輻射環(huán)境下遙控操作焊接設(shè)備研究

劉金平，馬明豪，吳闖，王象元，甘佰勝、賈世進(jìn)、羅瑞強(qiáng)

中國核工業(yè)二三建設(shè)有限公司 北京 101300

1 序言

核安全問題成為持續(xù)核能應(yīng)用的生命線，是國家能源戰(zhàn)略的重要環(huán)節(jié)[1，2]?！昂穗娭虚L期發(fā)展規(guī)劃”明確提出了堅(jiān)持核燃料閉合循環(huán)的技術(shù)路線。核后處理設(shè)備包含大量管道結(jié)構(gòu)，但管道服役過程易產(chǎn)生裂紋。目前，運(yùn)行核電數(shù)量逐年攀升，“十四五”期間10年長大修機(jī)組數(shù)量將達(dá)到26臺。在未來15年左右將迎來歷史上的第一輪退役高潮，老舊三廢設(shè)施、退役防化室及研究實(shí)驗(yàn)室等退役工作陸續(xù)開展，因核電輻射環(huán)境的特殊性[3-5]，需要遙控操作專用設(shè)備進(jìn)入輻射環(huán)境完成檢維修作業(yè)，所以需研究輻射環(huán)境下的遙控操作設(shè)備。

2 應(yīng)用場景需求分析

核后處理設(shè)備包含大量管道結(jié)構(gòu)，這些管道每年返修一次，每次返修約300道焊縫。管道損傷情況的50%為液體腐蝕導(dǎo)致的貫穿或未貫穿缺陷，損傷的部位主要集中在閥門、管道等腐蝕焊縫。

由于作業(yè)環(huán)境中存在核輻射，而人工修復(fù)安全性差、難度大、作業(yè)量大且效率低，因此，亟需一種自動(dòng)化裝備實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作[6-9]，解放工人，讓操作人員處在無輻射的安全區(qū)域進(jìn)行遠(yuǎn)距離作業(yè)。

現(xiàn)場環(huán)境中管道布局復(fù)雜，相互交錯(cuò)，如圖1所示。對于自動(dòng)化返修設(shè)備而言，管道周圍空間大小是返修工藝及質(zhì)量的重要影響因素。結(jié)合以上實(shí)際情況，為便于項(xiàng)目實(shí)施，對現(xiàn)場環(huán)境進(jìn)行簡化。設(shè)備間內(nèi)部管道返修簡化模擬環(huán)境如圖2所示。待返修管道材料為304不銹鋼，尺寸為φ32mm×3mm，距離地面高度約為950mm，管道連接閥距離后方障礙物水平和豎直距離均為250mm。

圖1 現(xiàn)場管道布局

圖2 設(shè)備間內(nèi)部管道簡化模擬環(huán)境

3 設(shè)備整體結(jié)構(gòu)

雙臂機(jī)器人系統(tǒng)用于管道替換和完整焊縫切除作業(yè)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。該系統(tǒng)主要包括承載底座、移動(dòng)軌道、返修機(jī)器人、工裝機(jī)器人、工具、視覺傳感系統(tǒng)及力覺傳感系統(tǒng)等。

圖3 雙臂機(jī)器人系統(tǒng)

4 設(shè)備可達(dá)性仿真分析

雙臂機(jī)器人系統(tǒng)沿返修管道軸向跨度可達(dá)1900mm，如圖4所示。沿返修管道徑向水平跨度可達(dá)400mm，如圖5所示。沿返修管道徑向垂直跨度可達(dá)800mm，管道距離地面的最低高度為750mm，如圖6所示。

圖4 軸向跨度

圖5 徑向水平跨度

圖6 徑向垂直跨度

5 機(jī)器人承載軌道設(shè)計(jì)

整體框架為鋼結(jié)構(gòu)焊接件，處理焊接連接部分，采取共節(jié)點(diǎn)的方法，以減少綁定接觸引起剛度過高的問題，同時(shí)去掉不必要的小孔，因?yàn)檫@里不研究應(yīng)力場。材料為普通碳素鋼，其彈性模量為2.1×105MPa，泊松比為0.3，密度為7900kg/m3。

首先，進(jìn)行網(wǎng)格劃分（見圖7）。網(wǎng)格劃分或叫作幾何離散，是將工程物理模型轉(zhuǎn)換為數(shù)學(xué)模型。單元采用SOLID186二次拋物線單元，此單元計(jì)算精度高、計(jì)算速度快，適合結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。

圖7 機(jī)器人安裝架網(wǎng)格劃分

然后，確定邊界條件與計(jì)算求解方法。與基礎(chǔ)連接部分采用固定邊界條件，計(jì)算求解方法用通常的蘭索絲法。共求解前6階的共振頻率，參數(shù)見表1，仿真結(jié)果如圖8所示。從圖8可知，最不利情況下其變形量為4.5mm，能夠滿足剛度要求，設(shè)計(jì)合格。

