核電機組研制
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摘要從理論上對百萬千瓦級核電外機座測試系統的研制、測試方法的選擇、測量原理、精度分析等進行全面的論述，并對該測試系統的應用效果進行客觀的總結。
關鍵詞汽輪發電機；核電機組；外機座；測試系統；準直望遠鏡；同軸度
1引言
百萬千瓦級核電機組是東方電機股份有限公司(以下簡稱東電公司)與法國阿爾斯通公司合作生產的，機組將安裝在廣東嶺澳核電站。東電公司承擔了部分大型零部件的裝焊與加工任務，“外機座”就是其中難度最大的任務之一。
百萬千瓦級核電外機座是核電機組的關鍵部件，體積龐大，噸位重，在裝焊和加工過程中對機械加工設備及檢測方法都有較為特殊的要求。東電公司為了確保核電機組外機座的加工質量，花巨資對W250HC鏜床進行了數控改造。改造后的加工設備雖然基本滿足了外機座加工的需要，但仍然缺乏重型回轉工作臺，客觀上造成了外機座無法調頭加工。因此，一系列急待解決的問題就這樣提出來了。如外機座裝焊加工時，如何確定工件的軸線；多環裝焊、多段組焊時，如何保證各環的同軸度；調頭分段加工時需2次裝卡、翻身，怎樣確定工件的軸線并保證其同軸度符合要求；彈簧板座裝配、基板裝配時，怎樣確保6塊板同軸；總裝時怎樣找出機組的中心線等等。這些都是困擾核電外機座生產的最關鍵的問題，也是本課題所要解決的問題。
由東電公司計測處、工藝處和重金工分廠等單位工程技術人員共同努力，研制成功了百萬千瓦級核電機組外機座中心測試系統，用于核電外機座的裝焊加工等生產實際之中，取得了顯著的效果。
2核電外機座基本結構及測試要求
核電外機座總長11020mm，最大寬度6300mm，最大高度5390mm，外徑5120mm，內徑4000mm，重約160t，由15道環板分4段精心裝焊而成，結構復雜，制造過程中需要一些特殊的測量，以確保其加工質量。
(1)外機座分4段裝焊而成，各段分別裝焊時，各環板的同軸度可以通過中心柱準確測量。但段與段之間組合時，則需要用特殊的方法找同心，因為4段安裝時總高度達12000mm左右。
(2)外機座裝焊后，在W250HC鏜床上加工兩端面和端板內圓等部位。由于該鏜床無回轉工作臺(阿爾斯通公司使用回轉工作臺)，外機座只能分步調頭加工，即一端加工完后，將外機座吊轉180°再加工另一端。這對11000mm長的工件來說，只有采用特殊的測量方法找正，才能確保兩端的同軸度。
(3)外機座端面加工直徑4400mm，內孔3960mm，4塊彈簧板與2塊基板切向不均勻分布在外機座的內表面。加工時要確保這6塊長約7000mm的板與端面內圓同心(這是核電外機座關鍵尺寸之一)，就必須使用專門的測量方法找正。
(4)機組總裝時，原有的找中心方法已無法滿足外機座、內定子、端蓋、軸承和轉子等大型部件找同心的需要，必須研究新的找中心測量方法。
3測試方案的選擇
據有關資料顯示，確保核電機組外機座這么大部件的位置測量精度，國內尚無較成熟的測量方法。若與科研院所合作開發研制，費用高(報價22萬元)，研制周期長，滿足不了東電公司核電外機座生產進度要求；若購置國外的激光準直儀，基本技術參數滿足不了核電外機座測量要求，而且費用更高(約15萬美元)。因此必須進行認真研究和可行性分析，尋求最佳的測試方案。
對于2(1)項裝焊時找同心問題，運用準確度較高的美制數顯卷尺等分圓周與拉鋼絲掛重錘相結合的測試方法，確定各環板裝焊時的位置精度，然后分段組合相互間定位，確保整體裝焊同軸符合圖紙要求。
