傳熱管檢查裝置現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)分析

高厚秀　吳朋　韓捷　吳東棟　辛露

【摘 要】傳熱管作為蒸汽發(fā)生器之中的核心部件，它的正常工作對(duì)核電站的運(yùn)行起到非常重要的作用，傳熱管在長期的運(yùn)行中會(huì)有腐蝕、減薄、耗損各種不利因素出現(xiàn)，在這種情況下，傳熱管檢查裝置應(yīng)運(yùn)而生。傳熱管檢查裝置的關(guān)鍵在于如何將裝置固定在蒸汽發(fā)生器上，帶動(dòng)檢查工具進(jìn)行路徑規(guī)劃運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)管板上傳熱管的100%的全檢。文中對(duì)國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)和核電企業(yè)開發(fā)的傳熱管檢查裝置的技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行了歸納，對(duì)主要功能進(jìn)行了介紹，并對(duì)各方面性能進(jìn)行對(duì)比分析，同時(shí)，對(duì)傳熱管檢查技術(shù)和裝置的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了預(yù)測和分析。

【關(guān)鍵詞】傳熱管;檢查裝置;現(xiàn)狀;發(fā)展趨勢(shì)

中圖分類號(hào)： TH878 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）19-0015-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.19.006

0 引言

近半世紀(jì)以來，核電技術(shù)快速發(fā)展，對(duì)于核電的安全性能也在不斷提高，蒸汽發(fā)生器在核島內(nèi)部占有重要的地位，屬于關(guān)鍵設(shè)備，蒸汽發(fā)生器傳熱管工作過程中要求不允許出現(xiàn)疲勞、腐蝕、減薄等不利情況。[1]為了預(yù)防以上現(xiàn)象的發(fā)生，必須做到定期檢查。傳熱管檢查裝置就是用來做此項(xiàng)工作，其基本原理是在蒸發(fā)器的內(nèi)部找到檢查裝置的固定支點(diǎn)，運(yùn)載渦流檢查探頭到達(dá)待檢傳熱管管口，再將探頭送進(jìn)傳熱管通過渦流信號(hào)來分析判斷傳熱管是否有損壞，從而完成傳熱管檢查作業(yè)。在核電站大修周期內(nèi)，由于傳熱管數(shù)量多，完成全部檢查時(shí)間跨度大，而且蒸汽發(fā)生器水室屬于高輻射區(qū)域，所以傳熱管檢查裝置的設(shè)計(jì)和研發(fā)要以提高檢查速度和減小檢查人員受輻射劑量為根本目標(biāo)。[2]

1 立柱式檢查裝置

立柱式檢修裝置是一種遠(yuǎn)程控制的傳熱管檢查裝置，如圖1所示，當(dāng)該裝置進(jìn)入水室之前，伸縮氣缸縮回，使得檢修裝置呈現(xiàn)折疊狀態(tài)，檢修裝置進(jìn)入水室的時(shí)候首先固定立柱下端的支撐座，然后安裝一個(gè)垂直于管板的立柱，該立柱是一個(gè)可轉(zhuǎn)動(dòng)的圓形桿，安裝在水室內(nèi)隔板附近的中心位置，立柱的上端有一個(gè)卡爪裝置，卡爪上面有一個(gè)彈性套筒，通過彈性套筒可以將卡爪與傳熱管固定住，立柱的下端安裝在支撐座上。然后伸縮氣缸伸開，使得滑軌與管板平行。探頭檢查工具固定在滑軌的滑塊上，探頭檢查工具上安裝有攝像頭，觀察探頭進(jìn)出情況。在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下，滑軌還可以圍繞立柱做圓周運(yùn)動(dòng)，當(dāng)滑軌運(yùn)動(dòng)到指定位置的時(shí)候，滑軌上面的探頭檢查工具也在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行移動(dòng)，將探頭送到指定的位置，然后將探頭插入傳熱管執(zhí)行檢查任務(wù)。

2 機(jī)械臂式檢查裝置

機(jī)械臂檢查裝置一般基于蒸汽發(fā)生器人孔法蘭面安裝，該型定位裝置一般都采用模塊化設(shè)計(jì)，主要由安裝座、大臂、連接臂、小臂和工具端等部件組成，具有自由度3至6個(gè)不等。安裝時(shí)首先將安裝座與蒸汽發(fā)生器人孔法蘭端面固定，機(jī)械臂各模塊折疊收縮沿人孔軸線方向進(jìn)入水室;接著機(jī)械臂可在蒸汽發(fā)生器水室內(nèi)展開，然后由計(jì)算機(jī)控制精確定位，將探頭運(yùn)載到需要檢查的傳熱管管口。這類裝置一般運(yùn)用到高負(fù)載比機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)、笛卡爾空間軌跡規(guī)劃技術(shù)、機(jī)器人關(guān)節(jié)精度控制技術(shù)、機(jī)器人空間運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù)等來實(shí)現(xiàn)蒸汽發(fā)生器傳熱管檢查。ZETEC公司的SM系列機(jī)器人（如圖2），西屋ROSA-III（如圖3），F(xiàn)ramatome公司ROGER，德國Hans Walischmile公司的TELBOT都屬于這一類型。[3]