表1 模態(tài)-頻率對照 （Hz）

圖8 有限元分析云圖垂直跨度

軌道結(jié)構(gòu)及布置方式如圖9所示。返修機(jī)器人安裝在縱向軌道的上部，工裝機(jī)器人安裝在縱向軌道的下端，能夠隨軌道上下運(yùn)動(dòng)調(diào)整位置；縱向軌道可帶著兩個(gè)機(jī)器人沿橫向軌道滑移，調(diào)整返修位置。沿橫向和縱向軌道的位移、速度規(guī)劃如圖10所示。由于橫向軌道的布置方式，其容易產(chǎn)生彎曲變形，因此對其進(jìn)行應(yīng)力分析。橫向軌道受力如圖11所示。在3個(gè)峰值力狀況下的有限元分析結(jié)果如圖12所示。由圖12可知，所設(shè)計(jì)橫向軌道滿足使用要求。

圖9 軌道結(jié)構(gòu)及布置方式

圖10 運(yùn)動(dòng)位移、速度規(guī)劃

圖11 橫向軌道受力情況

圖12 橫向軌道有限元分析

6 工具架設(shè)計(jì)

工具架安裝在橫向軌道上，可在橫向軌道上移動(dòng)，其功能是用于安裝各種返修工具，結(jié)構(gòu)如圖13所示。工具架前端安裝有縱向軌道，雙機(jī)器人固定在縱向軌道上，從而實(shí)現(xiàn)橫向和縱向移動(dòng)。

圖13 工具架結(jié)構(gòu)

7 機(jī)器人方案設(shè)計(jì)

兩個(gè)機(jī)器人安裝在縱向軌道上。上端為工具機(jī)器人，主要用于更換各種工具完成返修工藝。下端為工裝機(jī)器人，主要用于固定待返修管道，防止返修過程中管道發(fā)生變形、振動(dòng)，影響返修質(zhì)量。兩個(gè)機(jī)器人均使用串聯(lián)式6自由度機(jī)器人，其結(jié)構(gòu)如圖14所示。該機(jī)器人具有負(fù)載大、簡易操作、低功耗、安裝方便等優(yōu)勢，適用范圍廣泛。其主要參數(shù)見表2。

表2 新松GCR 20-1100機(jī)器人主要參數(shù)

圖14 新松GCR 20-1100串聯(lián)式6自由度機(jī)器人

8 力控傳感器及快換接頭設(shè)計(jì)

在返修過程中，切割、打磨質(zhì)量對焊接影響較大，為了保證切割和打磨質(zhì)量，需要控制切割進(jìn)給量和打磨進(jìn)給量，此時(shí)需要力控傳感器對切割和打磨過程中的受力進(jìn)行檢測，從而控制進(jìn)給量。此外，返修過程需要多次更換工具，為了快速準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)工具的更換，采用快換接頭，它由母接頭和子接頭兩部分組成，其中母接頭與工具機(jī)器人相連，子接頭與工具相連。力控傳感器與快換接頭安裝布局如圖15所示。

力控傳感器選用ATI六軸力和力矩傳感器，能夠測量6個(gè)力和力矩，包括1個(gè)傳感器、高柔性屏蔽電纜、智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、Ethernet/DeviceNet連接或F/T控制器，結(jié)構(gòu)尺寸如圖16所示，主要技術(shù)參數(shù)見表3。

表3 ATI六軸力和力矩傳感器主要技術(shù)參數(shù)

圖16 ATI六軸力和力矩傳感器結(jié)構(gòu)

快換接頭可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)更換工具，選用A T I QC022，結(jié)構(gòu)如圖17所示。該裝置采用氣動(dòng)夾緊，分為兩部分，其中主側(cè)（母接頭）與機(jī)器人前端連接，工具側(cè)（子接頭）與工具連接，兩側(cè)在連接的同時(shí)可以連通和傳遞電信號、氣體及水等介質(zhì)。主要參數(shù)見表4。

表4 快換接頭主要參數(shù)

圖17 快換接頭

9 焊接工具頭設(shè)計(jì)

管道替換焊接工具采用華恒閉口式焊鉗，其結(jié)構(gòu)如圖18所示，主要技術(shù)參數(shù)見表5。閉口式焊鉗經(jīng)改造，在安裝支架上固定氣缸，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開合動(dòng)作，用于切割后的管-管對接焊。焊接前需在密封腔內(nèi)充保護(hù)氣體，保證焊縫得到良好的保護(hù)。該夾具系統(tǒng)可保證被焊件精確定位，無需定位焊，從而提供高效率、高質(zhì)量焊接。可精密實(shí)現(xiàn)全位置TIG管-管焊接，焊接結(jié)果重現(xiàn)性高，可達(dá)到理想的焊接效果。

表5 焊接工具主要技術(shù)參數(shù)

圖18 閉口式焊鉗

10 結(jié)束語

本方案針對核電站在役維修和核后處理特殊環(huán)境下管道返修裝備進(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提出了核電站在役維修和核后處理特殊環(huán)境下管道返修的迫切需求，明確了該項(xiàng)目的研究和應(yīng)用價(jià)值。詳細(xì)分析了設(shè)備整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、設(shè)備可達(dá)性分析、機(jī)器人承載軌道設(shè)計(jì)、工具架設(shè)計(jì)、機(jī)器人方案設(shè)計(jì)、力控傳感器與快換接頭設(shè)計(jì)，以及焊接工具頭設(shè)計(jì)，證明了管道遠(yuǎn)程自動(dòng)化返修的可行性。