李亞輝

(中國一重重裝技術(shù)質(zhì)量部，黑龍江 161042)

主泵是核反應(yīng)堆一回路冷卻劑環(huán)路主設(shè)備。目前主泵泵殼主要有鑄造不銹鋼Z3CN20-09M 和鍛造SA-508Ⅲ泵殼兩種。鑄造泵殼是鐵素體-奧氏體雙相不銹鋼泵殼，兼有鐵素體和奧氏體兩種不銹鋼的特點，但鐵素體含量需要控制。因冷卻劑主泵要求耐腐蝕，且鑄造不銹鋼泵殼比鍛造SA-508Ⅲ泵殼少堆焊表層工序而被廣泛應(yīng)用。但鑄造不銹鋼泵殼壁厚不規(guī)則，這給壁厚的測量造成一定的難度。本文將主要從不銹鋼泵殼為什么不用超聲波測量壁厚和壁厚如何測量兩方面闡述泵殼不規(guī)則壁厚的測量方法。

下面我們根據(jù)鑄造不銹鋼泵殼的構(gòu)造及需要測量的位置，分析選擇最佳測量方法。

1 鑄造不銹鋼泵殼的結(jié)構(gòu)

圖1 是不銹鋼泵殼立體示意圖。從圖中我們可以知道需要測量的壁厚有兩處:吸出口管嘴處壁厚和泵殼自身壁厚。

根據(jù)圖2 的標(biāo)識，圖2A 向視圖所示共Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ、Ⅹ、Ⅺ、Ⅻ12 個測量截面，每個測量截面如圖3 所示有G、m、H、n、J、p、K、r、L、t 10 個測量位置。

圖1 不銹鋼泵殼立體示意圖Figure 1 Stereo schematic sketch of stainless steel pump casing

圖2 A 向視圖Figure 2 A direction view

圖3 測量位置Figure 3 Measured positions

表1 10 個位置的壁厚Table 1 Wall thicknesses of ten positions

10 個位置的壁厚如表1 所示。

由表1 可見，泵殼的壁厚是不規(guī)則的，每一個縱向截面的壁厚是不一樣的。那么如何測量泵殼的壁厚就成為難題。按照傳統(tǒng)的方法，用超聲波測厚儀進(jìn)行壁厚的測量十分簡單。但是鑄造不銹鋼泵殼不能用超聲波測厚儀進(jìn)行測量，必須要找到合適的泵殼不規(guī)則壁厚的測量方法。

2 不銹鋼泵殼不能用超聲波測厚的原因

對于鍛造SA-508Ⅲ泵殼，因其內(nèi)部組織均勻及晶粒細(xì)小等關(guān)系，通常壁厚用超聲波測厚儀就能測量，并且結(jié)果準(zhǔn)確。與鍛造SA-508Ⅲ泵殼相比，鑄造不銹鋼泵殼內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)不均勻且晶粒粗大。超聲波測厚與超聲波在介質(zhì)中傳播的信噪比及衰減有關(guān)。當(dāng)材質(zhì)晶粒較粗且大于超聲波波長時，波長短時間內(nèi)衰減大，同時信噪比低，超聲波就被反射，而此時測得的結(jié)果要比實際結(jié)果小，測量結(jié)果不真實。所以鑄造不銹鋼泵殼的壁厚不能使用超聲波測厚儀進(jìn)行測量。

3 測量方法的選擇

鑄造不銹鋼泵殼的工藝流程是:泵殼鑄造→去除工藝冒口→固溶熱處理→性能試驗→粗加工(加工余量確認(rèn))→無損檢測(PT 和RT)→修復(fù)→無損檢測(PT 和RT)→精加工→壁厚測量→水壓試驗→最終壁厚測量(精加工后測量)。從工藝流程分析，首先要保證泵殼的壁厚滿足鑄造圖紙要求，在保證有機(jī)械加工余量的前提下，才能進(jìn)行機(jī)械加工。因此不銹鋼泵殼壁厚測量分為兩個階段，第一階段是粗加工前的余量確認(rèn)測量，目的是為了測量泵殼壁厚及其它尺寸是否滿足機(jī)械加工要求;第二階段是精加工完成之后的測量，目的是測量泵殼壁厚的結(jié)果是否滿足交貨圖紙要求。

3.1 粗加工前的余量確認(rèn)測量

加工前的余量確認(rèn)測量之前，將泵殼的大端面、吸入口小端面及吸出口端面上機(jī)床機(jī)械加工見平后作為后序樣板測量的基準(zhǔn)面。

(1)吸出口管嘴處壁厚檢測。驗證管嘴處壁厚是否滿足鑄造圖紙要求?；罴蠑?shù)控鏜床找正，在檢測時吸出管嘴對主軸(即吸出口管嘴中心線和鏜床主軸平行)。利用已加工見平面定吸入口管嘴中心線及吸出口管嘴中心線交點為零點。根據(jù)檢測要求測出內(nèi)壁與外壁測量點的座標(biāo)值，經(jīng)計算得出壁厚值。檢測原理如圖4。

圖4 檢測原理Figure 4 Check and measure principle

按要求檢測圖4 中位置I 的壁厚。通過圖紙理論計算得出X2值，通過機(jī)床檢測得出Y2值。通過圖紙理論計算得出X1值，經(jīng)機(jī)床檢測得出Y1值。此時內(nèi)外壁兩點的座標(biāo)值均已知道，經(jīng)計算可知此處壁厚，壁厚I2=(X2－X1)2+(Y2－Y1)2。在同一截面測量多處壁厚值，可得同一截面的壁厚均勻性，利用此方法可測出其它要求檢測位置的壁厚。

