AP1000核電站安全殼筒體測(cè)量研究

周 盛 洪金華

武漢理工大學(xué)，武漢，430063

0 引言

隨著世界能源危機(jī)的到來，核電作為清潔能源之一越來越引起全球各國(guó)的關(guān)注。AP1000是我國(guó)引進(jìn)美國(guó)西屋公司的第三代核電技術(shù)，也是目前全球核電市場(chǎng)最安全、最先進(jìn)的商業(yè)核電技術(shù)之一。AP1000鋼制安全殼是核二級(jí)設(shè)備，它由一個(gè)圓柱筒體和上下兩個(gè)橢圓形封頭在現(xiàn)場(chǎng)拼裝并焊接封閉而成。由于AP1000安全殼制作精度高，一直是我國(guó)核電技術(shù)國(guó)產(chǎn)化的難點(diǎn)。目前，國(guó)內(nèi)已有一些研究人員［1－3］研究核電站及環(huán)吊等設(shè)施的測(cè)量，但針對(duì)核安全殼的測(cè)量研究報(bào)道甚少。本文以AP1000核電站安全殼筒體的測(cè)量為研究目標(biāo)，采用工程測(cè)量的方法，對(duì)安全殼的筒體進(jìn)行測(cè)量研究，提出了安全殼筒體組裝測(cè)量的一整套方法，為安全殼的組裝及核電站其他相關(guān)測(cè)量工作提供了可資借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

1 測(cè)量對(duì)象及目標(biāo)

1.1 AP1000安全殼筒體簡(jiǎn)介［4］

AP1000壓水堆鋼制安全殼是反應(yīng)堆廠房的屏蔽結(jié)構(gòu)，是核電站建造中的重要裝備。安全殼容器內(nèi)直徑為39.624m，容器總高為65.634m。安全殼由下封頭、第一環(huán)、第二環(huán)、第三環(huán)和上封頭五部分構(gòu)成，采用分段組焊技術(shù)制作。筒體位于安全殼的中部，由第一環(huán)、第二環(huán)和第三環(huán)組成。圓柱筒體共11層，每層由44.5mm規(guī)格的12塊圓弧鋼板焊接而成。

1.2 AP1000安全殼筒體測(cè)量目標(biāo)

以安全殼筒體的對(duì)接、橫截面半徑和垂直度的測(cè)量為研究目標(biāo)，為確保筒體對(duì)接時(shí)的半徑和垂直度符合組裝精度要求，擬定的筒體組裝焊接質(zhì)量要求如表1所示［5］。

表1 筒體組裝焊接質(zhì)量要求 mm

根據(jù)筒體組裝焊接的質(zhì)量要求，筒體焊接時(shí)的對(duì)口錯(cuò)變量必須控制在3mm之內(nèi)（A類焊縫），任意橫截面的最大、最小直徑差須不大于99.3mm，其直徑偏差、垂直度偏差分別為±49.6mm和不大于19.4mm。因此在筒體組裝時(shí)，應(yīng)優(yōu)先滿足焊接對(duì)口的錯(cuò)變量要求，然后再校正橫截面直徑及殼壁垂直度的偏差。

2 對(duì)接模型的建立與分析

筒體對(duì)接可理解為兩圓的拼接，建立的對(duì)接模型如圖1所示。

圖1 對(duì)接測(cè)量模型圖

圖1a、圖1b分別代表對(duì)接面上2個(gè)不同的圓，其中，圖1a為底圓，圖1b為頂圓。由于兩圓具有不規(guī)則性，錯(cuò)變量應(yīng)不大于3mm。在筒體安裝測(cè)量時(shí)可采用兩種方法進(jìn)行組裝。

方法一 兩圓分開焊接組裝。假設(shè)兩圓輪廓誤差分別為m1、m2，且輪廓誤差范圍相同，都為Δ1，兩圓半徑分別為R1、R2，且半徑誤差相同，都為Δ2，則兩圓對(duì)接時(shí)任意一點(diǎn)的錯(cuò)變量可表示為

根據(jù)誤差范圍的基本理論，誤差范圍可表示為各分量系數(shù)的絕對(duì)值之和，即

根據(jù)實(shí)際情況，若假設(shè)對(duì)接圓輪廓誤差范圍為Δ1＝0.5mm，則半徑誤差范圍為2Δ2≤3－2Δ1＝2mm，即Δ2≤1mm。若誤差服從正態(tài)分布，則要求兩圓的半徑方差為1／3mm，圓度誤差為1mm。

方法二 兩圓先“合并”再分開組裝，即將筒體上環(huán)的第一圈與筒體下環(huán)同時(shí)進(jìn)行組裝并板焊成一個(gè)圓環(huán)，其中，上環(huán)的第一圈不與下環(huán)的頂圈焊接在一起。焊接完畢后，將上環(huán)第一圈吊出，作為該環(huán)的焊接基準(zhǔn)圓進(jìn)行該環(huán)的組裝焊接操作，其組裝示意如圖2所示。此外，筒體錯(cuò)變量精度控制可通過采用殼板拼接夾具及殼板拼接間隙片來實(shí)現(xiàn)，必要時(shí)可采用工裝強(qiáng)行校正殼板錯(cuò)變量。

