摘 要:研制了一套核電站壓力容器接管安全端焊縫缺陷超聲波自動水下檢測機器人,并對 系統的機械本體、氣路設計、電氣控制等組成部分展開研究。闡述了檢測裝置各個執行部件的設計 原理和設計方法。優化氣路設計并實現了定位力斷氣保持、探頭恒力壓緊和校驗試塊伸縮等復合 功能。該系統通過控制系統向執行機構發送指令并接收反饋信號,實現了焊縫缺陷的自動掃查。 

關鍵詞:核電站;接管;焊縫;檢測裝置;超聲檢測 

中圖分類號:TG115.28                                          文獻標志碼:A                             文章編號:1000-6656(2022)06-0010-05

核電站反應堆壓力容器(RPV)接管安全端是 反應堆壓力容器接管與主管道之間的連接過渡段, 是反應堆冷卻劑壓力邊界的重要組成部分。安全端 兩側存在兩道焊縫,即安全端與接管之間的焊縫和 安全端與主管道之間的焊縫,某類型壓力容器接管 剖面圖如圖1所示。安全端焊縫靠近堆芯活性區, 在核電站運行中要承受高溫、高壓、高輻射的交變復 雜應力和腐蝕,故該兩道焊縫的質量對于保障一回 路系統的完整性至關重要。 

根據國外核電站運行經驗反饋,該焊縫檢查頻 度一般高于標準規范要求,為3~4個換料周期,而 目前國內對該焊縫的檢測主要通過反應堆壓力容器 十年大修來完成,由于設備龐大,檢測周期長,操作 較為復雜。為了靈活方便地對接管安全端焊縫進行不定期檢測,提高工作效率,需研制體積小,操作方 便的專用檢測裝置。文章提出了一種新型自動檢測 裝置樣機,該裝置能夠實現反應堆壓力容器安全端 焊縫的自動掃查。 

1 檢測裝置結構設計 

為了完成焊縫檢測,檢測裝置結構應能實現正 確安裝、可靠定位、自動掃查等功能。筆者所設計的 檢測裝置的突出特點有自動軸向定位、探頭與待檢 區域恒力貼合、一次安裝完成所有掃查等。該節以 檢測裝置的定位機構,軸向和周向運動機構,探頭校 驗機構和輔助機構等4個主要組成機構為重點,介 紹了檢測裝置的設計思路和工作特點,檢測裝置結 構如圖2所示。

1.1 定位機構設計 

1.1.1 檢測裝置相對于接管的定位和壓緊 

理想狀態下,檢測裝置懸浮在接管中。在軸向 進給的過程中,由于前浮力塊的不斷前移,檢測裝置 的重心在不斷變化,這部分不平衡力矩也需要由氣 缸產生的壓緊力組合吸收。端部效應器處于不同位 置的受力簡圖如圖3所示。

圖3中F1,F2 分別為檢測裝置尾部浮力塊和頭部浮力塊 產 生 的 浮 力,G 為 檢 測 裝 置 減 去 本 體浮力后的重力。根據平面力系的任意平衡方程得F2=165N。當端 部 效 應 器 處 于 極 限 位 置 時,F2向前移動了 X3 的距離即檢測裝置軸向行程。重心向右移 動 了 X4 的 距 離 (X4 <X3),如 果 把 X4忽略,則整 個 計 算 過 程 是 偏 向 于 安 全 的。產 生 的額外力偶矩 ΔM=F2×X3。零位狀態和極限狀態產生的額外 力 矩 需 要 壓 緊 氣 缸 的 壓 緊 力 來 抵 消,假設是每組 單 個 氣 缸 產 生 的 壓 緊 力 來 抵 消,則 近似有

