口。
具体单个环路6个现场焊口的焊接顺序为c1/c2→h1/u4→h3/u1。
两种堆型自动焊施工逻辑对比如图3所示：1.4 主管道自动焊组对要求cpr1000与epr主管道焊接均采用窄间隙自动焊工艺，其组对技术要求包括：组对间隙0～1 mm，组对错边量0～1.5 mm。
为了满足自动焊组对要求，cpr1000与epr均采用了高精度三维测量技术对主设备和主管道安装过程进行精密测量计算。
2 三维测量组对技术对比由于主设备制造公差和现场安装公差的影响，很难保证主管道窄间隙自动焊的组对要求。
因此需要通过对主设备竣工尺寸进行三维精密测量，计算得到相应的主管道需要加工的坡口尺寸。
并在安装过程中通过测量，严格控制设备安装位置，实现自动焊的组对要求。
由于cpr1000与epr自动焊施工逻辑不同，两种三维测量和计算的方法也有差异，以下从4个方面进行对比分析。
2.1 三维测量、组对计算的基本原理根据cpr1000自动焊的施工逻辑，其冷热段安装相互独立，互不影响。
过渡段两个调节口分别补偿水平方向和垂直方向的偏差，也是相互独立的计算。
由于主设备本身安装精度要求比较高，要实现自动焊组对要求，重点是根据主设备的竣工尺寸计算出对应的主管道坡口尺寸，其基本原理如下：（1）进行主设备竣工尺寸测量。
（2）主管道冷热段预留坡口长度并进行三维测量。
（3）主设备与主管道模型进行最佳组对拟合计算，得到坡口尺寸。
（4）过渡段预留u2/u4坡口长度。
（5）冷热段焊接完成之后，测量过渡段连接口的安装尺寸。
（6）考虑焊接收缩量和温度补偿，计算u2/u4调节口的最终坡口加工尺寸。
具体测量与计算流程如图4所示：epr测量计算基本原理与cpr1000类似。
由于epr采用sg最后安装的施工逻辑，h3和u1口作为调节口最后组对焊接，而h3和u1口分别是50度弯头和40度弯头上的焊口，焊接过程中同时存在水平分量和垂直分量的焊接收缩量，增加了测量、计算以及组对的难度。
epr自动焊测量与计算的基本原理如下：（1）进行主设备竣工尺寸测量。
（2）进行主管道初始尺寸测量。
（3）进行rpv、rcp和cl最佳拟合计算，得到冷段c1/c2口最终坡口尺寸。
（4）进行rpv、sg和hl最佳拟合计算，得到热段h1口最终坡口尺寸。
（5）进行rcp、sg和col最佳拟合计算，得到过渡段u4口最终坡口尺寸。
（6）c1、c2、h1和u4口焊接完成之后，测量h3和u1口的位置，并结合sg进出口管嘴竣工尺寸数据，考虑u1口焊接收缩量的补偿，计算得到主管道h3和u1口的最终坡口尺寸。
（7）由于u1口预留了焊接收缩量，组对之前需要对过渡段用千斤顶进行强制位移，然后安装sg，组对和焊接h3/u1口，完成环路闭合。
具体测量与计算流程如图5所示。
cpr1000与epr自动焊测量的基本原理大体相同，都是通过对主设备进行三维测量建模，然后结合具体的安装逻辑，考虑焊接收缩量的补偿等因素影响，采用最佳组对拟合计算出主管道的最终坡口尺寸，以满足自动焊组对要求。
2.2 三维测量与建模cpr1000自动焊三维测量使用的是api激光跟踪仪系统，其特点是可以实时自动跟踪目标靶球的位置，测量目标靶球在三维空间的位置坐标，适合单点三维坐标测量和实时跟踪，以及动态扫描测量。
epr自动焊三维测量使用的是gsi三维摄影测量系统，其特点是通过布置大量反射标记点进行目标体三维测量，适合用于对大型设备进行三维测量（如图6）。
从测量精度来看，激光跟踪仪的测量精度稍高。
从采集的测量特征点来看，摄影测量所需标记点要更多。
采用激光跟踪测量时rpv 测量特征点约100个，而三维摄影测量时rpv布点数达到500个以上，与激光测量方法形成鲜明的对比。
下图是两种测量方法获得的三维测量模型。
2.3 组对计算2.3.1 组对计算的实现方法cpr1000与epr的组对计算均采用sa测量软件的最佳拟合功能。
其基本步骤是根据主设备安装技术要求，先对主设备测量模型进行定位，然后导入主管道测量模型，通过最佳拟合计算得到主管道的安装位置和坡口尺寸。
2.3.2 非调节口的组对计算非调节口是指按照设计尺寸加工，不用于补偿整个环路焊接变形的焊口。
非调节口的坡口尺寸计算只依赖于主设备竣工尺寸以及主设备安装要求。
在主设备制造完工之后，现场安装工作开始之前即可对非调节口进行坡口拟合计算，并加工完最终坡口。
计算过程中需要在每个焊口预留焊接收缩量。
如上节所描述的，cpr1000与epr 对于非调节口的坡口尺寸计算所采用的计算方法相同。
2.3.3 调节口的组对计算调节口是整个环路最后焊接的焊口，承担着补偿环路焊接位移的任务。
调节口的坡口尺寸需要等到环路中所有其他焊口都已经焊接完成，并对环路的开口进行实际测量之后计算得到的。
整个环路的焊接变形可以分解到水平和垂直两个方向。
cpr1000调节口u2/u4就是分别在这两个方向上对环路焊接变形进行补偿。
epr主管道自动焊的调节口是与sg相连的h3和u1口，两个焊口都是斜焊口，每个焊口的焊接收缩都会分解到水平和垂直方向。
而且由于预留收缩量之后，两个管口之间的距离会比sg管嘴之间的距离小，导致sg不能直接与主管道两个管口组对，需要先将过渡段u1口通过千斤顶进行强制位移，然后才能完成h3和u1口的组对。
因此在h3/u1口组对过程中，需要通过测量精确控制u1口的位移量，确保能够满足自动焊组对要求。
通过对比可以发现，cpr1000自动焊调节口的坡口计算和组对更加容易控制和实现，epr自动焊调节口的坡口计算和组对安装难度比较高。
3 结语通过对cpr1000与epr主管道自动焊测量与组对技术的对比分析，可以得出以下一些结论：从施工逻辑上分析，epr堆型采用sg后装的施工逻辑，可以将过渡段作为一整个组件在现场安装，减少了现场的焊口数量，有利于缩短工期。
但同时也增加了sg安装和主管道组对的难度。
从测量方法上分析，激光跟踪测量具有动态测量的特性，适合现场主设备安装过程的监控，实现设备的精确安装。
而三维摄影测量法具有不接触测量的优势，适合进行主设备竣工尺寸等大型空间位置的三维精密测量，也适合在役项目辐射环境下的无接触三维测量。
两种测量方法各有优势，形成互补。
三维精密测量及模拟安装组对的技术，不仅能应用于主管道窄间隙自动焊的组对，也可以应用于核岛主系统安装过程中。
通过三维测量和实时监控，能够指导主设备进行精确就位，有利于提高安装质量和缩短工期。