3 管板式檢查裝置

立柱式和機(jī)械臂式檢查裝置的不足在于通用性差，一般只能用于一種規(guī)格的蒸汽發(fā)生器檢查;其次設(shè)備很重，安裝困難，操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度大、工業(yè)安全及定位準(zhǔn)確性難以得到有效保證。而管板式檢查裝置則有效解決了以上問題。大部分管板式檢查裝置共同的特點(diǎn)是將卡爪向上插入管孔，卡爪在管內(nèi)脹緊固定，將整個(gè)裝置倒懸于管板上（圖4-圖6所示），運(yùn)用機(jī)器人路徑規(guī)劃，移動(dòng)裝置將前端的探頭導(dǎo)向管精確定位于被檢傳熱管管口正下方。由探頭推拔器將探頭送入傳熱管進(jìn)行渦流信號(hào)的采集，信號(hào)采集完畢后，渦流采集系統(tǒng)向定位裝置控制系統(tǒng)發(fā)出采集結(jié)束的命令，定位裝置將按照檢查計(jì)劃運(yùn)動(dòng)到下一個(gè)待檢傳熱管孔處，如此循環(huán)往復(fù)運(yùn)行，直至檢查工作完成。通過更換少量模塊、軟件模型及配置參數(shù)，系統(tǒng)可完成多種類型的蒸發(fā)器的無損檢測工作。西屋公司的Pegasys、美國捷特公司ZR-100、克羅地亞INETEC公司TSR都屬于管板式檢修裝置。[4]

韓國水力原子力株式會(huì)社也開發(fā)了一款管板式檢修裝置，但其是一種手指狀?yuàn)A持檢測機(jī)器人。這種檢測機(jī)器人包括前后移動(dòng)模塊，左右移動(dòng)模塊以及檢測裝置等模塊;檢測裝置模塊安裝在前后移動(dòng)模塊上。夾持模塊包括多個(gè)手指狀?yuàn)A持構(gòu)件，通過其垂直插入熱管中，利用這種仿生式結(jié)構(gòu)手指可實(shí)現(xiàn)收攏夾持，從而可靠的將設(shè)備固定在管板上，隨著夾持模塊前后移動(dòng)，左右移動(dòng)以及轉(zhuǎn)動(dòng)，檢測機(jī)器人可優(yōu)化檢測路徑，減少檢測時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)傳熱管檢查作業(yè)，如圖7所示。

日本日立公司的足式檢測機(jī)器人由一個(gè)基座，外加四個(gè)具有旋轉(zhuǎn)，伸縮功能的可獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的足部組成。足部主要通過4個(gè)卡爪的協(xié)同動(dòng)作，使探頭導(dǎo)管定位到待檢的傳熱管下。如圖8所示。這種檢查裝置最大的優(yōu)勢(shì)就是不更換模塊即可可適應(yīng)不同管間距的蒸發(fā)器型號(hào)的檢查，只需在傳熱管管徑不一樣時(shí)更換一下不同直徑的卡爪即可。

4 發(fā)展趨勢(shì)分析

國外傳熱管檢查裝置技術(shù)研究起步早，技術(shù)成熟。目前國外已從機(jī)械臂式向管板式裝置過渡，ZETEC等公司都已開發(fā)出了不同的管板式裝置，這種類型的檢查裝置高度集成化，控制系統(tǒng)不同程度的嵌入在結(jié)構(gòu)中，并已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化并應(yīng)用于現(xiàn)場。[5]國內(nèi)還沒有完全自主研制的傳熱管檢查裝置。我國承擔(dān)民用核設(shè)施在役檢查的單位主要為核動(dòng)力運(yùn)行研究所和中廣核檢測技術(shù)有限公司。國內(nèi)檢查裝置的發(fā)展初期，一般采用機(jī)械臂式，但機(jī)械臂重量比較重，需要多人操作。核動(dòng)力運(yùn)行研究所早期引進(jìn)了美國ZETEC公司的渦流檢查設(shè)備及SM系列定位機(jī)械手，積累了較為豐富的蒸汽發(fā)生器傳熱管定位的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，近年來，又通過引進(jìn)美國西屋公司的Pegasys定位機(jī)器人技術(shù)，國產(chǎn)化了定位檢查機(jī)器人。國內(nèi)目前的主流傳熱管檢測裝置一般由控制計(jì)算機(jī)、島外控制箱、島內(nèi)控制箱以及機(jī)器人本體構(gòu)成，采用島外控制箱和島內(nèi)控制箱設(shè)計(jì)，依靠中間電纜和通訊電纜連接，使系統(tǒng)便于管理和使用，如圖9所示。

