“華龍一號”蒸汽發(fā)生器堵板機器人研究

崔運佳，卓理政，陳揮揚，王永鵬，王運喜，韓文悅

(中核國電漳州能源有限公司，福建 漳州 363000)

蒸汽發(fā)生器堵板工作是核電廠蒸汽發(fā)生器在役檢查和檢修過程中的重要組成部分，是保證核電廠蒸汽發(fā)生器正常運行的關(guān)鍵步驟。蒸汽發(fā)生器堵板工作人員的集體劑量主要來源維修人員進入蒸汽發(fā)生器所受輻照，且由于蒸汽發(fā)生器一次側(cè)水室為半球形結(jié)構(gòu)，內(nèi)部有放射性液體殘留物和放射性固體污漬狀殘留物，因此人員進入蒸汽發(fā)生器水室內(nèi)作業(yè)不得不面臨人員受照劑量超標、放射性污染兩方面風險。為了降低大修集體劑量、避免人員遭受放射性污染風險、提高檢修工作質(zhì)量、減少人工成本，采用機器人進行堵板安裝作業(yè)是目前行業(yè)內(nèi)普遍認可的研究方向。

1 蒸汽發(fā)生器堵板作業(yè)現(xiàn)狀

1.1 大修集體劑量

國內(nèi)某核電廠首次大修時，蒸汽發(fā)生器水室內(nèi)部平均環(huán)境劑量率約10.5 mSv/h，最大接觸劑量率約100 mSv/h，工作結(jié)束后通過工作人員個人電子劑量計數(shù)據(jù)測讀，發(fā)現(xiàn)最大劑量率為17.5 mSv/h。人員在水室內(nèi)工作一旦作業(yè)時間控制不好，人員受照劑量就會超過單日非預期照射限值(一般情況下單日受照劑量限值為2 mSv)。

蒸汽發(fā)生器內(nèi)部的環(huán)境劑量跟機組運行狀態(tài)、燃料組件的破損情況都有關(guān)系，且承壓性堵板和簡易堵板工作人員進入的時間長短不一致。承壓性堵板每名工作人員進入時間為100 s簡易堵板每名工作人員進入時間為60 s，以下為某電廠歷次大修堵板工作人員所受輻射劑量數(shù)據(jù)，具體如表1所示。

蒸汽發(fā)生器堵板工作人員的集體劑量主要來源維修人員進入蒸汽發(fā)生器所受輻照，具體如表2所示。

采用機器人堵板后可降低蒸汽發(fā)生器堵板專項工作集體劑量約80.96%。

1.2 人員放射性污染風險

由于蒸汽發(fā)生器一次側(cè)水室為圓球形結(jié)構(gòu)，內(nèi)部有放射性液體殘留物和放射性固體污漬狀殘留物，擦拭取樣測量輻射水平約0.22 mSv/h，因此人員進入蒸汽發(fā)生器水室內(nèi)作業(yè)放射性污染風險非常高，包括體表污染和內(nèi)污染風險。

采用機器人堵板后可有效避免人員進入蒸汽發(fā)生器水室內(nèi)沾污風險以及規(guī)避工業(yè)安全風險。

1.3 質(zhì)量控制

據(jù)收集到的經(jīng)驗反饋信息，蒸汽發(fā)生器堵板專項工作使用傳統(tǒng)人工堵板方式，曾發(fā)生5起質(zhì)量事件，具體信息如表3所示。

表 3 蒸汽發(fā)生器傳統(tǒng)人工堵板方式質(zhì)量事件

由于人員技能水平、操作不規(guī)范導致蒸汽發(fā)生器堵板專項工作使用傳統(tǒng)人工堵板方式歷史出現(xiàn)安裝質(zhì)量事件，嚴重影響大修主線，增加集體劑量，突破大修三星指標(區(qū)域污染事件=0起)。采用機器人堵板后，人員不進入蒸汽發(fā)生器水室，全程堵板安裝工作皆有機器人完成，實現(xiàn)檢修智能化、標準化，可避免質(zhì)量問題發(fā)生。