圖2 筒體第一環(huán)、第二環(huán)組裝示意圖

通過分析兩種方法發(fā)現(xiàn)：方法一操作簡(jiǎn)單，但對(duì)圓的半徑精度要求十分嚴(yán)格，以目前測(cè)量?jī)x器的測(cè)量精度，達(dá)到1／3mm存在一定的困難。方法二操作比較復(fù)雜，但可滿足圓的對(duì)接錯(cuò)變量要求，根據(jù)筒體安裝的實(shí)際情況，本文采用第二種方法實(shí)現(xiàn)筒體的對(duì)接。

3 筒體半徑與垂直度測(cè)量方法分析

3.1 測(cè)量方法分析

半徑測(cè)量的常用方法有：樣板測(cè)量［6］、卡規(guī)測(cè)量［6－7］、弓高弦長(zhǎng)法［8］、平行弦法等，這些方法存在測(cè)量精度低的問題，既不符合AP1000核電站核安全殼筒體測(cè)量的精度要求，也不適合AP1000核電站核安全殼大型圓端面的測(cè)量。滾輪法［9－10］、三坐標(biāo) 機(jī) 采 點(diǎn) 法［11］、激 光 －CCD 圖 像 掃描測(cè)量系統(tǒng)［12］等方法雖然測(cè)量精度高，但測(cè)量范圍小，也不適合安全殼筒體的測(cè)量。

在工程實(shí)際中，大型設(shè)備垂直度的測(cè)量常采用工程測(cè)量的方法，故本文選擇工程測(cè)量的方法來實(shí)現(xiàn)筒體半徑與垂直度的測(cè)量。

3.2 工程測(cè)量準(zhǔn)備工作

3.2.1 儀器設(shè)備準(zhǔn)備

測(cè)量工作主要以高精度全站儀TPS1201和水準(zhǔn)儀NA2＋GPM3為主，另外還須配備一臺(tái)PC機(jī)和一套平差軟件，以及其他一些相關(guān)測(cè)量技術(shù)資料和輔助測(cè)量?jī)x器。所有儀器都應(yīng)經(jīng)過校驗(yàn)，且在有效使用期限以內(nèi)。

3.2.2 依據(jù)的規(guī)范

（1）GB 50633－2010《核電廠工程測(cè)量技術(shù)規(guī)范》。

（2）GB 50026－2007《工程測(cè)量規(guī)范》。

（3）ASME規(guī)范第三卷。

3.3 測(cè)量方法

3.3.1 中心三角形控制網(wǎng)的建立

筒體組裝前期，在空曠場(chǎng)地建立中心三角形控制網(wǎng)，如圖3所示。中心三角形為等邊三角形，各外控頂點(diǎn)距離中心三角形中心點(diǎn)的距離約為50m。各控制點(diǎn)采用強(qiáng)制對(duì)中裝置［13］，其對(duì)中精度為0.2mm。

圖3 中心三角形控制網(wǎng)圖

由于中心三角形控制網(wǎng)圓心點(diǎn)不能與筒體實(shí)際圓心重合，因此筒體的直徑不能由架設(shè)在中心點(diǎn)處的全站儀直接測(cè)出。以中心三角形控制網(wǎng)中心點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立空間直角坐標(biāo)系，為筒體的測(cè)量建立坐標(biāo)基準(zhǔn)，即以中心點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，定出0°、90°、180°、270°方位作為安全殼筒體測(cè)量的方向基準(zhǔn)。

3.3.2 筒體內(nèi)部與外部測(cè)量

（1）筒體內(nèi)部測(cè)量。通過在中心點(diǎn)架設(shè)全站儀測(cè)量和控制筒體半徑，為筒體的拼裝、焊接提供依據(jù)。筒體內(nèi)部測(cè)量是通過將全站儀架設(shè)于帶有強(qiáng)制歸心裝置的中心點(diǎn)觀測(cè)墩上對(duì)殼體的12塊殼板的定位點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)來完成的，測(cè)量過程應(yīng)在天氣較好、能見度較高的環(huán)境下進(jìn)行。圖4為筒體殼板定位點(diǎn)內(nèi)外部測(cè)量示意圖。圖5為筒體內(nèi)外部測(cè)量示意圖。

圖4 筒體殼板定位點(diǎn)內(nèi)外部測(cè)量示意圖

圖5 筒體內(nèi)外部測(cè)量示意圖

（2）筒體外部測(cè)量。根據(jù)測(cè)量要求，筒體垂直度的測(cè)量以外壁為基準(zhǔn)，因此需建立外控點(diǎn)以對(duì)筒體外壁測(cè)點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)，同時(shí)利用外控點(diǎn)對(duì)筒體的半徑進(jìn)行測(cè)量并與筒體內(nèi)部測(cè)量值相互校驗(yàn)，保證測(cè)量的可靠性。

