周路生1，魏文斌，劉一舟1，鄭 正

(1.國核電站運(yùn)行服務(wù)技術(shù)有限公司，上海 200233；2.山東核電有限公司,山東煙臺(tái) 265116)

0 引言

1991年9月，法國某核電站壓水堆在水壓試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)了壓力容器頂蓋的控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)貫穿件管嘴存在泄漏的現(xiàn)象[1]，之后，各國核安全監(jiān)管機(jī)構(gòu)對頂蓋在役檢查都非常重視。AP1000采用先進(jìn)的三代非能動(dòng)核電技術(shù)，其中壓力容器頂蓋一體化堆頂設(shè)計(jì)是重要?jiǎng)?chuàng)新之一，該設(shè)計(jì)可以有效縮短停堆換料周期、優(yōu)化占用時(shí)間，提高設(shè)備操作的安全性[2]。頂蓋作為反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)(RCS)的壓力邊界的重要組成部分，對保障一回路系統(tǒng)的安全性具有重要意義。AP1000核電站的反應(yīng)堆壓力容器頂蓋外形是整體鍛造而成的半球形封頭，貫穿件通過過盈脹接的方式與頂蓋連接，其底部與頂蓋內(nèi)壁設(shè)置J形焊縫[3]，貫穿件和J形焊縫材料采用Inconel 690材料替代了Inconel 600材料，有效地提高了對一次側(cè)冷卻劑水的耐腐蝕性。AP1000壓力容器頂蓋貫穿件包括69根控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(CRDM)管、1根排氣管和8根Quickloc儀表接管，頂蓋具體結(jié)構(gòu)形式如圖1所示[4]。在對反應(yīng)堆壓力容器進(jìn)行換料或維修時(shí)，頂蓋及一體化堆頂設(shè)備將被整體吊裝移出反應(yīng)堆壓力容器，放置到安裝了生物屏蔽圈的指定檢查區(qū)域內(nèi)。役前和在役檢查時(shí)，通過屏蔽圈的人孔門將檢測裝置送進(jìn)頂蓋下部，檢查人員按照制定的檢查計(jì)劃對各貫穿件的檢驗(yàn)區(qū)域?qū)嵤卟椤?/p>

本文結(jié)合ASME規(guī)范的要求，介紹應(yīng)用于國內(nèi)某AP1000核電站壓力容器頂蓋全范圍的自動(dòng)檢查設(shè)備和檢測技術(shù)，并根據(jù)現(xiàn)場應(yīng)用反饋的技術(shù)問題，提出針對在役檢查階段時(shí)裝置的改進(jìn)方向和建議。

1 檢查范圍及要求

AP1000壓力容器頂蓋役前、在役檢查總體要求按照ASME規(guī)范第Ⅺ卷執(zhí)行,ASME規(guī)范98版并沒有對頂蓋貫穿件J形焊縫提出體積性檢查要求，只要求進(jìn)行相應(yīng)目視檢查。法國某核電站頂蓋一次側(cè)冷卻劑泄漏事件后，2003年2月，美國核管會(huì)發(fā)布了規(guī)定性文件“EA-03-009,10CFR50.55a《壓水堆反應(yīng)堆壓力容器頂蓋檢查暫行要求 Rev.1》”，按照該文件的要求，應(yīng)將通風(fēng)管、儀表管及CRDM貫穿件的J形焊縫納入在役檢查的范疇。2006年11月，ASME規(guī)范第Ⅺ卷的規(guī)范案例N-729-1由美國機(jī)械工程學(xué)會(huì)正式批準(zhǔn)，作為反應(yīng)堆壓力容器頂蓋貫穿件J形焊縫的替代性檢查要求，最終替代規(guī)定性文件“EA-03-009”，案例N-729-1詳細(xì)規(guī)定了頂蓋檢查的具體范圍及采用方法。