1.4 成本管控

每臺蒸汽發(fā)生器有冷熱段進出水管，故需堵板2次。承壓性堵板為首次大修或10年大修進行，每次需要3臺蒸汽發(fā)生器全堵。即單機組蒸汽發(fā)生器整個壽期至少需要承壓性堵板36次，8機組則至少需要36×8=288次。

簡易堵板每次大修根據(jù)役檢需求而定，假定除十年長大修外每次大修簡易堵板3次，單機組整個壽期簡易堵板次數(shù)為102次。8機組則需要進行816次。

采用機器人堵板后，蒸汽發(fā)生器堵板專項工作可有效降低人工成本，詳見表4。

2 堵板機器人研究現(xiàn)狀

目前國內(nèi)外核電廠還未有機器人堵板的應用案例，目前主流的研究方向有管板固定式堵板機器人、水室全自動堵板機器人和水室外全自動堵板機器人三種。

2.1 管板固定式堵板機器人

2.1.1 方案簡介

該方案為半自動運作模式，即通過人工將機器人安裝于蒸汽發(fā)生器內(nèi)部管板上，機器人通過機械臂將人孔外的堵板本體安裝于蒸汽發(fā)生器一次側(cè)出/入口管道，其中機械臂按設(shè)定軌跡動作，加以人工控制微調(diào)實現(xiàn)堵板的拆裝工作，計劃工期為90 min。

2.1.2 方案概述

該方案采用六自由度非標機械臂形式，匹配堵板安裝需求的獨特關(guān)節(jié)組合形式，人孔到主管道以及法蘭環(huán)座螺栓點位全覆蓋的作業(yè)范圍。機器人的結(jié)構(gòu)組成與工作方式分別見圖1、圖2。同時可利用合作靶標實現(xiàn)視覺輔助定位。在第三視角、第一視角相機輔助下，遠程操控機器人可完成中間板及側(cè)板在法蘭環(huán)座上的安裝，由機器人自動控制及人工輔助微調(diào)兩個階段構(gòu)成。

圖1 管板固定式機器人結(jié)構(gòu)組成Fig.1 Structural composition of tube-plate fixed robot

圖2 管板固定式機器人樣機工作方式Fig.2 Working mode of tube-plate fixed robot

2.2 水室全自動堵板機器人

2.2.1 方案簡介

該方案為全自動運作模式。機器人能夠攜帶26 kg的堵板工具進入蒸汽發(fā)生器進行堵板安裝工作，并通過機械手安裝堵板工具上的螺栓緊固件。該機器人通過機器學習方式，實現(xiàn)整個堵板工作全自動化實施，人工監(jiān)控輔助。圖3為水室全自動機器人示意圖。

圖3 水室全自動機器人示意圖Fig.3 Schematic diagram of automatic water chamber robot

2.2.2 方案概述

堵板操作機器人的機械臂在定位裝置的配合下能沿蒸汽發(fā)生器堵板構(gòu)成的內(nèi)球面實現(xiàn)360°的旋轉(zhuǎn)。在定位裝置的配合下，機器人能自動完成行走的路徑規(guī)劃，并進行堵板安裝情況及蒸汽發(fā)生器底部球體的內(nèi)部視覺檢查。該機器人擬采用氣動行走方式，設(shè)置類蜘蛛式機械腳，底部加以吸盤，通過吸盤內(nèi)部氣體流量的變化控制，實現(xiàn)堵板機器人在圓球面的行走和固定，且能實現(xiàn)松緊螺栓力矩的監(jiān)測。同時，在移動監(jiān)控平臺下，能實現(xiàn)機器人機械臂姿態(tài)的控制以及自身位置的精確顯示。在移動監(jiān)控平臺上的人機交互軟件功能簡潔，實用、具備故障診斷和告警功能。機器人整體工作時間預計50 min，工作流程如圖4所示。

圖4 機器人工作簡圖Fig.4 Schematic of the robot at work

2.3 水室外全自動堵板機器人

2.3.1 項目簡介

該項目方案為全自動運作模式。堵板機器人置于人孔外，通過機械臂將堵板工具安裝于主管道。其中機械臂按設(shè)定軌跡動作，加以人工控制微調(diào)實現(xiàn)堵板的安裝拆除工作。

