水室封头的尺寸检测

芦中良

(中国第一重型机械股份公司重型装备事业部，黑龙江 161042)

蒸汽发生器是核电站核岛中一、二回路的接口，通过它将一回路中核反应产生的热量传递给二回路的水，使其变为高温高压水蒸汽，再经汽水分离器干燥后驱动汽轮机、发电机进行做功。蒸汽发生器在进行热交换的同时还起着阻止一回路放射性物质进入二回路的作用。水室封头是蒸汽发生器的关键部件。水室封头属于大型复杂锻件，制造周期长，难度大。文章就水室封头的尺寸检测进行了探讨。

1 水室封头的工艺难点

水室封头结构是一种带有多个接管的典型的容器结构，对安全性的要求非常高。由于封头接管较多，开孔较大，加大了开孔边缘的应力集中，从而削弱了封头结构的强度。应力集中不仅与开孔有关，还与该部位的变形协调有很大关系。对于大尺寸封头的开孔接管，由于变形协调所造成的边缘应力衰减范围就更宽了。在接管与封头相贯区域将出现两个高应力区(见图1):内侧高应力区:在相贯区内侧与结构对称面的交点呈现最大应力，此应力点是水室封头最高应力的集中所在;外侧高应力区:与相贯区内侧相对应，在接管与封头相贯线外侧也存在着一个高应力区，外侧最大应力点是内侧最大应力点沿接管壁厚的对应点。

图1 水室封头高应力区Figure 1 High stress zone of water chamber head

水室封头结构特殊，针对其高应力区无论是从设计、制造还是检验，都提出了更高的要求。尺寸检验，作为锻件完工前的最后一道质量保障，其作用就显得尤为重要。通过对锻件尺寸精确的测量，可以直观的反映出锻件是否符合设计规范要求，是否具备安全使用的条件。一套简单、科学、合理有效的尺寸检验方法，既能保证产品的质量，又能消除分歧，提高产品的尺寸检验速度与精度。

2 水室封头的尺寸检验

根据数据检验的不同手段，水室封头的尺寸检验主要分为两大部分:1)常规数据测量;2)样板检测。

2.1 常规数据测量

常规数据测量是指利用内径千分尺、外径千分尺、游标卡尺、深度千分尺、万能角度尺、百分表、三坐标测量臂等计量工具直接测量出具体的数据或通过简单的理论计算得出数据，将得出的数据与图纸要求相比较，即可直接判断这些尺寸是否合格(见图2、图3)。

常规数据测量具有简单直观的特点，实际检测得出的数据客观准确，各方都能接受，对测量的数据和结论的判定很少产生分歧，简单易操作。在实际操作过程中，主要注意以下几个方面:

(1)所用的测量工具必须经检定合格并在有效合格期内。

(2)所用的测量工具必须能够满足量程和精度的要求。

(3)所用的测量工具要和工件放置在相同温度下恒温一定时间。

(4)进行的测量尽量简单直接，避免误差的多次累加。

图2 水室封头常规数据测量示例1Figure 2 Normal measurement of water chamber head sample 1

图3 水室封头常规数据测量示例2Figure 3 Normal measurement of water chamber head sample 2

2.2 样板检测

样板检测是大型复杂结构锻件尺寸检测中常用的方法。由于此类锻件的形状不规则，很多重要的尺寸都无法直接依靠常规测量工具进行准确测量，这时我们就需要借助样板进行间接的对比测量，根据计量样板与工件部位的吻合程度来判定工件尺寸合格与否。在使用样板进行测量时，要注意以下几个方面:

(1)样板必须设计合理，尺寸明确。

(2)样板需经检査合格后方可使用。已变形、腐蚀和磨损的样板不能使用。

(3)样板使用前要擦干净，使用时要轻拿轻放，以免过早磨损或失去精度。

(4)测量时，样板的温度应与被测工件的温度基本接近，以免产生误差。

(5)样板用后要擦干净，涂上防锈油，妥善保管。

在水室封头的尺寸检测过程中，一些部位(见图4)由于其特殊性而无法进行直接测量，此时就必须借助于样板比对来进行判定。

图4 需用样板测量的水室封头典型部位Figure 4 Typical position of water chamber head needed to be measured by template

