核電廠堆芯圍板螺栓在役檢查系統(tǒng)設(shè)計

許俊龍，汪 濤，馬官兵，王韋強

(中廣核檢測技術(shù)有限公司，江蘇 蘇州 215021)

第二代壓水堆核電站主要采用裝配式的圍板結(jié)構(gòu)，其堆芯外側(cè)安裝有圍板組件，圍板與吊籃之間安裝有輻板，以保證圍板的準(zhǔn)直并提供結(jié)構(gòu)剛度。圍板與圍板之間以及圍板與輻板之間采用螺栓進(jìn)行連接，均稱之為圍板螺栓。圍板及圍板螺栓的結(jié)構(gòu)完整性對于保證堆芯的安全穩(wěn)定運行具有重要意義。

以M310機組為例，其圍板組件包括44塊圍板和64塊幅板，共有圍板螺栓960個，圍板組件全長約4 m，輻板在長度方向上分8層，每層間距約520 mm[1]。圍板螺栓外部結(jié)構(gòu)如圖1所示，端部為外六角結(jié)構(gòu)，沿對角線開有止動槽，螺栓安裝后焊接防松條，可以有效地防止運行過程中螺栓的松動。

圖1 圍板組件及圍板螺栓結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of baffle assembly and baffle bolt

堆芯圍板螺栓的材質(zhì)是奧氏體不銹鋼，安裝后內(nèi)部會存在一定拉應(yīng)力，長期處于弱硼酸和強中子輻照的影響，易產(chǎn)生輻照促進(jìn)應(yīng)力腐蝕裂紋，在振動條件下，裂紋會不斷增長，嚴(yán)重時甚至引起螺栓斷裂，影響堆芯的安全穩(wěn)定運行，比利時在1991年至2010年間對Tihange核電站1號機組進(jìn)行了5次圍板螺栓超聲檢查，在1995年的檢查中有37根圍板螺栓被認(rèn)定存在裂紋，有53根螺栓的檢查結(jié)果難以確認(rèn)，這90根螺栓在1995年就被全部替換[2]。國際上能夠進(jìn)行圍板螺栓在役檢查的裝置主要有法國AREVA公司的MAST System和SUSI 420，美國西屋公司的SUPRREM-ROSA V，西班牙的TECNATOM的ROBBIN等。MAST System和SUPRREM-ROSA V以堆內(nèi)構(gòu)件或其他固定結(jié)構(gòu)為支撐點，利用其末端執(zhí)行器攜帶相關(guān)探頭完成相應(yīng)的檢查工作，其安裝及拆除過程復(fù)雜，需要占用核島內(nèi)的環(huán)吊資源。SUSI 420和ROBBIN是多用途的核電水下機器人，需要執(zhí)行水下檢查、監(jiān)視、維修等操作。其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性及現(xiàn)場可維修性差。本文基于以上研究現(xiàn)狀，設(shè)計一種可靠性高、經(jīng)濟性好的圍板螺栓在役檢查系統(tǒng)，具有較高的應(yīng)用推廣價值。

1 在役檢查法規(guī)要求

現(xiàn)行的在役檢查法規(guī)對堆芯檢查的規(guī)定均比較籠統(tǒng)，HAD103—07—1988《核電廠在役檢查》僅規(guī)定了堆芯支承結(jié)構(gòu)的內(nèi)部連接件和堆芯支承結(jié)構(gòu)件的可達(dá)區(qū)域應(yīng)進(jìn)行目視檢查，但并未規(guī)定具體的檢查部位，ASME(2004版)規(guī)范也只要求對可拆除的堆芯支承結(jié)構(gòu)件進(jìn)行目視檢查(VT-3)，對具體檢查部位也未作規(guī)定。國際原子能機構(gòu)(IAEA)于2007年6月發(fā)布文件IAEA—TECDOC—1557[3]，該文件從老化管理的角度為壓水堆核電站堆內(nèi)構(gòu)件的檢查提供了相關(guān)指引和參考信息，同時介紹了法國、德國、日本、俄羅斯、美國等國家的檢查和監(jiān)測情況。在堆芯檢查技術(shù)方面，國際上主要采用目視檢查方法，用于發(fā)現(xiàn)變形、裂紋、松脫、部件丟失、磨損和腐蝕等。對圍輻板螺栓需要進(jìn)行超聲檢查以便探測目視檢查無法接近或無法發(fā)現(xiàn)的缺陷。美國電力研究院(EPRI)于2008年首次發(fā)布文件MRP—227[4]，并于2015年更新了版本，該報告從老化管理的角度為壓水堆核電站堆內(nèi)構(gòu)件的檢查提供了相關(guān)指引。在檢查技術(shù)方面提出了采用目視檢查(VT-1或VT-3)或增強型目視檢查方法(EVT-1)，針對圍輻板螺栓等部件提出了超聲檢查的要求。

