反應(yīng)堆壓力容器主螺栓孔定位和尋跡技術(shù)研究

周建明，彭祥陽(yáng)，路廣遙，倪 亮，奚 琛，侯 碩

（中廣核研究院有限公司，深圳 518000）

反應(yīng)堆壓力容器是核電站最核心的設(shè)備，壽期內(nèi)不可更換［1］。由于每次換料大修均需通過(guò)主螺栓的旋出和旋入開(kāi)關(guān)反應(yīng)堆壓力容器頂蓋，壓力容器主螺孔容易產(chǎn)生接觸損傷（視頻采集的圖像如圖1所示）；同時(shí)，運(yùn)行期間為了保證密封性和承壓，螺孔長(zhǎng)期承受較大載荷［2］。因此，針對(duì)主螺孔的損傷修復(fù)是核電站最重要的維修項(xiàng)目之一。在螺孔維修過(guò)程中，根據(jù)維修設(shè)備工具的特點(diǎn)和工藝要求需要對(duì)原螺孔進(jìn)行定位，如對(duì)中和找正，特殊情況還需要獲得原螺紋加工起始點(diǎn)和軌跡，否則可能會(huì)導(dǎo)致螺紋的二次損傷甚至亂牙［3］。螺孔的定位和尋跡關(guān)系到維修過(guò)程的合理性，而過(guò)程所需的時(shí)間關(guān)系著經(jīng)濟(jì)性，特別是在反應(yīng)堆壓力容器主螺孔螺紋嚴(yán)重?fù)p傷時(shí)采用現(xiàn)場(chǎng)擴(kuò)孔修復(fù)過(guò)程中體現(xiàn)得尤為明顯。同時(shí)，這些關(guān)鍵工藝過(guò)程對(duì)于反應(yīng)堆壓力容器則意味著核安全，因此是整個(gè)維修的最關(guān)鍵環(huán)節(jié)［4，5］。

圖1 螺紋的典型損傷Fig.1 Typical damage of thread

1 對(duì)象的特征

反應(yīng)堆壓力容器法蘭上均布58個(gè)M155×4-5H4H的螺紋孔，螺孔總深度280 mm；螺孔上部有光孔段，直徑：Φ158 mm，高度：20 mm。主螺孔相關(guān)材質(zhì)見(jiàn)表1［6］。

表1 螺孔主要材料參數(shù)Table 1 Main material parameters of screw hole

2 常規(guī)的定位方法概述

反應(yīng)堆壓力容器螺紋孔的損傷修復(fù)，并不是所有情況均需要進(jìn)行精確定位和原螺紋的加工尋跡，比如：針對(duì)螺紋小尺度的扭曲采用螺紋孔梳理工藝，修復(fù)方法就是自適應(yīng)定位。此外，對(duì)損傷螺孔相鄰螺孔的螺紋和臺(tái)階面進(jìn)行粗定位也是常見(jiàn)的方法［7］。常規(guī)的定位方法對(duì)于解決一般的問(wèn)題具有簡(jiǎn)單快速的特征，但精度不足，同時(shí)只能進(jìn)行中心定位，不能進(jìn)行原螺紋尋跡。

3 精確的定位和尋跡方法

精確的定位和尋跡方法一般用于嚴(yán)重?fù)p傷螺孔的現(xiàn)場(chǎng)整體擴(kuò)孔修復(fù)，這種事故發(fā)生概率雖然很低，但施工難度巨大，一旦處理不當(dāng)，損失非常大。尋跡過(guò)程主要是找準(zhǔn)原加工的起牙點(diǎn)［8］。本文闡述兩種技術(shù)方法，一種是機(jī)械定位，另一種是光學(xué)測(cè)量，兩種方法可以獨(dú)立操作，也可以互相驗(yàn)證確保安全。

