核电蒸发器流量分配板测量技术.pdf

作者简介：谈文龙（1976），男，汉族，上海人，中级职称，研究方向为核电设备的检测。核电蒸发器流量分配板测量技术 谈文龙1 鞠天龙1 杨铭明1 王永振2 1.上海电气核电设备有限公司，上海 201306 2.郑州辰维科技股份有限公司，河南 郑州 450001 摘要：摘要：核电蒸发器是核电核岛的关键设备，承担了堆芯冷却剂和蒸汽的换热，并将高压蒸汽输出的作用。流量分配板的安装是蒸发器装配的核心环节，其与管板孔的同轴装配精度对传热管的穿管及穿管后传热管的应力大小有着重要影响。本研究首先利用激光准直特性指示管板孔的轴线，然后在流量分配板孔处使用 PSD 激光位置探测器测定同轴偏差，系统数据处理软件利用三自变量最小二乘法对系统偏差进行整体优化分析，给出流量分配板的最优化调整建议。本研究为核电蒸发器流量分配板的精密安装测量提供了一种便捷高效新方法，成功应用于我国三代核电装备的制造中。关键词：关键词：光学检测；核电蒸发器；激光准直；同轴安装；最优化 中图分类号：中图分类号：TG316 0 引言 蒸发器是核电核岛的关键设备，承担了堆芯冷却剂和蒸汽的换热，并将高压蒸汽输出的作用。其制造工艺复杂，质量控制和过程控制严格，属于核安全一级和核质保一级设备。在一定程度上，代表了核岛承压设备制造能力的最高水平1。流量分配板属于蒸发器下部筒体组件的一部分，对流量分配板的精密安装测量是蒸发器装配的核心环节。流量分配板的安装主要在于流量分配板孔与管板相应孔的同轴装配精度。其对传热管的穿管及穿管后传热管的应力大小有着重要影响。由于流量分配板与管板之间有 800mm 左右的间隔且孔数量较多，达到上万个，流量分配板孔与管板孔之间的同轴偏差测量难度较大2。以往多采用机械方式进行测量。利用一个 1m 长度的长杆其直径等于管板孔径，顶端安装有千分表。长杆末端插入管板孔中，顶端靠近流量分配板孔，千分表测量指针贴近流量板孔内壁。将此杆旋转一周，观察并测量千分表读数变化，完成对同轴偏差的测量。对于此测量方式，长杆长度较长且悬空测量，长杆自身的形变易引入测量误差；千分表读数方式使操作较复杂，人员易疲劳。为快速便捷的获取流量分配板孔与管板孔之间的同轴偏差，本研究以管板管孔轴线为基准利用激光定位棒、PSD 激光探测器、数据接收器、数据处理软件等组成模块构建核电蒸发器流量分配板精密安装测量系统，结合了激光准直、PSD 光电信号处理3-6、光学对心加工、无线传输等技术完成管板孔与流量分配板孔同轴偏差数据的获取，利用三自变量最小二乘法对系统偏差进行整体优化分析7,8,9，指导流量分配板的装配调整。1 测量原理及组成 1.1 测量原理 核电蒸发器流量分配板精密安装测量系统测量原理为：利用激光定位棒以激光束指示管板孔轴线；以PSD 激光位置探测器获取激光在流量分配板孔位置处光斑中心相对流量分配板孔轴线的偏差；将测量数据及流量分配板孔的行列信息无线传输给数据接收器；数据接收器接收数据并保存在处理终端电脑上;系统数据处理软件利用最优化算法分析计算流量分配板调整量，以使偏差在允许范围内。图 1 现场测量示意图 现场测量情况如图 1 所示，具体操作步骤如下：（1）将激光定位棒插入管板孔中，打开激光器电源开关，激光出射准直光束即指示管板孔中心轴；（2）将 PSD 激光位置探测器放置在与管板孔对应的流量分配板孔中；（3）PSD 激光位置探测器所显示坐标值通过数据发射天线，实时传输给数据接收器；（4）数据接收器接收数据，并将数据传输给笔记本电脑进行保存。（5）将激光定位棒旋转 180，将 PSD 激光探测器显示坐标再次进行保存。同一孔的两组数据坐标值进行算术平均，即可滤除激光光轴与激光定位棒机械轴不同轴带来的测量误差，得到管板孔与流量分配板孔的轴线偏差。（6）所有管板孔及相应流量分配板孔的轴线偏差测量完成后，对数据进行分析处理，便可得到流量分配板的调整量，使安装偏差趋于最小，完成流量分配板的安装。1.2 测量系统组成 核电蒸发器流量分配板精密安装测量系统由激光定位棒、PSD 激光探测器、数据接收器、数据处理软件等组成。激光定位棒分为握持区及定位长杆区，两部分均中空，内部放置光纤准直激光器、激光器电源、开关等，激光准直光束在定位棒一端出射，利用激光准直传播特性指示管板孔方向。激光定位棒定位长杆部分采用前后两处定线，且有不同孔径的辅助定位套，使定位棒与管板孔的配合公差满足 0.01mm。此外为了减少机械结构变形产生的光轴变化，激光定位棒设计中加强了结构的强度和刚度，选用高强度低膨胀系数材料 3Cr13 与之匹配。为了消除光飘现象对测量精度的影响，选用半导体激光器作为准直光源，采用单模光纤耦合技术消除光飘，稳定准直基线。