2.3 高应力区的尺寸检测

某锻件制造厂生产一水室封头，采用数控机床进行加工，相关加工工艺参数如下:内球面和接管嘴圆柱面的相贯处为R300 mm(图纸要求为，内球面半径为R1 667 mm(图纸要求为mm)，接管嘴圆柱面直径为∅804 mm(图纸要求为mm)。工艺部门为了验证数控加工的结果是否合格，设计了一个整体样板(见图5)对此部位进行测量。测量结果显示，当样板和工件进行轮廓贴合时，在R300 mm 处出现7.9 mm 的缝隙，判定结论为合格。

R300 mm 处是内球面和接管嘴圆柱面的相贯面，即半径为R1 667 mm 的内球面与半径为R402 mm 的管嘴内壁柱面相贯而成的。设计整体样板的目的在于一次性完成对接管嘴内壁与R300 mm 过渡区、R300 mm 处、R300 mm 与内球面的过渡区三个要素的测量。使用样板检测时，R300 mm 处出现7.9 mm 的缝隙，各方对样板的设计、使用和结果判定标准问题产生了严重分歧:

图5 整体样板Figure 5 The complete template

(1)用整体样板进行检测，必须同时受到三个要素的限制，R300 mm 处出现较大的缝隙，是否客观反映了工件的真实状况，样板的设计是否合理?

(2)如果在检测过程中样板和工件的贴合出现缝隙，那么验收标准是什么，即出现多大的缝隙工件才算合格?

通过分析，我们发现利用1 个整体样板对R300 mm 处的三个测量要素进行一次性测量，确实存在不合理之处。水室封头的构造比较复杂，故其精加工的工序也较为复杂。就内球面和管嘴内壁的R300 mm 处的加工来说，首先通过镗床的定位找准球心后用立车加工内球面，其次通过镗床定位管嘴的位置，然后再利用变位器加工管嘴的内壁及内壁和内球面的相贯球面R300 mm 处。根据这个加工顺序，理论上此R300 mm 处是通过相贯内球面与管嘴内柱面而得到的。然而在实际加工过程中，考虑到工序衔接、机床精度以及人为等因素，水室封头的内球面和接管嘴内壁柱形面的相贯面并不一定完全与理论模拟相吻合，势必造成两个过渡区存在一定的不光滑过渡。考虑到水室封头在整个核反应堆内的重要性，必须避免因各种因素导致的应力集中问题，故需通过打磨工艺，使其尽量达到平滑过渡。欲对此处进行全面客观的检测，必须满足以下五个方面的要求:

(4)内球面与相贯面满足圆滑过渡;

(5)接管嘴内壁与相贯面满足圆滑过渡。

其中前两个条件通过常规方法测量即可判断是否满足要求，而后三个条件则需要设计出合理的样板来进行综合评价。为此，我们需要设计三个样板进行联合验证。

样板1(见图6):用来检测相贯面的半径是否满足要求。考虑到相贯面机加工过程中的机械误差及理论要求数值，用此样板进行测量时允许存在的最大间隙为4.12 mm(见图7)。

图6 样板1Figure 6 Template 1

图7 误差间隙Figure 7 Error clearance

图8 样板2Figure 8 Template 2

图9 样板3Figure 9 Template 3

样板2(见图8):用来检测内球面与相贯面是否平滑过渡。此样板按内球面半径R1 667 mm 制造，内球面半径要求值为mm，所以用此样板检测时，此处允许存在的最大间隙为3 mm。样板3(见图9):用来检测接管嘴内壁与相贯面是否平滑过渡。此样板按∅804.5 mm 加工，而接管嘴内孔要求尺寸为∅804+20 mm，故用此样板进行检测时，此处允许存在的最大间隙为0.75 mm。

通过这三个样板的综合使用，使R300 mm 处的测量更加全面，更加合理，有效地消除了各方对于检测方法及判定标准的分歧，既保证了产品质量，又为水室封头的快速检测创造了条件。

3 结束语

水室封头结构特殊，进行尺寸检测时，应综合使用常规数据测量和样板检测两种方法，才能确保尺寸检测的准确性。