(2)泵殼本體壁厚的檢測。按檢測壁厚要求制做內(nèi)、外樣板，并且內(nèi)、外樣板上均對應(yīng)刻有按檢測壁厚要求位置的向心線。內(nèi)、外樣板在此刻線處理論距離已定，在檢測時將已加工見平的大端面及內(nèi)孔定位，按刻線位置測量內(nèi)、外樣板距殼體表面距離，用理論距離減實測值，即為壁厚值，如圖5 所示。

例如按要求檢測吸出口管嘴中心線截面位置處壁厚。預(yù)先在大端面按圖紙角度要求以吸出口中心線為基準(zhǔn)人工分解大端面為若干份(同時樣板、托架等附具提前具備)，再使工件平放，內(nèi)、外樣板利用上部托架先后放入工件內(nèi)部及外部，使樣板定位處與泵殼貼緊，找出內(nèi)、外樣板上此處刻線，先后測量內(nèi)樣板此刻線處與內(nèi)壁距離，再測出外樣板此刻線處與外壁距離。由于此狀態(tài)下內(nèi)、外樣板此刻線處距離已知，故可知此處壁厚。需要注意的是此階段的測量僅僅是確認(rèn)壁厚能否滿足粗加工要求，實際準(zhǔn)確的壁厚數(shù)值要到精加工完成后測量。

圖5 泵殼本體壁厚測量Figure 5 Measurement of pump casing body wall thickness

3.2 精加工完成后的精確測量

目前，全世界已經(jīng)成功制造核電站一回路冷卻劑主泵鑄造不銹鋼泵殼的公司僅有幾家，日本三菱、法國阿?，m兩家公司對于鑄造不銹鋼泵殼不規(guī)則壁厚的測量方式都是采用激光跟蹤儀進(jìn)行測量。激光跟蹤儀是目前世界上最先進(jìn)的光學(xué)測量儀器之一，它精度高、能將不同坐標(biāo)系按一個參考點系擬合到一個坐標(biāo)系達(dá)到實體造型的效果而被廣泛應(yīng)用。本文也采用激光跟蹤儀測量不規(guī)則壁厚。

測量儀器:激光跟蹤儀一臺，全站儀(兩臺)工業(yè)測量系統(tǒng)一套，激光跟蹤儀和全站儀(兩臺)同時使用同一測量系統(tǒng)軟件組成一個測量系統(tǒng)。

環(huán)境要求:剛性地面無震源影響，溫度和光線適宜。

泵殼放置:泵殼B 基準(zhǔn)面向下，3 點互成120°支撐于剛性地面上，如圖6 所示。

測量步驟:

(1)激光跟蹤儀架設(shè)在泵殼下中心位置，全站儀(兩臺)工業(yè)測量系統(tǒng)架設(shè)在泵殼外適當(dāng)位置。

(2)激光跟蹤儀和全站儀聯(lián)機(jī)組成測量系統(tǒng)。

(3)測量B 基準(zhǔn)面和相關(guān)幾何要素，建立測量坐標(biāo)系。

(4)根據(jù)圖紙理論尺寸確定待測量橫向截面和豎向截面位置，如圖6A 標(biāo)注線和B 標(biāo)注線尺寸。

(5)激光跟蹤儀測量內(nèi)壁，在相應(yīng)橫向截面理論測量位置采用逼近的方法密集采點得到實際測量坐標(biāo)值。

所有界面壁厚都以泵殼中心為中心，向外輻射射線與泵殼內(nèi)、外壁相交于兩點，兩點間距離就是泵殼厚度。按照測量步驟，以B 基準(zhǔn)及其相關(guān)幾何要素建立坐標(biāo)系，按照圖6A 標(biāo)注線和B 標(biāo)注線給出的通過圖紙理論計算所得某一壁厚內(nèi)、外軸向距B 基準(zhǔn)的距離生成射線與泵殼內(nèi)外壁交點坐標(biāo)值，計算壁厚，得出壁厚實際結(jié)果。

圖6 激光跟蹤儀測量示意圖Figure 6 Schematic sketch of laser tracker measurement

具體數(shù)據(jù)處理舉例如下:

假設(shè)要求圖6 最上面壁厚t，按照激光跟蹤儀讀出A1和B1與壁厚t 內(nèi)、外壁交點坐標(biāo)值分別為(a1，b1)和(a2，b2)，t2=(a2－a1)2+(b2－b1)2，則計算出t。同理可以計算出其它壁厚。

實際測量與理論值之間有一定的差距，同時由于測量操作者之間的配合和其它物理原因使測量結(jié)果與實際尺寸會有一定的偏差。因此在測量過程中，要求將測量點Ai(x，y，z)的x 和y 坐標(biāo)值的誤差控制在0.1 mm 以內(nèi)，選取最佳測量點與坐標(biāo)原點進(jìn)行擬合，求解對應(yīng)點坐標(biāo)值Bi(x，y，z)與相應(yīng)直線的距離應(yīng)控制在0.1 mm 以內(nèi)。

4 結(jié)束語

激光跟蹤儀是目前世界上最先進(jìn)的光學(xué)測量儀器之一，因其具有精度高、測量范圍大等特點，除了被應(yīng)用于測量鑄造不銹鋼泵殼等不規(guī)則壁厚外也被廣泛應(yīng)用于航空、航天等領(lǐng)域。