激光定位棒准直激光光轴与定位杆的同轴误差5。图 2 激光定位棒、PSD 激光探测器、数据接收器 PSD 激光位置探测器包含 PSD 传感器及处理电路、数码显示管、数据发射天线、定位套。其利用 PSD 感应激光斑点位置，并将激光斑点位置的二维坐标通过数据发射天线实时传输给数据接收器。为了减小杂光对测量精度的影响，PSD 激光探测器在激光入射端采用光学窄带滤光片，激光器波长为 635nm，所以通过带宽设计为 610nm675nm，选用有色玻璃 HB610 作为基片，在基片上蒸镀 675nm 截止膜，波长带宽 60nm。PSD 激光位置探测器激光光斑判读精度0.02mm。数据接收器包含数据接收天线、USB 接口、处理电路，可用于连接电脑接收测量数据。其体积小，天线可拆卸，方便携带。2 装配中的最优化方法 完成对流量分配板同轴偏差的获取后，需对数据进行分析，判定流量分配板是否装配到位，偏差是否可最优化分配达到最小。流量分配板调整的合格条件为单孔位置度偏差。位置度偏差为：22)()(iiyxl 图 3 测量孔位示意图 优化算法需根据各理论数据和测量数据，提供流量分配板调整量：平移量(dx,dy)和旋转角度。使各孔位置度偏差满足合格条件且整体偏差最优。将管板孔划分为四个象限，设管板各孔理论坐标为),(iiyx，流量分配板与管板孔位偏差调整前为),(iiyx，调整后为),(iiyx。调整时，先平移(dx,dy)，然后旋转角度。则调整完毕后，流量分配板各孔位偏差为：iiiiiiiiiiiiykdyyykdxxxyxkdyyykdxxxxcos*)(sin*)(sin*)(cos*)(分析算法采用最优解方案，需计算调整后各孔位偏差平方和最小的参数。设常数为：niiiiiiiniiiiiiiniiiniiiniiniixxyyyxNyyyxxxMyyDxxCyBxA111111)(*)(*()(*)(*()()(得到方程组如下：+=0 +=0 +=0 此为非线性方程组，采用迭代方法求解，取初始值(dx,dy,k)=(0,0,0),误差方程式为：lAt 其中，矩阵 A 各项为：kBkAAnAAsin*cos*2322021 kAkBAAnAsin*cos*1301211 A31=A sink B cosk A32=B sink+A cosk A33=M cosk N sink+A dx cosk+B dy cosk A dy sink+B dx sink 矩阵 t 为：Tkdydx 矩阵 l 为：(+)(+)(+)根据以上误差方程式，可解算得到(dx,dy,k)，则最优解完成。此时，可计算得到各孔的位置度偏差，并给出是否合格的判断。若最优化算法不能满足要求还可以使用手动调整，可随机输入(dx,dy)和角度，然后计算得到各孔的位置度偏差，并给出是否合格的判断，完成流量分配板的调整。表 1 CAP1400 流量分配板安装测量数据表 第一象限 第二象限 Location Row Col.X(mm)Y(mm)position Location Row Col.X(mm)Y(mm)position Tube Hole 1 R5 C135-0.31-0.10 0.65 Tube Hole 1 R5 C135 0.34 0.14 0.74 Tube Hole 2 R5 C119-0.45-0.20 0.99 Tube Hole 2 R5 C119-0.36-0.25 0.88 Tube Hole 3 R5 C103-0.25-0.12 0.55 Tube Hole 3 R5 C103-0.24-0.31 0.78 Tube Hole 4 R5 C87 0.52 0.14 1.08 Tube Hole 4 R5 C87 0.25 0.18 0.62 Tube Hole 5 R5 C77 0.43 0.25 0.99 Tube Hole 5 R5 C77-0.26-0.19 0.64 Tube Hole 6 R15 C135-0.45-0.23 0.01 Tube Hole 6 R15 C135-0.16-0.21 0.53 Tube Hole 7 R15 C119-0.35-0.27 0.88 Tube Hole 7 R15 C119-0.28 0.28 0.79 Tube Hole 8 R15 C103-0.32-0.08 0.66 Tube Hole 8 R15 C103-0.36 0.36 1.02 Tube Hole 9 R15 C87-0.42 0.39 1.15 Tube Hole 9 R15 C87-0.24-0.24 0.68 Tube Hole 10 R15 C77 0.45 0.42 1.23 Tube