3.1 機(jī)械定位和尋跡

機(jī)械定位的基本原理是基準(zhǔn)轉(zhuǎn)移，即通過(guò)已知螺紋起始點(diǎn)和等螺距垂直移動(dòng)獲得被測(cè)螺孔的起始點(diǎn)。圖2所示的專(zhuān)用工具是通過(guò)上述原理設(shè)計(jì)的，利用螺紋相互旋合與錐度配合的定位關(guān)系達(dá)到了準(zhǔn)確測(cè)量的效果。本工具設(shè)計(jì)了錐度拉桿和脹套結(jié)構(gòu)，當(dāng)遇到螺紋損傷段時(shí)，可旋松錐度拉桿，跳過(guò)損傷段后旋緊進(jìn)行測(cè)量。設(shè)計(jì)原理和主要工作過(guò)程如下。

圖2 內(nèi)螺紋找正專(zhuān)用工裝示意圖Fig.2 Schematic diagram of special tooling forinternal thread alignment

3.1.1 主螺栓孔中心找正

首先檢查工裝，查看錐度拉桿與脹套是否處于自由旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，將工裝下端的螺紋旋入需要檢測(cè)并清潔后的螺紋孔內(nèi)。逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)錐度拉桿使其提升，當(dāng)錐度拉桿向上提升時(shí)，螺紋直徑便會(huì)自動(dòng)增大，直到與內(nèi)螺紋孔充分貼合。分段測(cè)量如圖2所示的基準(zhǔn)B，繪出中心軸線(xiàn)。

3.1.2 主螺栓孔起牙點(diǎn)找正

以設(shè)計(jì)A面為基準(zhǔn)，在檢測(cè)過(guò)程中直接測(cè)量和控制該點(diǎn)的位置，以確保其位置精度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。該工裝在設(shè)計(jì)和制作過(guò)程中均將所有的高度控制尺寸（h0）制作為螺距（p）的整倍數(shù)，即：

將上部螺紋段的D點(diǎn)設(shè)計(jì)為已知螺紋的起牙點(diǎn)并沿軸向延伸到A平面作好標(biāo)記，同時(shí)與下部螺紋段的起牙點(diǎn)相同。這樣，通過(guò)下部螺紋和壓力容器主螺孔內(nèi)螺紋脹緊貼合，此時(shí)D點(diǎn)對(duì)應(yīng)的就是壓力容器的起牙點(diǎn)，操作中可以用D點(diǎn)直接對(duì)刀。

3.2 光學(xué)測(cè)量定位和尋跡

光學(xué)測(cè)量是利用安裝在機(jī)床主軸上的測(cè)量系統(tǒng)迅速完成主螺栓孔的中心找正和螺紋起牙點(diǎn)的一種方法。本套系統(tǒng)由工控機(jī)、工作PLC（可編程邏輯控制器）、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)3部分組成，如圖3所示。測(cè)針是測(cè)量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)終端，它通過(guò)連接桿、五向中心座、轉(zhuǎn)接頭和機(jī)床連接裝置等連接件與機(jī)床主軸連接。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及在主軸上的安裝方式如圖4所示。

圖3 系統(tǒng)硬件框架Fig.3 Hardware framework of the system

圖4 測(cè)量系統(tǒng)組成Fig.4 Composition of measurement system

3.2.1 系統(tǒng)的測(cè)量原理

（1）在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)（機(jī)床的XYZ軸）的帶動(dòng)下探頭測(cè)針與被測(cè)工件接觸，所產(chǎn)生的接觸信號(hào)通過(guò)LP2測(cè)頭進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

（2）在此過(guò)程中LP2測(cè)頭引入負(fù)反饋機(jī)制，通過(guò)計(jì)算補(bǔ)償，能有效解決由于大懸深測(cè)量引起的端部微震顫帶來(lái)的誤差問(wèn)題。測(cè)針及測(cè)頭的信號(hào)傳輸是采用紅外傳輸原理。

（3）隨后將數(shù)據(jù)傳送到工作PLC和工控機(jī)完成數(shù)據(jù)接收和處理，通過(guò)CNC的系統(tǒng)變量對(duì)探針碰撞的位置進(jìn)行讀寫(xiě)，并做相應(yīng)的幾何運(yùn)算。

