蒸汽發(fā)生器小內徑傳熱管檢測輔助對管裝置設計

國核電站運行技術服務有限公司 于 巖

蒸汽發(fā)生器是核電站運行中發(fā)生故障最多的設備之一，蒸汽發(fā)生器傳熱管檢查技術是核電無損檢測的關鍵技術[1]。目前核電站蒸汽發(fā)生器傳熱管檢測方式中，基于渦流檢測是傳熱管缺陷檢測最有效也是現(xiàn)有最常見的無損檢測手段[2-3]，需要將渦流探頭深入傳熱管并經(jīng)過每一處位置，同時渦流探頭需要連接三根導線，一般將導線放入中空尼龍管內，推動尼龍管可將探頭在傳熱管內進行伸長和縮回運動。

由于存在輻射性，機器人攜帶探頭進行自動檢測作業(yè)是當前主要的作業(yè)方式。目前，國際上從事熱交換管檢測機器人研制的企業(yè)主要包括美國的ZETEC 公司[4]和西屋電氣公司[5]、法國的Framatome 公司[6]、德國的Hans Walischmille 公司等。國內核電企業(yè)如中廣核、核動力運行研究所、中核、中電投（國核運行）等在引進國外先進技術的基礎上，相繼開展了傳熱管檢測機器人的仿制，如中廣核以西屋公司的Pegasys 為基礎提了檢測機器人方案，國核電站運行服務技術有限公司提出了基于ZETEC ZR100機器人的機械足方案，核動力運行研究所與哈爾濱工業(yè)大學聯(lián)合研制了檢修機器人平臺。

機器人自動檢測技術提高了檢測效率和可靠性，但對于小型蒸發(fā)器傳熱管進口空間較小，機器人難以進入，且傳熱管數(shù)量少，機器人作業(yè)效率反而降低，需要設計一套方便人工遠端操作、可適用于小口徑進口的輔助對管裝置，在降低人員風險的同時提高作業(yè)效率。

1 設計需求分析

輔助對管工具功能要求：攜帶傳熱管渦流探頭對準管板上需要檢測的傳熱管內孔，將探頭及導管送入管板上的傳熱管孔。根據(jù)蒸發(fā)器傳熱管檢測的任務需求，輔助對管工具需要滿足以下性能：末端與管口的準確對準，精度優(yōu)于±0.1mm；末端與管口對準后壓緊密封，需要工具末固定于管板上。由于管板為多孔的平面，為實現(xiàn)末端與管板的固定，需利用管板上的孔設計夾持裝置，夾持裝置可深入到孔內，與孔內壁壓緊實現(xiàn)緊固，為保證緊固的可靠性，需要多個夾持末端與多個管孔夾持緊固，末端工具需要空間6自由度的調整實現(xiàn)裝置上多個夾持裝置與管孔的對準，即輔助對管工具機構至少需要具備空間6自由度運動功能。

根據(jù)外口深度、密封壓緊、管板直徑、管板高度等因素，計算輔助對管工具的性能需求：密封壓緊力大于50N；夾持緊固軸承承載大于150N；輔助對管裝置Z 軸（豎直方向）行程±150mm；X 軸（前后方向）行程200mm；Y 軸（左右方向）行程±150mm；俯仰角行程（Y 軸）±10°；方位角行程（Z 軸）±10°；滾轉角行程（X 軸）±180°。

2 對管裝置方案設計

2.1 操作機構設計

末端夾持與對管裝置需要借助多個孔實現(xiàn)精準的對管，需要同時對多個孔進行對準，因此前端操作機構需要具備至少6個運動自由度，即空間三個方向的移動自由度及三個方向的轉動自由度，考慮核電作業(yè)現(xiàn)場空間狹窄及人工手動操作的便利性，需要末端運動有對應的驅動實軸如數(shù)，因此需要盡量避免采用并聯(lián)機構或串并混聯(lián)機構，即采用具有實軸對應的串聯(lián)機構是有效的解決方案，串聯(lián)6自由度機構中的純轉動關節(jié)型機構如通用工業(yè)機械臂，其末端三個轉動與腕部三個轉動關節(jié)對應，但平移運動也無實軸對應，人工操作不便。

3移動關節(jié)+3轉動關節(jié)的串聯(lián)型機構有實軸對應，為手動對管裝置機構類型的最佳方案，這類機構中包含了轉動關節(jié)和移動關節(jié)的不同排列組合形式（如PPPRRR、PPRRRP、PRPRRP、RRRPPP 等，R 代表轉動關節(jié)，P 代表移動關節(jié)），根據(jù)支鏈關節(jié)順序與末端運動特征關系，由于存在三個移動關節(jié)，任意的組合形式都可以實現(xiàn)末端繞空間任一點的轉動運動，因此其關節(jié)的任意排列形式均可以作為對管裝置的機構方案。表1為對管操作機構構型對比。