1.1 ASME 規(guī)范和案例要求

根據(jù)ASME規(guī)范第Ⅺ卷表IWB-2500-1的規(guī)定，在每個(gè)檢查周期內(nèi)應(yīng)對反應(yīng)堆壓力容器頂蓋CRDM管密封殼對接焊縫實(shí)施體積性或表面檢查，由于受可達(dá)性及檢查技術(shù)的局限，通常采用手動(dòng)檢查，抽取外圍10%的CRDM管[5]。為發(fā)現(xiàn)一次側(cè)冷卻劑可能導(dǎo)致的應(yīng)力腐蝕裂紋(PWSCC)，ASME規(guī)范案例N-729-4(2012版)要求周期性地對反應(yīng)堆壓力容器頂蓋外表面母材進(jìn)行表面檢查和對貫穿件母材進(jìn)行表面和體積性檢查，貫穿件的檢驗(yàn)區(qū)域?yàn)镴形焊縫最低點(diǎn)往下50 mm和J形焊縫最高點(diǎn)往上50 mm的范圍內(nèi)[6]，具體如圖2所示。通常的檢查方式為采用超聲方法針對貫穿件J形焊縫最高點(diǎn)往上50 mm和J形焊縫最低點(diǎn)往下50 mm范圍內(nèi)的母材區(qū)域；采用渦流方法針對貫穿件J形焊縫所有與冷卻劑接觸的表面和J形焊縫最高點(diǎn)往上50 mm及J形焊縫最低往下50 mm范圍內(nèi)與冷卻劑接觸的貫穿件內(nèi)外母材表面。

注：a=2in.(50.8 mm)，GF=0.25in.(6.4 mm)圖2 頂蓋貫穿件的檢驗(yàn)區(qū)域

1.2 檢查范圍

根據(jù)AP1000壓力容器頂蓋的結(jié)構(gòu)形式，對壓力容器頂蓋的檢查范圍和采用的檢查方法進(jìn)行了細(xì)化，具體如表1所示。

表1 AP1000壓力容器頂蓋檢查范圍

2 頂蓋全范圍檢查系統(tǒng)

在役檢查時(shí)，頂蓋貫穿件檢查區(qū)域具有高放射性，人員無法接近，檢測部位在貫穿件內(nèi)部，無法直接目視確認(rèn)[7-10]，因而檢查裝備應(yīng)是一套全自動(dòng)控制檢查系統(tǒng)，集超聲、渦流和視頻監(jiān)控檢查功能于一體，并最大程度地兼顧在役檢查時(shí)人員、裝備輻射防護(hù)的要求。圖3為役前現(xiàn)場檢查采用的頂蓋自動(dòng)化檢查系統(tǒng)(RVHI)示意圖[11]。公司引進(jìn)的美國某公司頂蓋檢查系統(tǒng)并不具備頂蓋全范圍檢查能力，通過引進(jìn)和自主研發(fā)的方式，對專用掃查裝置進(jìn)行局部改進(jìn)，補(bǔ)充開發(fā)了適用于從頂蓋內(nèi)部實(shí)施的自動(dòng)檢查技術(shù)，解決了對于CRDM管密封殼對接焊縫、Quickloc接管異種金屬對接焊縫、管座焊縫，從頂蓋外部實(shí)施手動(dòng)超聲檢測難度大的問題。

圖3 AP1000頂蓋自動(dòng)檢測系統(tǒng)示意

頂蓋檢查系統(tǒng)主要由五自由度ROSA機(jī)械手、專用掃查裝置、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、超聲數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)、音視頻系統(tǒng)等部分組成。實(shí)施檢查時(shí)，預(yù)先放置于屏蔽圈內(nèi)的Trolley小車上ROSA機(jī)械手與攜帶可更換檢驗(yàn)探頭組件的專用掃查裝置快速對接，電氣控制人員操作掃查裝置實(shí)現(xiàn)對貫穿件的對中，并完成對被檢驗(yàn)區(qū)域的數(shù)據(jù)采集，提供給后臺(tái)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行離線數(shù)據(jù)分析。