圍板螺栓的失效更接近于加速老化的情形，參考上述法規(guī)和指引，本文采用間接目視技術(shù)檢測防松條焊縫的裂紋、腐蝕、變形等，采用超聲技術(shù)檢查圍板螺栓內(nèi)部裂紋。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

反應(yīng)堆換料大修時，圍板組件放置于充滿去離子水的池內(nèi)以屏蔽可能的輻射。圍板螺栓的在役檢查由岸上人員遠(yuǎn)程操縱水下設(shè)備完成信號的采集，其系統(tǒng)如圖2所示，包括水下機器人、岸上控制系統(tǒng)、無損檢測單元和臍帶線等。

圖2 圍板螺栓在役檢查系統(tǒng)示意圖Fig.2 System of baffle bolt in-service inspection

水下機器人是檢測系統(tǒng)的搭載平臺，放置于圍板測，安裝有超聲探頭、視頻檢查攝像頭、監(jiān)視攝像頭、照明組件等。岸上控制系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的核心，一方面對水下機器人發(fā)送控制指令，另一方面接受水下機器人所采集的視頻信號、超聲信號和傳感器信號，信號的處理和存儲也由岸上控制系統(tǒng)完成。無損檢測單元主要用以保證視頻及超聲信號的采集和數(shù)據(jù)分析。臍帶電纜線是水下機器人和岸上控制系統(tǒng)之間進(jìn)行信號傳遞和電力供應(yīng)的線纜。為了減少對水下機器人的擾動，該電纜采用特殊的結(jié)構(gòu)形式，保證線纜入水時的浮力近似于線纜自重。

3 本體及控制系統(tǒng)

3.1 水下機器人本體

水下機器人本體采用了開架式的結(jié)構(gòu)形式，各功能模塊可以認(rèn)為是單獨的模塊化組件，提高了功能配置的靈活性，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 水下機器人的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure of Underwater robot1—耐輻照攝像頭；2—照明單元；3—臍帶線；4—浮力艙；5—推進(jìn)器；6—水下控制單元

浮力艙安裝在水下機器人的上部，可以有效提高浮心的位置，從而保證機器人的姿態(tài)穩(wěn)定性?？紤]可去污性和承壓能力，浮力艙選用全金屬殼體結(jié)構(gòu)，設(shè)計完成后必須對其最大壓力進(jìn)行校核。

3.2 推進(jìn)器布置

水下機器人推進(jìn)器的布置需要綜合考慮水下機器人的運動要求，根據(jù)推進(jìn)力的作用平面可以分為水平運動推進(jìn)器和垂直運動推進(jìn)器。本文所用的水下機器人配置4個螺旋槳推進(jìn)器，其中2個水平交叉布置，2個垂直交叉布置，如圖4所示，改變推進(jìn)器的運動形式可以實現(xiàn)水下機器人下潛、上浮、前進(jìn)、后退、左右轉(zhuǎn)向和側(cè)移運動。

圖4 推進(jìn)器的布置圖Fig.4 Layout of thrusters

3.3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)是本套系統(tǒng)的核心，決定著設(shè)備的主要運動性能，圍板螺栓在役檢查裝置的控制系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.5 Schematic of control system

水下控制單元采用嵌入式架構(gòu)設(shè)計和實現(xiàn)。水下運動時，實時采集水下機器人的航姿信息(如深度、姿態(tài)等信息)，通過閉環(huán)模糊PID控制算法驅(qū)動推進(jìn)器的運動。水下控制單元內(nèi)安裝有濕度傳感器，用于實時監(jiān)測艙體內(nèi)的濕度，以確?？刂葡到y(tǒng)水下工作的安全。

岸上控制系統(tǒng)的主要設(shè)備有上位機、控制箱、手持控制器和顯示器。通過臍帶線和水下控制單元進(jìn)行連接。岸上操作人員通過手持控制器發(fā)出控制指令，該指令經(jīng)過分解傳送到水下控制單元進(jìn)行解析，然后控制推進(jìn)器等執(zhí)行機構(gòu)完成動作。與此同時，水下控制單元收集各類傳感器、攝像機、超聲探頭信號，通過臍帶線實時傳遞到岸上控制系統(tǒng)，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，指導(dǎo)操作人員操作。系統(tǒng)樣機及控制系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 樣機及控制系統(tǒng)Fig.6 Picture of the robot and control system