式中:L 為兩組氣缸中心線之間的距離;F3 為每組 單個氣缸產生的壓緊力。 

將L=0.485m,F2=165N,X3=0.4m 代入 式(1),可 知 F3 =136 N 時 可 保 證 定 位 壓 緊 的 可 靠性。 

選用大缸徑夾緊氣缸,其出力大,夾緊較為可 靠,同時可避免檢測過程中探頭伸縮和旋轉帶來的 慣性力導致的檢測裝置機架震動,影響檢測精度。

單個氣缸定位壓緊力F 為

式中:F 為單個氣缸定位壓緊力;S 為氣缸活塞面 積;ΔP 為高低壓回路壓力差;P1 為高壓回路壓力; P2 為低壓回路壓力。 

考慮到檢測設備在水中工作時可能會有水進入 電機或氣缸中,影響執行機構的工作,故采用動密封 內部壓縮空氣保壓的方式保證執行部件運動的可靠 性。設定檢測裝置工作水深為20m,則該位置產生 的水壓為

低壓回路具有保壓防水的作用,故其壓力必須 大于 P水 。 為 留 有 一 定 的 余 量,分 析 中 設 P1 = 600kPa,P2 =300kPa,S=3.16×10 -3 m 2。代入 式(2)中得F=934.7N?F3,考慮到檢測裝置安裝 時接近懸浮,并無重力需要抵消,故 F 可以吸收因 端部效應器伸縮產生的附加力偶矩。

夾緊氣缸 末 端 采 用 的 是 尼 龍 墊,尼 龍 與 接 管 之間的摩擦系數取0.5,則兩組6個氣缸產生的摩 擦力Ff =6×F×0.5=2804.1N。Ff 主 要 用 來 抵消端部效應器運動過程中產生的動態慣性力和 探頭與待檢 區 域 間 的 摩 擦 力,因 為 端 部 效 應 器 旋 轉速度和進 給 速 度 緩 慢,所 以 動 態 慣 性 力 和 摩 擦 力很小,Ff 可以保證檢測裝置在接管中的位置固定。經試驗驗證,選用 P1=600kPa,P2=300kPa 是合理的。

1.1.2 端部效應器相對于檢測裝置的定位和壓緊

端部效應器需要實現兩個動作,軸向進給和周 向旋轉。為確保焊縫缺陷檢出后,檢測探頭能準確 找到缺陷位置并進行定量檢測,需要給端部效應器 在軸向和周向上分別設立一個零點。軸向零點的確 定是通過安裝在檢測裝置前端的霍爾傳感器確定 的;旋轉電機組件上安裝有另一霍爾傳感器,用來確 定端部效應器的周向零點。設備通電后需首先確定 零點位置。 

端部效應器安裝在雙導桿氣缸上,探頭安裝在 端部效應器上。由于檢測過程中需要保持探頭與待 檢焊縫區域貼合,需有一定的力作用于端部效應器 上。筆者采用氣缸的壓緊力來實現該效果,并保證 該力為恒力,詳細作用原理參見第2節中電氣比例 閥工作原理。 

1.2 軸向和周向運動機構

如圖2所示,軸向進給電機安裝在檢測裝置的 下部,通過齒輪箱換向驅動絲杠螺母副轉動,帶動絲 杠前后運動。絲杠與導軌在兩端聯結為一體,整個 周向旋轉裝置都安裝在絲杠導軌聯結體的末端。軸 向進給電機與減速器安裝在電機箱內,電機軸輸出 端與齒輪箱輸入端通過特制聯軸器連接。齒輪箱上 下箱體之間的密封靠箱體凸緣異型槽中塞入 O 型 密封條壓緊實現。齒輪箱輸出軸安裝有兩個反裝的 唇形密封圈,防止水進入齒輪箱。為保證齒輪箱及 電機可靠工作,往電機箱中引入壓縮空氣,并通過電 機箱與齒輪箱之間的間隙進入齒輪箱,起到電機箱 與齒輪箱雙重防水的作用。 