隨著AP1000等技術(shù)引進(jìn)國內(nèi)并實(shí)現(xiàn)運(yùn)營，國內(nèi)外核電技術(shù)進(jìn)一步交流，相應(yīng)的傳熱管檢查技術(shù)和裝置結(jié)構(gòu)也在不斷改進(jìn)和優(yōu)化，未來將主要在多卡爪、多自由度的小型機(jī)器人方向上進(jìn)行研究，自動(dòng)化程度將會(huì)進(jìn)一步提高，只需一個(gè)人即可實(shí)現(xiàn)安裝、控制和拆卸等操作，在核島外即可觀察檢查裝置的狀態(tài)。除此以外，其他領(lǐng)域的機(jī)器人未來也可應(yīng)用于核電蒸汽發(fā)生器檢查。[6]

第一種是蛇形機(jī)器人，其設(shè)計(jì)思路來源于特斯拉的充電裝置。該充電裝置可以根據(jù)汽車的實(shí)際停車位置尋找充電接口，從而自動(dòng)定位到該位置進(jìn)行充電，此理論可以用來定位待檢傳熱管。比如挪威也研發(fā)過蛇形水下機(jī)器人Eelume，可進(jìn)行水下設(shè)備的檢查，維修。

第二種是蠕蟲式機(jī)器人，其機(jī)構(gòu)細(xì)小，自帶渦流探頭和信號(hào)存儲(chǔ)功能。可在傳熱管中通過蠕動(dòng)等方式進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。其在傳熱管中通過之后將信號(hào)存儲(chǔ)下來，在一個(gè)專用的信號(hào)提取平臺(tái)上講信號(hào)導(dǎo)入分析軟件。由于其體積小，可以數(shù)十個(gè)或者上百個(gè)蟲式機(jī)器人同時(shí)進(jìn)行檢查，效率會(huì)極大提高。此方案最大難點(diǎn)在于單獨(dú)運(yùn)動(dòng)的蟲式機(jī)器人供電問題是個(gè)難點(diǎn)。

第三種是壁虎仿生機(jī)器人，范德華力是中性分子彼此距離非常近時(shí)產(chǎn)生的一種微弱電磁引力。壁虎爬行的原理就是利用這種范德華力?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)如果壁虎腳上650萬根細(xì)毛全部附著在物體表面上時(shí)，可吸附住質(zhì)量為13千克的物體。壁虎實(shí)際上只使用一個(gè)腳，就能夠支持整個(gè)身體。從壁虎腳大附著力得到啟示，這種技術(shù)可用于檢查裝置在管板上的固定。國內(nèi)目前有南京航天航空大學(xué)、中科院等單位在進(jìn)行相關(guān)的仿生研究，腳掌材料采用聚氨醋硅橡膠材料，其單位面積粘著最大力可達(dá)到8mN每平方毫米，但是實(shí)際情況腳掌不可能完全理想的貼合在壁面上，所以實(shí)際產(chǎn)生的吸附力略小一些。用直徑為25mm大小的腳掌進(jìn)行實(shí)驗(yàn)證明，此時(shí)四個(gè)腳掌貼壁能產(chǎn)生的最大理想吸附力為15.7N。因此，增加一定數(shù)量腳掌或者增大腳掌面積，即可達(dá)到傳熱管檢修機(jī)器人的負(fù)載要求。

5 結(jié)論

在眾多在役檢查技術(shù)中，傳熱管檢查技術(shù)是核電無損檢測的關(guān)鍵技術(shù)，傳熱管檢查裝置主要以人員操作方便，避免受到更多的輻射劑量為研發(fā)目標(biāo)，結(jié)合國內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)研制的傳熱管檢查裝置，以及對(duì)相關(guān)技術(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，從安裝方式、運(yùn)動(dòng)方式和卡爪固定方式等方面對(duì)當(dāng)前傳熱管檢查裝置的現(xiàn)狀做了闡述，并從提高檢查裝置的靈活性和多樣性的角度，對(duì)未來該領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)提出構(gòu)想。

【參考文獻(xiàn)】

[1]彭俊，俞軍.世界核電現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)簡介.核安全.2007，28（4）：56-58.

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[3]丁訓(xùn)慎.蒸汽發(fā)生器的維修技術(shù)與工具.核電工程與技術(shù).2004，Z（3）：23-27.

[4]吳根華，閻建芳，許遵言.核電站蒸汽發(fā)生器的無損檢測.無損檢測.2005，27（10）：547-550.

[5]楊寶初.我國核蒸汽發(fā)生器傳熱管在役檢測現(xiàn)狀.無損檢測.2000，22（5）：215-218.

[6]張學(xué)榮，霍利，孫銳.核電站蒸汽發(fā)生器及其質(zhì)量監(jiān)督.電力建設(shè)，2007，28（8）：53-55.