2.3.2 方案概述

蒸汽發(fā)生器堵板機器人方案為機器人在人孔外面進行堵板操作，機器人采用履帶/輪式底盤車體，底臂可液壓升降，擬采用7功能主從機械臂，加以全景相機監(jiān)控，實現(xiàn)承壓堵板和非承壓堵板安裝。圖5為該方案的機器人示意圖。

圖5 堵板機器人示意圖Fig.5 Schematic diagram of plate-plugging robot

3 研究方案與技術(shù)創(chuàng)新

3.1 核電廠蒸汽發(fā)生器承壓堵板應用現(xiàn)狀

蒸汽發(fā)生器的堵板分為承壓堵板和非承壓堵板兩種類型。在蒸汽發(fā)生器的在役檢查與檢修過程中，打開一次側(cè)人孔蓋板后，為防止人員、工具或異物落入主管道內(nèi)，需安裝蒸汽發(fā)生器水室非承壓堵板對主管道進行臨時封堵。對于某些情況下需同時進行蒸汽發(fā)生器在役檢查與堆芯同時作業(yè)時，需使用承壓堵板對主管道進行封堵，保證反應堆水池滿水情況下的堆芯作業(yè)與蒸汽發(fā)生器一次側(cè)在役檢查工作同時開展。

中國核電堆型主要涉及M310、“華龍一號”、VVER、AP1000、CANDU等類型，由于蒸汽發(fā)生器結(jié)構(gòu)不同堵板工具分為墊片密封堵板、氣囊式承壓堵板、雙層擠壓式密封承壓堵板等，其中較為通用的為承壓氣囊式堵板(螺栓固定)和承壓氣囊式堵板(卡扣式固定)。

承壓氣囊式堵板(螺栓固定)：承壓堵板由三塊板拼接組成，通過螺紋緊固于一次側(cè)主管道的端口平面上，在堵板的徑向外側(cè)面上安有帶兩個氣囊的密封組件，氣囊在充氣后給外側(cè)面的矩形壓膠提供徑向的壓力，并使之產(chǎn)生足夠的變形量達到密封效果，如圖6所示。同時氣管與放置在外環(huán)廊的控制柜連接?？刂乒襁B接氣源，通過管線對密封組件充氣以及持續(xù)供氣，控制柜中的氣壓監(jiān)控回路對密封組件的氣壓進行監(jiān)控，當對應回路的壓力、流量異常時會及時報警。

圖6 螺栓緊固式堵板Fig.6 Bolt-on plate

承壓氣囊式堵板(卡扣式固定)：堵板分為兩個半圓，采用卡扣式進行固定，密封形式仍采取氣囊式徑向密封，控制部分與M310基本一致，氣回路使用控制柜進行檢測，確保可靠性，如圖7所示。

圖7 卡扣緊固式堵板Fig.7 Buckle-fastening plate

以上兩種方式的密封原理都是堵板充氣后氣囊形成的干密封、濕密封兩道密封，干濕密封之間形成環(huán)面。承壓氣囊式堵板(卡扣式固定)大大減少了安裝時間，同時降低了螺栓咬死等安裝風險?！叭A龍一號”機組可以進行堵板結(jié)構(gòu)形式改進，取消螺栓緊固結(jié)構(gòu)或轉(zhuǎn)化為卡扣式結(jié)構(gòu)，可以大大減少安裝時間，簡化堵板結(jié)構(gòu)，降低機器人開發(fā)難度。

國內(nèi)機器人6自由度機械臂應用于多個工業(yè)領(lǐng)域，發(fā)展技術(shù)較為成熟，同時結(jié)合視覺定位輔助功能，可以實現(xiàn)自動化堵板功能。

3.2 堵板機器人研究

管板固定式堵板，具有開發(fā)難度低，管板固定結(jié)構(gòu)形式較成熟的優(yōu)點，但該方案需額外將機器人安裝于管板上，整體工作時間較長，需90 min。