周向旋轉電機與減速器安裝在周向旋轉電機箱 內,采用行星齒輪減速器,以提高減速比,降低端部 效應器的掃查速度。電機軸通過聯軸器同旋轉盤相 連,旋轉盤上安裝有氣缸。工作時,旋轉盤帶動氣缸 和端部效應器旋轉,實現自動掃查。由于旋轉盤與 周向電機箱之間存在相對運動,需要動密封以保證 電機箱不進水。筆者采用雙 O 型密封圈動密封,同 時在電機箱內通入壓力大于水深壓力的壓縮空氣, 保證電機箱的防水性。 

為提高檢測質量,減少安裝和調試時間,保證檢 測數據真實可靠,選用伺服電機作為周向和軸向進 給電機。伺服電機優點為響應速度快,無爬行,且電 機剛度好,定位準確。

1.3 探頭校驗機構 

探頭校驗試塊的設計要滿足端部效應器在軸向 和周向有一定的活動空間,以適應端部效應器上所 有探頭的校驗。鑒于探頭校驗是在每次檢測開始前 和每次檢測結束后進行的,校驗頻度較高,故設計校 驗機構位于檢測裝置正下方。需要校驗時,通過遠 程控制和視頻監控完成在線校驗。校驗機構如圖2 所示,探頭校驗過程流程圖如圖4所示。

由于待測接管孔徑范圍較大,尤其是在接管內 徑較小時,在保證滿足校驗要求前提下,試塊進入接 管的難度大。因此筆者采用長氣缸驅動,避免了采 用絲杠驅動的龐大體積。試塊采用6點支撐,分別 為齒輪箱安裝板上4點,導桿吊架上2點,保證試塊 伸出時校驗機構剛度滿足校驗需求,同時減少試塊 前部撓曲變形對校驗精度的影響。 

1.4 輔助機構 

1.4.1 浮力塊裝置

檢測裝置共 有 7 塊 浮 力 塊,后 部 4 塊,前 部 3 塊。加裝浮力塊的目的是使檢測裝置在水中時基本 處于懸浮狀態,驅動螺旋槳只需要很小的力即可推 動裝置上下移動。浮力塊裝置可以微調,其內部被 分割為不同體積的小腔體,腔體內填充泡沫。當需 要調整檢測裝置在水中的平衡角度時,只需增加或 去除小腔體內的泡沫即可。

1.4.2 螺旋槳驅動機構

由圖2所示,檢測裝置共有4個螺旋槳。三個安 裝在檢測裝置尾部,其中兩個水平,一個豎直;一個安 裝在檢測裝置頭部,端部效應器周向零位時豎直。通 過控制兩個水平螺旋槳、兩個豎直螺旋槳的轉速及轉 向可以實現檢測裝置四個自由度的運動(見圖5)。

1.4.3 端部效應器機構

檢測裝置共有兩個端部效應器,其中端部效應器1用于缺陷的檢出,端部效應器2用于缺陷的定 量。端部效應器1不僅安裝有超聲探頭,還安裝有 渦流探頭。渦流探頭用來定位待檢焊縫軸向位置, 進而確定掃查的初始位置,提高掃查效率。因為一 次攜帶了缺陷檢出和缺陷定量兩個端部效應器進入 接管內部,所以可一次完成焊縫缺陷檢測的所有工 作,有效地避免了單個端部效應器二次進入接管時 的重復定位誤差問題。 

1.4.4 手動送入機構 

如圖2所示,檢測裝置尾部安裝有快接接頭。 當螺旋槳出 現 故 障 裝 置 不 能 自 動 進 入 接 管 時,可 將長柄工具 與 快 接 接 頭 相 連,操 作 人 員 站 在 移 動 臺架上,通過 水 下 電 視 監

 把 檢 測 裝 置 送 入 接 管 內部。 

2 氣路設計 

氣路設計原理如圖6所示。其低壓回路主要用 于保壓,高壓回路主要用于驅動。所有氣缸工作于 差壓狀態,在工作的任意時刻,氣缸的兩側都有壓 力,保證水不會通過氣缸的動密封進入氣缸內部,導 致氣缸失效。同時,低壓回路還與電機箱相通,保證 電機在水下工作時的可靠性。氣路中共設置3個氣 壓表,主要目的分別為監測氣源輸出壓力、驅動壓力 和保壓壓力,氣壓表安裝在控制柜面板上。考慮到 氣缸動作時的排氣問題,低壓氣路中增加了一個溢 流閥,溢流閥的溢流壓力與低壓氣路壓力一致,溢流 閥的主要作用是增加低壓回路的排氣流量。