3.3.3 筒體直徑、垂直度偏差計(jì)算

（1）筒體直徑偏差計(jì)算。筒體控制點(diǎn)的坐標(biāo)含有測(cè)量誤差，因此計(jì)算得出的半徑值不能真實(shí)地反映筒體半徑的大小。由于測(cè)量誤差屬于偶然誤差，服從正態(tài)分布，可對(duì)筒體各橫截面測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)采用最小二乘法計(jì)算出“標(biāo)準(zhǔn)圓”的半徑，作為筒體的半徑值，進(jìn)而求出筒體直徑的偏差和圓度。

利用最小二乘求出的筒體的半徑值相比各測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算出的半徑值精度大大提高，能最大限度地逼近筒體半徑的真實(shí)值。設(shè)點(diǎn)（xi，yi）是圓上各控制測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)，同時(shí)假設(shè)筒體橫截面方程為

在該模型中，由于各值均不是真值，因此會(huì)產(chǎn)生各點(diǎn)均不在同一圓上的現(xiàn)象，其偏差方程為

假設(shè)真值x＝x0＋Δx，y＝y(tǒng)0＋Δy，R＝R0＋ΔR，將偏差方程泰勒展開，取一次項(xiàng)，將其化為線性誤差，即

式中，QXX為協(xié)因素矩陣；P為單位權(quán)矩陣。

（2）垂直度偏差計(jì)算。垂直度偏差可由處于同一垂線上各控制點(diǎn)的坐標(biāo)計(jì)算而得，即通過最小二乘擬合方法得出殼壁最小二乘垂線基準(zhǔn)，進(jìn)而求出殼壁各控制點(diǎn)的垂直度偏差。垂直度偏差最小二乘原理與筒體最小二乘擬合圓原理相同。

圖6 擬合點(diǎn)數(shù)與半徑擬合精度的關(guān)系

4 工程測(cè)量精度分析

4.1 全站儀測(cè)量精度分析

全站儀TPS1201的距離測(cè)量精度為±（1＋1.5×10－6D），若測(cè)量距離為100m，即D＝100m，則全站儀距離測(cè)量精度為1.15mm。

全站儀TPS1201角度測(cè)量精度為±1″，即若D＝100m，則測(cè)角精度約產(chǎn)生0.4mm的位移偏差。

由此可見，全站儀TPS1201在短邊測(cè)量中的邊、角測(cè)量權(quán)值相差較大，故實(shí)際測(cè)量時(shí)，應(yīng)盡量提高控制網(wǎng)短邊的測(cè)量精度［14］，其間接平差計(jì)算應(yīng)采用Helmert驗(yàn)后方差定權(quán)進(jìn)行計(jì)算［15］。

4.2 測(cè)量精度分析

筒體的測(cè)量分為建立控制網(wǎng)和架設(shè)全站儀對(duì)控制網(wǎng)點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)兩個(gè)步驟，如圖7所示。測(cè)量精度為兩步驟精度之和。

圖7 筒體測(cè)量示意圖

4.2.1 中心三角形控制網(wǎng)精度

中心三角形測(cè)量控制網(wǎng)各控制點(diǎn)采用強(qiáng)制對(duì)中裝置，控制網(wǎng)三邊長(zhǎng)約為80m，頂點(diǎn)與中心點(diǎn)的距離約為50m，觀測(cè)9個(gè)角度和3條邊長(zhǎng)，觀測(cè)須考慮環(huán)境因素的影響，采用間接平差計(jì)算，控制點(diǎn)最弱點(diǎn)的點(diǎn)位精度小于1mm。

4.2.2 控制網(wǎng)點(diǎn)測(cè)量精度

受施工場(chǎng)地限制，不能采用后方交會(huì)法對(duì)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，只能采用直接測(cè)量的方法對(duì)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。其測(cè)量誤差為

4.2.3 筒體測(cè)量精度

基于上述控制網(wǎng)精度并考慮強(qiáng)制對(duì)中精度0.2mm的影響，選擇的控制網(wǎng)測(cè)量精度為

筒體直徑與垂直度采用三維工程控制網(wǎng)進(jìn)行測(cè)量。筒體任意橫截面最大、最小直徑差應(yīng)不大于99.3mm，任意橫截面的直徑偏差為±49.6mm，垂直度偏差不大于19.4mm。經(jīng)平差計(jì)算，工程控制網(wǎng)控制點(diǎn)的點(diǎn)位精度可達(dá)1mm，控制網(wǎng)測(cè)點(diǎn)點(diǎn)位精度可達(dá)1.5mm。測(cè)量精度完全滿足筒體的測(cè)量要求。

5 結(jié)論

（1）筒體組裝應(yīng)優(yōu)先滿足錯(cuò)變量要求，其次是滿足直徑和垂直度偏差要求。

（2）筒體對(duì)接采用先“合并”后焊接的方法保證其錯(cuò)變量。

（3）筒體測(cè)量需建立三維工程控制網(wǎng)，并采用高精度全站儀進(jìn)行測(cè)量。

（4）控制網(wǎng)采用中心三角形網(wǎng)絡(luò)，以方便對(duì)角度和邊長(zhǎng)的觀測(cè)。

（5）控制網(wǎng)測(cè)點(diǎn)點(diǎn)位精度可達(dá)1.5mm，滿足測(cè)量要求。

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