對于2(2)、2(3)、2(4)項的問題，著眼于現有測量設備的功能，將測量微準直望遠鏡自準直系統與望遠系統有機結合起來，并對其配套設施進行更新改造，使小功能靈巧地轉換成大功能，增強了剛性，擴大了量程。與此同時，還將反射目標靶心精確定位在鏜床鏜桿軸線上，與測微準直望遠鏡自準直光軸合理匹配，組成一套具有東電公司特色的測試系統(如圖1所示)，比較準確地建立起與鏜床鏜桿軸線延長線相重合的基準線，滿足了加工工藝要求。
核電外機座測試系統主要由下列幾部分組成：
(1)測微準直望遠鏡；
(2)大目標(含反射大目標、可調反射大目標和透射大目標等)；
(3)安裝望遠鏡附件(含可調架、水平座、球體、球座、球夾等)；
(4)自準直光源(含法蘭盤、自準直光源及目標照明器等)；
(5)儀器支架(6個自由度可微調)；
(6)W250HC鏜床專用插頭式反射目標靶；
(7)分中找水平測量裝置；
(8)彈簧板找正測量裝置。
測試系統主要技術指標如下(單位：mm)：
讀數格值0.02
水平和垂直方向測
微器微調量±1.2
靶標適應范圍ø500～4000
測量距離18000
調焦不直線度
(在0～18000范圍內)0.05
整套裝置的測量不確定度＜0.5
在W250HC鏜床工作臺上，對外機座核心部分的基準軸線定位問題，則依據圖紙起始尺寸要求，專門設計了2套長3000mm，分度值為0.02mm，帶有分中找水平的投射目標瞄準裝置，直接安裝在外機座核心部分兩端的專用基板上，2個目標靶中心連線與基準軸線平行，可視為輔助基準線。應用這套測量裝置的另一個目的，是用于確定鏜頭中心空間點的位置。
用7∶24錐度專用插頭式反射目標靶與W250HC鏜床鏜頭自動定心，定中心反射面與鏜頭軸線不垂直度控制在20〃以內，其目的是用光學方法把鏜床軸線延伸出去，作為調整上述分中測量裝置兩目標靶中心連線的定位基準。
4測量原理與步驟
41測量原理
將測微準直望遠鏡自準直原理與望遠系統光學原理有機地結合起來，可對不同距離聚焦。這些聚焦點的連線可視為1條理想的基準直線，利用3點固定1條直線自由度的原理，分段接長，巧妙地將小功能轉換成大功能，實現鏜床鏜頭軸線與核電外機座兩端面孔中心連線相重合。
但由于受光能量損耗隨距離增長而增大的影響，透射目標靶最大可見距離為18000mm，而自準直反射目標靶最大可見距離小于6000mm，所以在實際使用過程中，先要利用自準直原理建立起垂直于鏜床鏜頭豎直平面基準線，然后再用透射目標靶接長，以滿足生產的需要。
4.2測量步驟
(1)將鏜床專用插頭式反射目標靶安裝在W250HC鏜床鏜桿上，開機轉動，觀察反射目標靶心在轉動中是1個固定點，還是形成1個小圓圈。若是小圓圈，則需要精心調整專用插冰式反射目標靶，直至轉動中靶心為1個固定點為止，然后調整鏜頭高度，使其與安裝在鏜床工作臺上的外機座中的兩透射目標靶的高度一致。
(2)在距離鏜頭約5000mm處，將測微準直望遠鏡對準反射目標靶心，利用測微準直望遠鏡自準直原理，建立與鏜桿軸線的延長線相復合的基準線。
(3)離反射目標靶心3000～4000mm處，在已建立的基準線上安裝2個透射目標靶，靶心都必須在已建立的基準線上。
(4)將測微準直望遠鏡移至離鏜桿反射目標靶16000mm處后，瞄準2個透射目標靶心和反射目標靶心。望遠鏡觀察到3個目標靶心在1條直線上，則表明測微準直望遠鏡光軸與已建立的基準線重合。