水室全自動堵板機器人，具有自動化程度高，極大降低人工成本的優(yōu)勢，但水室內(nèi)部為半球形結(jié)構(gòu)不利于機器人行走定位，開發(fā)難度系數(shù)高，可靠性待驗證。

水室外全自動堵板機器人相較于第二種方案不僅實現(xiàn)了自動化程度高，同時也能保證異物風險低，但機械臂開發(fā)難度系數(shù)較高。

綜上所述，三項方案均在華龍/M310型機組蒸汽發(fā)生器堵板結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進行設(shè)計研究，從堵板本體結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面入手，可以降低機器人螺栓緊固等功能要求，取代人工堵板的方案存在可行性。

通過結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化改進，最終將蒸汽發(fā)生器水室主管道管口改為卡扣式固定。堵板充氣后氣囊形成的兩道冗余充氣密封，將會在密封堵板與蒸汽發(fā)生器接管嘴內(nèi)壁之間形成防水密封。其與一回路介質(zhì)接觸的充氣密封稱為濕密封，第二道充氣密封為干密封，兩道充氣密封之間的體積稱為環(huán)腔。若干密封或濕密封破裂，其對應的供氣管路上的壓力和流量均會產(chǎn)生明顯變化；若濕密封破壞，則環(huán)密封腔室被破壞，其對應的供氣管路上的壓力和流量亦會產(chǎn)生明顯變化。通過傳感器將管路的壓力和流量的變化轉(zhuǎn)化為電信號產(chǎn)生聲光報警即可達到泄漏報警的目的。

卡扣式堵板機器人為全自動運作模式。堵板機器人置于人孔外，通過多自由度機械臂夾取堵板，將堵板安裝于主管道。其中機械臂按設(shè)定軌跡動作，同時使用視覺輔助系統(tǒng)協(xié)助定位，完成堵板安裝拆除工作。機器人采用履帶/輪式底盤車體，可按照需要行進移動，底臂可液壓升降調(diào)整機械臂整體高度。同時機械臂頭部安裝全景高清攝錄機，對安裝過程進行監(jiān)控，同時所有工作結(jié)束后，機器人可以配合進行防異物檢查。

本方案最終可以實現(xiàn)以下技術(shù)創(chuàng)新目標：

1)堵板具備快速安裝功能，無需螺栓固定，使用卡扣式進行固定安裝；

2)堵板具備氣囊密封結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)高水位堵板，且密封性滿足要求；

3)堵板結(jié)構(gòu)無螺栓等部件，可以減少異物風險；

4)堵板具備泄漏自動報警功能，當堵板密封失效時報警；

5)堵板有非能動密封結(jié)構(gòu)，當失去氣源時堵板仍能保持一定時間不泄露，或者泄露量在極小的允許范圍內(nèi)；

6)機器人不進入蒸汽發(fā)生器，為水室外全自動化設(shè)計，減少異物風險；

7)機器人機械臂具備軌跡自尋功能及路徑修訂功能；

8)機器人具備視覺輔助定位功能；

9)機器人具備堵板安裝到位檢測功能；

10)機器人夾取裝置具備防掉落功能，防止堵板掉落。

4 總結(jié)

目前所有的核電廠在對蒸汽發(fā)生器進行維修檢查工作時，都需要人員進入水室進行操作，集體劑量較高。為了解決此類問題，國內(nèi)外對全自動堵板機器人進行了研究，但由于存在各方面技術(shù)難點，截至目前為止，未有成品機器人投入使用。

為此本文提供了一種創(chuàng)新的研究方向，對“華龍一號”蒸汽發(fā)生器承壓堵板固定方式進行優(yōu)化，取消螺栓緊固方式，采用類似卡扣式固定結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)快速安裝承壓堵板的功能。并配套研究一種全自動卡扣式堵板機器人，解決工作人員需要進入蒸汽發(fā)生器水室內(nèi)部，承受工作劑量的問題，降低發(fā)生人因失誤的風險，提高設(shè)備維修效率。