2.1 ROSA機(jī)械手

ROSA機(jī)械手的功能是安裝在Trolley小車上并攜帶專用掃查裝置到達(dá)指定的貫穿件位置。利用5個(gè)關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的組合，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手端部在任意某位置的可達(dá)性，機(jī)械手主要由5個(gè)關(guān)節(jié)軸和4個(gè)連接臂組成，主要由電機(jī)、諧波減速器、旋轉(zhuǎn)變壓器、外殼等零部件組成。由于機(jī)械手本身結(jié)構(gòu)的限制，5個(gè)關(guān)節(jié)軸的運(yùn)動(dòng)角度并不能實(shí)現(xiàn)360°無極旋轉(zhuǎn)，只能在一定的范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)。

2.2 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

RVHI檢查系統(tǒng)的控制部分主要有ROSA機(jī)械手運(yùn)動(dòng)控制、專用掃查裝置運(yùn)動(dòng)控制及音視頻控制三部分組成。ROSA機(jī)械手運(yùn)動(dòng)控制軟件ROBOTCAD三維圖形軟件提供了一個(gè)具有實(shí)時(shí)、全三維動(dòng)態(tài)顯示、可進(jìn)行編程/組態(tài)、測量及干涉檢測的三維圖形環(huán)境。掃查裝置運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)集成于數(shù)據(jù)采集工作站，通過系統(tǒng)設(shè)置，可實(shí)現(xiàn)對不同類型掃查裝置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制、調(diào)節(jié)氣壓值和攝像頭光亮度等功能。音視頻系統(tǒng)可以輔助ROSA機(jī)械手進(jìn)行貫穿件與檢查探頭組件的對中和監(jiān)控ROSA機(jī)械手與專用掃查裝置的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及實(shí)現(xiàn)核島內(nèi)與數(shù)據(jù)采集、分析集裝箱工作場所之間的通話交流。

2.3 專用掃查器

專用掃查裝置通過燕尾槽快速連接方式安裝在ROSA機(jī)械手的第五軸，操作人員通過ROSA機(jī)械手將掃查裝置運(yùn)動(dòng)至被檢的貫穿件正下方，借助專用掃查器上接水盤上兩側(cè)監(jiān)控?cái)z像頭完成探頭組件在貫穿件的初步位置判斷和對中。根據(jù)頂蓋不同檢查對象，開發(fā)了具有兩種不同檢測功能的專用掃查裝置。

2.3.1 7160掃查器

7160掃查裝置是專門針對AP1000壓力容器頂蓋貫穿件內(nèi)部實(shí)施檢查而開發(fā)的，該裝置有3個(gè)運(yùn)動(dòng)軸，配合ROSA機(jī)械手可實(shí)現(xiàn)對不同位置的CRDM管母材內(nèi)壁超聲/渦流檢查、通風(fēng)管內(nèi)壁渦流檢查、Quickloc接管異種金屬對接焊縫/管座堆焊層超聲檢查、CRDM管密封殼對接焊縫超聲檢查。7160掃查裝置具有良好的擴(kuò)展性，通過更換位于掃查裝置頂部的探頭組件，可完成上述的檢查區(qū)域覆蓋，探頭組件與掃查裝置的快速連接及通用接口的設(shè)置，更好地適應(yīng)了在役檢查的特點(diǎn)和要求。

該掃查裝置主要有以下部件組成,(1)3個(gè)運(yùn)動(dòng)掃查軸：周向旋轉(zhuǎn)X軸、垂直運(yùn)動(dòng)Y軸及徑向運(yùn)動(dòng)W軸；(2)四路監(jiān)視攝像頭：實(shí)現(xiàn)CRDM管對中監(jiān)視和掃查器水平調(diào)節(jié)觀察；(3)線纜：主要有運(yùn)動(dòng)控制線纜和超聲、渦流信號線纜；(4)耦合劑系統(tǒng)：包括循環(huán)水管和隔膜泵，提供自動(dòng)掃查時(shí)耦合劑的供給和回收；(5)前置放大器：對采用TOFD檢測技術(shù)的接收信號進(jìn)行放大。