4 無損檢測系統(tǒng)

為了對圍板螺栓的外觀及內(nèi)部狀況進(jìn)行評估，在役狀態(tài)下采用了VT檢查和UT檢查。VT檢查采用耐輻照攝像機，首先對整個圍板內(nèi)表面(含圍板螺栓)進(jìn)行視頻掃查，檢查前及檢查結(jié)束后需要利用靈敏度標(biāo)定卡對設(shè)備進(jìn)行靈敏度標(biāo)定。圍板螺栓超聲檢查的主要目標(biāo)是檢出裂紋這類平面型缺陷，當(dāng)前行業(yè)對圍板螺栓超聲檢查的記錄和驗收標(biāo)準(zhǔn)主要基于在役核電站的檢查經(jīng)驗反饋，美國EPRI發(fā)布的MRP—227導(dǎo)則要求超聲檢測能夠檢出30%橫截面積的平面型缺陷[4]，裂紋缺陷位置主要在b處和e處，以及c處向上傾斜30°內(nèi)的范圍，如圖7所示。

圖7 圍板螺栓典型缺陷類型及分布Fig.7 Typical defects and distribution of baffle bolt

對現(xiàn)有商運核電機組在役檢查時的劑量評估，圍板附近劑量率約50～200 mSv/h。攝像頭感光元件是成像的關(guān)鍵部件，同時對高能射線比較敏感。因此在強輻射環(huán)境下，需要對攝像頭進(jìn)行特殊的耐輻照處理技術(shù)，選擇專用的耐輻照攝像頭進(jìn)行視頻檢查，保證視頻檢測的圖像質(zhì)量。檢查攝像頭的主要參數(shù)如表1所示。

表1 視頻攝像頭主要參數(shù)Table 1 Main parameters of video camera

超聲探頭安裝4個頻率為5 MHz，入射角度為8°的晶片，如圖8所示，數(shù)據(jù)采集時，將超聲探頭與圍板螺栓進(jìn)行貼合，通過超聲采集軟件按照晶片1、晶片2、晶片3、晶片4的順序進(jìn)行激發(fā)，從而得到4個A-scan圖像。

圖8 超聲探頭及耦合方式Fig.8 Ultrasonic probe and coupling mode

5 系統(tǒng)測試

為了進(jìn)行系統(tǒng)的測試，設(shè)計并制造了等比例模擬體，放置于10 m深水池中。水下機器人攜帶檢查工具放置于測試水池內(nèi)，如圖9所示，通過岸上控制系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制水下機器人到達(dá)指定位置，利用攜帶的耐輻照攝像機和超聲探頭進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

圖9 系統(tǒng)在測試水池中進(jìn)行信號采集Fig.9 Signalacquiring of in the testing pool

利用定制的靈敏度標(biāo)定卡對耐輻照攝像頭進(jìn)行靈敏度標(biāo)定和測試，如圖10所示，在水下間接目視條件下能夠識別寬度25 μm，長度10 mm的交叉十字線。

圖10 靈敏度標(biāo)定卡的視頻信號采集Fig.10 Video of the sensitivity calibration card

對于等比例圍板組件模擬體，分別安裝無缺陷和刻有30%橫截面積人工傷的圍板螺栓，其外部焊接有等尺寸防松條。在岸上操縱水下機器人使超聲探頭正確對準(zhǔn)待檢螺栓，確認(rèn)探頭耦合良好后，凍結(jié)掃查數(shù)據(jù)，如圖11所示，該系統(tǒng)準(zhǔn)確識別人工刻傷。

圖11 超聲檢查的采集數(shù)據(jù)Fig.11 Signals of the ultrasonic testing

6 結(jié)論

圍板螺栓是堆芯內(nèi)的關(guān)鍵連接件，在強中子輻照環(huán)境下易產(chǎn)生輻照促進(jìn)應(yīng)力腐蝕裂紋。本文通過設(shè)計水下視頻及超聲檢查系統(tǒng)，可利用水下機器人實現(xiàn)對圍板螺栓外表面和內(nèi)部檢查，外表面檢查的分辨率達(dá)到25 μm，內(nèi)部超聲檢查的檢出能力達(dá)到30%橫截面的平面型缺陷。等比例模擬體的試驗驗證了該系統(tǒng)在核電站的實際應(yīng)用能力。測試過程中，超聲探頭的對位和耦合對操作員的熟練程度依賴較大，后續(xù)需要進(jìn)一步提高水下機器人的姿態(tài)穩(wěn)定性，提高設(shè)備的實用性。