（4）通過(guò)幾何運(yùn)算得出工件的實(shí)際尺寸。根據(jù)加工需要對(duì)尺寸誤差進(jìn)行補(bǔ)正、程序修改和找正工件的零點(diǎn)等。

3.2.2 測(cè)量的具體過(guò)程

（1）尋找螺紋孔中心線(xiàn)：通過(guò)測(cè)針在螺孔上光段和下光段邊緣不同點(diǎn)的觸碰，以獲得螺孔上下光段圓周的多個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)計(jì)算可很快得出螺孔上段光段中心和螺孔下段光段中心，確定螺孔軸心線(xiàn)位置，依此確定機(jī)床X/Y中心坐標(biāo)數(shù)據(jù)，此時(shí)螺栓中心孔找正完成。

（2）尋找螺紋孔起始基準(zhǔn)平面：通過(guò)測(cè)針在螺孔上平面進(jìn)行多點(diǎn)觸碰，確定基準(zhǔn)平面：z=0

（3）尋找螺紋起牙點(diǎn)：

a.將主軸定向（測(cè)量所需角度），即將機(jī)床主軸垂直于螺孔軸心線(xiàn)。隨后測(cè)針探頭位移到螺孔牙槽間任意位置，以螺牙不干涉探頭為原則，如圖5a所示。

b.繼第a步之后，將機(jī)床Z軸上移至牙槽上口并記錄坐標(biāo)數(shù)據(jù)（x1，y1，z1），如圖5b所示。

c.繼第b步之后，將機(jī)床Z軸下移至牙槽下口并記錄坐標(biāo)數(shù)據(jù)（x1，y1，z2），如圖5c所示。

d.通過(guò)機(jī)床測(cè)量系統(tǒng)得到螺紋旋線(xiàn)與機(jī)床主軸定向位置，機(jī)床Z軸高度方向位置之間的唯一坐標(biāo)點(diǎn)位置，即圖5d中標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)（x1，y1，z1+z2/2）。

圖5 測(cè)針與螺紋位置示意圖Fig.5 Position diagram of probe and thread

e.根據(jù)內(nèi)螺紋圓柱螺旋線(xiàn)公式（2），通過(guò)采集螺旋線(xiàn)上點(diǎn)的坐標(biāo)信息，求解螺紋起牙點(diǎn)位置。

式中：t——變量；

r——半徑，mm；

p——螺距，mm。

f.多次不同位置重復(fù)測(cè)量，匯總起牙點(diǎn)的位置坐標(biāo)，對(duì)于明顯偏離的數(shù)值，可能存在明顯的螺紋扭曲、坍塌等缺陷，應(yīng)去除，后記錄算數(shù)平均值作為最終起始點(diǎn)坐標(biāo)。

3.2.3 尋跡確認(rèn)

沿原螺紋設(shè)計(jì)尺寸輪廓下限值走空刀，觀察并監(jiān)測(cè)電流變化。螺紋完整處無(wú)明顯電流變化，無(wú)可見(jiàn)飛屑和火花證明尋跡成功。

4 偏差和精度分析

偏差精度分析是綜合分析各個(gè)要素及過(guò)程的精度累計(jì)和變化，主要包括極值法和統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，統(tǒng)計(jì)學(xué)方法的使用以蒙特卡洛方法最為廣泛。統(tǒng)計(jì)學(xué)方法在批量生產(chǎn)中協(xié)調(diào)成本與質(zhì)量關(guān)系方面有突出意義，實(shí)質(zhì)還是基于成本考量，允許一部分不合格產(chǎn)品出現(xiàn)。但本文所述條件是務(wù)必要確保一次合格，所以采用極值法是更加合適的方式。極值法封閉環(huán)的尺寸等于所有增環(huán)尺寸之和減去所有減環(huán)尺寸之和，如式（3）所示：