2.3.2 7170掃查器

7170掃查裝置則是專門針對頂蓋貫穿件J形焊縫檢查開發(fā)的掃查器，可進(jìn)行CRDM貫穿件J形焊縫及管外壁渦流檢查。掃查裝置主要有以下4部分組成,(1)4個(gè)運(yùn)動(dòng)軸：周向旋轉(zhuǎn)X軸、垂直運(yùn)動(dòng)Y軸、徑向運(yùn)動(dòng)W軸及管外壁Z軸；(2)三路監(jiān)視攝像頭：實(shí)現(xiàn)CRDM管對中監(jiān)視、掃查裝置水平儀觀察；(3)氣缸：實(shí)現(xiàn)對檢查過程掃查裝置的撐開及收緊，以及與J形焊縫和管外壁貼緊等動(dòng)作；(4)線纜和氣管：運(yùn)動(dòng)控制線纜和渦流信號線纜；氣管與氣源控制箱連接，為氣缸動(dòng)作提供氣源。

3 頂蓋一體化檢查技術(shù)

頂蓋一體化檢查技術(shù)的開發(fā)應(yīng)在滿足ASME規(guī)范及案例N-729-4要求的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場檢查環(huán)境的需求分析，實(shí)現(xiàn)對檢查對象的自動(dòng)化掃查，盡可能地減少人為干預(yù)，高效完成輻射環(huán)境下的檢查任務(wù)。按照核電監(jiān)管要求，現(xiàn)場檢查實(shí)施前,檢查裝備和技術(shù)均需通過相關(guān)機(jī)構(gòu)的能力驗(yàn)證技術(shù)驗(yàn)證和程序文件審查，以驗(yàn)證應(yīng)用于國內(nèi)AP1000核電站役前檢查結(jié)果的有效性。本節(jié)重點(diǎn)介紹開發(fā)的CRDM管母材檢查技術(shù)、Quickloc接管異種金屬對接焊縫及管座焊縫檢查技術(shù)和貫穿件J形焊縫檢查技術(shù)。

3.1 CRDM管母材檢查技術(shù)

CRDM管母材檢查的主要目的是檢測CRDM貫穿件母材在一次側(cè)冷卻劑作用下可能產(chǎn)生的應(yīng)力腐蝕裂紋(PWSCC)和泄漏至頂蓋外壁的路徑，并對裂紋的長度及高度和位置進(jìn)行精確測量。TOFD技術(shù)對垂直于表面的開口裂紋具有較強(qiáng)的敏感性，可對大于1 mm的缺陷高度進(jìn)行精確測量[12]，采用的超聲探頭主要參數(shù)見表2。探頭組件采用模塊化設(shè)計(jì)，便于直接更換，其中周向0°楔塊為TOFD模塊，分別布置了周向和軸向TOFD檢查探頭各一對；周向180°楔塊分別布置0°超聲探頭和渦流探頭，如圖4所示。渦流探頭采用“+”型點(diǎn)探頭，雙線圈設(shè)計(jì)，線圈直徑6.4 mm，工作頻率范圍為(75～500) kHz，用于輔助超聲檢查，判斷缺陷是否內(nèi)表面開口和測量缺陷長度。

表2 CRDM管母材檢查超聲探頭主要參數(shù)