表1 對管操作機構構型對比

考慮對管作業(yè)中存在插入夾持裝置插入管孔的動作，需要一個移動驅動軸線與管孔平行，又考慮需要多個管孔同時對準，因此最后兩個關節(jié)應為PR或RP 的關節(jié)組合，即P 副驅動實現(xiàn)插入操作，R副驅動實現(xiàn)相位對準。在靠近根部端的四個關節(jié)中，雖然不同組合均可實現(xiàn)末端的繞空間任意點轉動，但根部關節(jié)為轉動關節(jié)時，實現(xiàn)繞遠端點的轉動需要轉動關節(jié)和移動關節(jié)的聯(lián)動作業(yè)，操作不便，因此最佳方案應將移動關節(jié)靠近基座，根據(jù)上述分析，可用的機構構型方案為PPRRPR 或者PPRRRP，如圖1所示。

圖1 對管操作機構方案（左PPRRPR 構型、右PPRRRP 構型）

綜合考慮占地空間、人工可操作性、工作空間等因素，選擇串聯(lián)機構構型的PPRRPR 構型，第一移動關節(jié)為Z 軸方向（豎直方向），第二移動關節(jié)為Y 軸方向（左右方向），后續(xù)的兩個轉動關節(jié)分別為回轉軸（Z 軸轉動）與俯仰軸（Y 軸轉動），第三移動關節(jié)為前后移動軸（X 軸），最后的轉動關節(jié)為翻滾軸（X 軸）。同時，由于人工操作帶來的誤差，為增加適應性采用帶有柔性的聚氨酯棒料，在末端連接處增加柔性的被動等效球關節(jié)，最終的機構方案如圖2所示。

圖2 對管操作機構最終方案機構簡圖與三維模型

根據(jù)對管機構的性能要求，末端采用延長桿深入法蘭孔內靠近管板，考慮空間約束設計延長桿長度為1000mm，設計各個驅動行程如下：移動（Z軸）±250mm、 移動（Y 軸）±250mm、 轉動（Z 軸）±30°、轉動（Y 軸）±30°、移動（X 軸）300mm、轉動（X 軸）±180°。

2.2 末端夾持與壓緊裝置設計

2.2.1 末端壓緊方案

末端需要實現(xiàn)對管口的壓緊且壓緊裝置為中空結構，可使渦流探頭及導引管通過，壓緊動作驅動由氣缸實現(xiàn)，如圖3和圖4所示，采用具有中空活塞桿結構的氣缸，活塞桿前端采用密封槽接頭和壓蓋實現(xiàn)對密封橡膠的固定，當氣缸軸線與被檢測氣孔軸線對準時，氣缸推動活塞前進，將密封橡膠壓緊至傳熱管管口并保持氣缸壓力，實現(xiàn)與管口的密封。

2.2.2 夾持緊固方案

圖3 氣動壓緊密封裝置方案

圖4 末端壓緊氣缸結構圖

夾持緊固裝置實現(xiàn)末端與管板的精準夾持定位，夾持機構為花瓣型漲緊腳趾，如圖5所示，腳趾深入管孔內，通過氣體驅動實現(xiàn)腳趾與管孔內壁的壓緊，同時配合導向定位銷，實現(xiàn)與管板的精準定位，夾持緊固裝置通過連接頭與多自由度對管操作機構連接，如圖6所示，考慮被動球鉸，連接件采用帶有彈性的聚氨酯軟棒。由于管孔內徑較?。é?mm），夾持緊固裝置需要具備緊湊性的特點，設計采用花瓣漲開型緊固腳趾，采用帶錐形末端的活塞桿，活塞桿在氣缸驅動下前伸，錐面推動花瓣型卡爪漲開，使卡爪與管孔內壁壓緊，并配合導向銷實現(xiàn)末端與管板的精準可靠緊固定位。

圖5 夾持緊固裝置方案整體結構圖（左）與緊固腳趾-探頭通道-導向銷分布圖（右）

圖6 夾持緊固裝置結構方案

對管操作方案如圖7所示，根據(jù)管板上的管孔分布，設計固定漲緊腳、氣缸探頭通道及導向銷的幾何位置尺寸，按照如圖7所示的對管方案，可實現(xiàn)探頭對所有管孔的對準。

圖7 管孔對管操作方案示意圖

3 實驗驗證

樣機研制。根據(jù)上述設計方案進行研制研制和測試，如圖8、圖9所示，螺旋傳熱管規(guī)格為管孔內徑φ9mm，螺旋管包絡直徑φ300mm，螺旋管總長10m，傳熱管一端與模擬管板上的管孔相連，人工通過多自由度柔性對管裝置進行管板上各個管孔的對準操作，氣源采用0.7Mpa，同時供給壓緊氣缸、夾持緊固腳趾及氣體驅動探頭導引裝置，壓緊氣缸和夾持緊固腳趾的氣路分別由手動開關獨立控制。操作多自由度對管裝置，將壓緊氣缸的中空軸探頭通路與每個管孔，探頭通過引導管進入模擬管板上的管孔，并進入螺旋傳熱管，經(jīng)過測試每個管孔都可通過對管裝置實現(xiàn)精準的緊固對準，驗證了此設計方案的有效性。

圖8 緊固定位末端裝置