式中：n——包括封閉環(huán)在內(nèi)的尺寸鏈的總環(huán)數(shù)；

m——尺寸鏈中的增環(huán)數(shù)。

構(gòu)成封閉環(huán)的要素包括：基準(zhǔn)和螺紋的同軸度誤差、原螺紋的制造誤差、機(jī)床本身安裝誤差和測(cè)量誤差等。二次加工累計(jì)了原螺紋的誤差，如果原螺紋的誤差已經(jīng)是產(chǎn)品誤差要求的極值，那么在原螺紋的基礎(chǔ)上加工新螺紋時(shí)有可能超差。因此，在執(zhí)行過(guò)程中，需要充分了解原螺紋的制造情況具體分析。

修復(fù)螺紋時(shí)，采用光學(xué)測(cè)針找出螺紋的起牙點(diǎn)和螺紋孔中心線(xiàn)的方法是優(yōu)于機(jī)械工具的。光測(cè)法利用安裝于主軸上的光學(xué)測(cè)針?lè)謩e對(duì)螺紋孔的三個(gè)環(huán)形面進(jìn)行檢測(cè)，第一個(gè)環(huán)形面位于螺紋孔的上端，第二個(gè)環(huán)形面位于螺紋孔深度的中間部位，第三個(gè)環(huán)形面位于螺紋孔的底端，并配合設(shè)備主軸的上下運(yùn)動(dòng)對(duì)其同軸度、母線(xiàn)直線(xiàn)度和斷面垂直度進(jìn)行檢測(cè)記錄，如圖6a所示，光學(xué)測(cè)量可到達(dá)區(qū)域多于機(jī)械定位，同時(shí)沒(méi)有本身的制造誤差，因此精度要高于機(jī)械定位。具體分析過(guò)程如下。

定義產(chǎn)品上/下偏差ES/EI，原加工軌跡實(shí)際的上/下偏差ES′/EI′，二次加工的上/下偏差ES0/EI0。其中：

ESi/EIi數(shù)集中的要素包括：原加工軌跡的尺寸和形位誤差、測(cè)量誤差、機(jī)床誤差以及安裝誤差等，m為要素的數(shù)量。

當(dāng)ES0≤ES時(shí)，可以按測(cè)量基準(zhǔn)直接加工。

此時(shí)，只需要二次加工的材料去除量p大于兩次加工偏差的累積即不會(huì)出現(xiàn)亂牙現(xiàn)象，即滿(mǎn)足式（6）。

當(dāng)ES0＞ES時(shí)，按照測(cè)量基準(zhǔn)二次加工可能會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品超差，因此需校正軸線(xiàn)基準(zhǔn)，同時(shí)還需保證不能出現(xiàn)亂牙現(xiàn)象，即同時(shí)滿(mǎn)足式（7）和式（8）。θ為校正角度，如圖6b所示，h為螺孔螺紋段高度尺寸。

圖6 螺紋孔螺紋修復(fù)定位Fig.6 Thread repair location of screw hole

完成上述精度分析過(guò)程，完善執(zhí)行方案，即可進(jìn)入執(zhí)行階段。

5 結(jié)論

（1）本技術(shù)方法通過(guò)國(guó)內(nèi)某電站實(shí)際模擬試驗(yàn)證明具有可實(shí)施性。在具體實(shí)施過(guò)程中，需結(jié)合設(shè)備的具體要求進(jìn)行針對(duì)性的改進(jìn)和修正。

（2）采用機(jī)械式的尋跡方法優(yōu)點(diǎn)是使用方便、成本較低，但同時(shí)其測(cè)量精度一方面受限于自身加工精度，另一方面受限于螺紋本體狀態(tài)。

（3）采用光學(xué)測(cè)量的尋跡方法的優(yōu)點(diǎn)是精度高，可以納入可視化手段和數(shù)據(jù)分析以降低風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)于反應(yīng)堆壓力容器等重要設(shè)備尤為重要，但其本身不具備獨(dú)立測(cè)量能力，需要合適的載體，綜合成本較高。

（4）本技術(shù)方法基于M310壓水堆的壓力容器開(kāi)發(fā)，經(jīng)適應(yīng)性改進(jìn)即可用于其他堆型核電廠壓力容器以及電力、船舶和石化等行業(yè)大型容器類(lèi)似問(wèn)題的處理。