(5)將2個透射目標靶移至離鏜床13000～14000mm處，同樣用上述方法調整兩透射目標靶心在已建立的基準線上。其目的是檢查加工過程中外機座基準軸線是否發生了變化。
(6)調整安裝在鏜床工作臺上的外機座，使外機座內兩透射目標靶心連線與已建立的基準線重合。從望遠鏡中觀察5個目標靶心在1條直線上即為合格。
(7)用安裝在外機座兩側的2臺水準儀瞄準外機座上的水平定位目標刻線，此有助于外機座調頭后找水平和起到保持定位基準不變動的作用。
(8)取下反射目標靶，裝好鏜刀，升至圖紙標準的空間定位尺寸，進入加工狀態。
5精度分析
(1)由儀器說明書可查出，在18000mm范圍內，測微準直望遠鏡調焦誤差為0.05mm，即：
△1=0.05mm
(2)每個目標靶由多個同心圓組成，按制造廠標準規定，同心圓定中心的允許誤差為0.01mm。在建立基準線時，目標靶出現5次，所以目標靶定中心誤差為：
△2=5×0.01mm
＝0.05mm
(3)測試中須按不同的距離調整目標靶聚焦，每個目標靶都要調整到測微準直望遠鏡光靶視場內。因最小微調格值為0.02mm，所以測微準直望遠鏡光靶視場調整誤差為：
△3=5×0.02mm
＝0.10mm
(4)不同距離瞄準估讀一般不超過一個格值(0.02mm)，5個目標靶要瞄準5次，所以測微準直望遠鏡瞄準估讀誤差為：
△4=5×0.02mm
＝0.10mm
(5)由調焦不直線度可知，調整分中找水平2透射目標靶連線與建立的基準線不重合度必須小于0.05mm，即：
△5＝0.05mm
(6)分中找水平測量裝置本身重量和移動到中間點的測量裝置的重量引起的撓度，在實際操作過程中通過實測加以修正而消除，即：
△6＝0
(7)鏜床鏜頭通過帶有7∶24錐度的專用插頭式反射目標靶把鏜頭軸線延伸出去，目標靶定中心反射面的不垂直度(小于20〃)直接影響外機座兩端面加工垂直度，即產生誤差△7。如圖2所示，外機座兩端面加工孔徑為4000mm，延伸出去光軸距離鏜頭反射目標靶約16000mm，則由平面幾何關系得：
△7＝4000mm×tg20〃
＝0.39mm
(8)實際操作是在車間現場進行的，測量裝置與鏜床和工作至少等溫24h以上，所以溫度是一致的，溫度誤差的影響為零。即：
△8＝0
綜上所述，考慮到諸影響因素的隨機性，屬正態分布，用白塞爾公式計算整個測試系統的總誤差為：
即測試系統裝置的總誤差±0.424mm，小于被測工件誤差±1.5mm的1/3，滿足生產要求。
6結論
東電公司克服重重困難，攻下一道又一道難關，終于研制成功百萬千瓦級核電機組外機座測試系統，用于嶺燠核電外機座金加工中確定空間基本軸線及劃線位置和復核彈簧板座及內機座支承梁的裝焊尺寸、形位公差，使外機座加工質量達到了國內外同類產品的最好水平，為公司用光學測準直望遠鏡及其測量系統對超長件精確測量開創先例，在國內也屬首創。實踐證明這套測試系統裝置原理正確，測試方法合理，經濟、實用。該課題創新部分有如下幾項：
(1)將普通的測微自準直望遠鏡自準直原理巧妙地與望遠鏡系統光學原理結合起來，取得了將小功能轉換成大功能的預期效果。
(2)利用平面幾何2點連1條直線和3點固定1條直線的原理，實現了超長件多圓內孔中心同軸。
(3)利用錐度反射目標靶與鏜床鏜頭合理匹配自動定中心的方法，實現了鏜頭軸線與超長件兩端面孔中心連線重合。
(4)設計出專用分中測量裝置，建立與超長件兩端面孔中心連線平行的輔助基準線，較準。