前夾緊氣缸和后夾緊氣缸的控制氣路中選用的 是三位五通中封閥,即使在斷氣的情況下,檢測裝置 依然能夠保持壓緊力,檢測裝置相對于接管的位置 不會發生改變。氣缸兩端的調速閥主要用來控制氣 缸進給或回退的速度,提高工作效率。電氣比例閥 主要是用來控制探頭壓緊氣缸上的壓緊力,通過計 算機實現遠程實時控制探頭的壓緊力,保證檢測數 據的真實性與可靠性。由于探頭校驗時兩個端部效 應器不能同時校驗(以避免發生運動干涉),故每個 端部效應器的伸縮氣缸需要單獨控制,可以用兩個兩位五通電磁閥實現。

3 控制系統

 控制系統的總體框圖如圖7所示。

主控控制 系 統 安 裝 在 集 裝 箱 內,現 場 安 裝 完 畢后,操作人 員 遠 程 控 制 檢 測 裝 置 在 接 管 內 的 動 作。使用螺 旋 槳 安 裝 定 位 時,主 控 制 系 統 向 控 制 螺旋槳的電 機 發 送 指 令,驅 動 螺 旋 槳 將 檢 測 裝 置 推入接管。當安裝在檢測裝置上的兩個限位開關 同時觸發時,主控系統打開夾緊氣缸的電磁閥,完 成定位。 

檢測裝置機架上安裝有兩個霍爾傳感器用來 確定端部效應器的軸向零位和周向零位。掃查缺 陷前,需 首 先 對 探 頭 做 校 驗 記 錄,檢 查 系 統 靈 敏 度。端部效 應 器 上 安 裝 有 一 小 型 攝 像 頭,可 以 觀 察到端部效 應 器 氣 缸 的 伸 縮 狀 態,監 測 探頭運動過程。 

在焊縫缺陷檢測過程中,需要首先檢出缺陷,而 后再確定缺陷的大小即定量。缺陷檢出過程中,檢 測裝置的掃查速度很快,而缺陷定量過程中,檢測裝 置的掃查速度很慢。為提高檢測效率,節約檢測時 間,通過試驗摸索,筆者確定了缺陷檢出和定量最合 理的運動參數,并內置到主控軟件模塊中。操作者 只需點擊缺陷檢出模式或定量模式,檢測裝置會按 照預定的最佳掃查速度運動。 

4 檢測試驗 

所研制的接管安全端焊縫缺陷檢測裝置樣機實物 如圖8所示,主控制系統完成檢測裝置在接管外部及 內部位姿調整動作,實現裝置管內快速定位功能;檢測 過程中,通過預設缺陷檢出與缺陷定量運動參數,能有 效提高檢測效率且保證檢測質量。筆者通過檢測試驗 驗證了接管安全端焊縫缺陷檢測裝置缺陷檢出工藝過 程設置合理,運動過程及機械結構穩定可靠。

5 結語 

(1)研制了一種輕便型接管安全端焊縫缺陷檢 測裝置樣機,為解決國內核電站該焊縫缺陷檢測設 備結構龐大、安裝困難、操作復雜等問題提供了一定 參考,有效提高了接管安全端焊縫缺陷的檢測效率。 

(2)該設備可靠的定位機構,合理的校驗機構, 完善的周向和軸向運動機構可為同類設備結構設計 提供參考。 

(3)該設備采用高壓驅動低壓保壓的氣路控制 模式,有效降低了水下工作時驅動部件的故障率。

<文章來源 > 材料與測試網> 期刊論文 > 無損檢測 > 44卷 > 6期 (pp:10-14)>