Hole 10 R15 C77-0.19-0.25 0.63 Tube Hole 11 R34 C128 0.52 0.35 1.25 Tube Hole 11 R34 C128-0.36-0.19 0.81 Tube Hole 12 R34 C112-0.25-0.26 0.72 Tube Hole 12 R34 C112 0.29-0.14 0.64 Tube Hole 13 R34 C96 0.31-0.14 0.68 Tube Hole 13 R34 C96 0.51-0.31 1.19 Tube Hole 14 R34 C80 0.39 0.26 0.09 Tube Hole 14 R34 C80-0.27-0.21 0.68 Tube Hole 15 R55 C111-0.52-0.13 1.07 Tube Hole 15 R55 C111-0.15-0.24 0.57 Tube Hole 16 R55 C93 0.28 0.32 0.85 Tube Hole 16 R55 C93-0.34 0.36 0.99 Tube Hole 17 R55 C77 0.21 0.27 0.68 Tube Hole 17 R55 C77 0.28-0.34 0.88 Tube Hole 18 R71 C119 0.25 0.14 0.57 Tube Hole 18 R71 C119-0.24-0.36 0.87 Tube Hole 19 R71 C111-0.41-0.13 0.86 Tube Hole 19 R71 C111 0.34-0.28 0.88 Tube Hole 20 R71 C103 0.37 0.21 0.85 Tube Hole 20 R71 C103-0.19 0.41 0.90 Tube Hole 21 R71 C95 0.45 0.36 1.15 Tube Hole 21 R71 C95-0.27-0.18 0.65 Tube Hole 22 R71 C87 0.34 0.21 0.80 Tube Hole 22 R71 C87-0.36-0.24 0.87 Tube Hole 23 R81 C95 0.38 0.24 0.90 Tube Hole 23 R81 C95-0.45-0.31 1.09 Tube Hole 24 R81 C79-0.32-0.15 0.71 Tube Hole 24 R81 C79-0.37 0.27 0.92 Tube Hole 25 R102 C80 0.31 0.31 0.88 Tube Hole 25 R102 C80 0.24-0.19 0.61 Resultant 0.05 0.08 0.81 Resultant -0.11-0.10 0.79 3 工程应用 核电蒸发器流量分配板精密安装测量系统及方法已应用在我国三代核电 CAP1400、CPR、华龙一号等型号蒸发器流量分配板的安装中。由于管板及流量分配板孔数量较大，测量采用抽检方式。其中 CAP1400 在划分的四个象限中，每象限各抽检 25 个孔左右；流量分配板的完成一次安装调整定位在一两个小时内，大大优于以往机械测量方式。图 4 CAP1400 流量分配板安装测量数据 如图 4 为对 CAP1400 型号蒸发器流量分配板安装实际测量部分数据。4 结论 核电蒸发器流量分配板精密安装测量系统利用激光定位棒、PSD 激光探测器、数据接收器、数据处理软件实现了对流量分配板同轴安装偏差的测量，并对测量数据进行最优化分析为后续的装配提供调整建议。其原理清晰、使用方便，在一两个小时内便可完成流量分配板的一次安装定位。系统主要技术指标满足激光光轴与激光定位棒机械轴误差5，PSD 激光位置探测器的光斑判读误差0.02mm。整套测量系统及方法已在我国核电装备制造骨干企业中得到实际应用，具有重要的工程价值。参考文献 1李绍海,魏明,盛伟,核电蒸发器的工艺特点和生产组织J.装配制造技术,2010(3):135-137 2景军涛,江才林,罗吾希,郑晨,EPR 蒸汽发生器制造技术J.压力容器,2013,30(9):65-70 3汪涛,唐清清,刘江,汪雨寒,PSD 微位移测量系统的设计与验证J.传感技术学报,2014,27(4):472-476 4陈浩,邾继贵,薛彬,粗糙表面散射特性对基于 PSD 的激光位移传感器测量精度的影响J.中国激光,2013,40(8):08.5高立,数值最优化方法M.北京:北京大学出版社,2014 6李董辉,童小娇,万中.数值最优化算法与理论M.北京:科学出版社,2010 7刘楚辉,飞机机身数字化对接装配中的翼身交点加工关键技术研究D.杭州:浙江大学,2011