圖4 頂蓋CRDM管母材檢查探頭組件

3.2 Quickloc管對接焊縫檢查技術(shù)

AP1000壓力容器頂蓋Quickloc儀表接管檢驗(yàn)范圍包括異種金屬對接焊縫和管座堆焊層母材區(qū)域，開發(fā)的檢查技術(shù)應(yīng)同時(shí)滿足二者的檢查要求，一次性完成以上2個(gè)檢驗(yàn)區(qū)域的掃查。探頭組件將采用整體安裝和快速插接的方式，可有效降低人員進(jìn)行探頭組件更換時(shí)接受的劑量照射。檢測技術(shù)開發(fā)的總體思路是采用多種角度與不同聚焦深度的雙晶縱波聚焦探頭對異種金屬焊縫檢驗(yàn)區(qū)域的缺陷進(jìn)行檢出和定量，采用橫波探頭和直探頭對堆焊層檢驗(yàn)區(qū)域進(jìn)行檢查，超聲探頭型號列表見表3。

表3 Quickloc接管超聲探頭型號

3.3 貫穿件J形焊縫檢查技術(shù)

根據(jù)ASME規(guī)范案例N-729-4的補(bǔ)充要求，頂蓋貫穿件J形焊縫檢驗(yàn)范圍為G-F-E-C區(qū)域(見圖2)，該區(qū)域范圍隨貫穿件與頂蓋的插接角度θ的變化而不同[13-14]。掃查組件應(yīng)設(shè)計(jì)為與頂蓋內(nèi)部良好貼合，并覆蓋檢驗(yàn)區(qū)域全范圍。根據(jù)掃查方式的不同，分別開發(fā)從CRDM管外壁側(cè)和頂蓋內(nèi)壁側(cè)掃查的渦流掃查組件，管外壁掃查組件可以按照模擬的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行掃查，頂蓋側(cè)內(nèi)壁掃查組件可以擬合復(fù)雜的幾何曲面，如圖5所示。渦流探頭采用“+”型點(diǎn)式雙線圈設(shè)計(jì)方式，線圈直徑3.2 mm，工作頻率范圍(75～500) kHz，為提高渦流檢查效率，頂蓋內(nèi)壁側(cè)采用雙探頭的模式。

圖5 頂蓋貫穿件J形焊縫渦流檢查探頭組件

4 現(xiàn)場應(yīng)用及問題探討

4.1 檢查系統(tǒng)現(xiàn)場應(yīng)用

2017年2月，某公司承擔(dān)了國內(nèi)一核電廠的役前工作，采用開發(fā)的AP1000頂蓋一體化自動(dòng)檢查系統(tǒng)和檢測技術(shù)順利完成了頂蓋現(xiàn)場檢查工作，自動(dòng)化檢查裝備和技術(shù)得到全面驗(yàn)證。在為期一個(gè)月的檢查周期內(nèi)，完成了頂蓋貫穿件的超聲、渦流檢查，覆蓋了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求的檢查范圍。數(shù)據(jù)采集過程中通過局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)快速傳輸，確保了分析人員在最短時(shí)間內(nèi)對數(shù)據(jù)的質(zhì)量進(jìn)行核查，降低了因數(shù)據(jù)不合格需重新進(jìn)行貫穿件對中的風(fēng)險(xiǎn)。圖6為CRDM管內(nèi)壁超聲檢測B掃圖像。

圖6 頂蓋CRDM管母材B掃圖像

4.2 問題探討

針對頂蓋自動(dòng)檢查系統(tǒng)役前檢查現(xiàn)場應(yīng)用，RVHI檢查系統(tǒng)仍存在部分不適應(yīng)現(xiàn)場的問題，主要存在以下待改進(jìn)的方面：(1)攜帶專用掃查裝置的ROSA機(jī)械手在進(jìn)行貫穿件管對中時(shí)，效率較低，對中的效果與機(jī)械操作人員水平相關(guān)性較大；(2)檢驗(yàn)程序要求12 h后進(jìn)行靈敏度校核，專用掃查器需要移出屏蔽圈，較大程度地影響了檢查效率；(3)線纜接頭的接觸不良導(dǎo)致超聲信號不夠穩(wěn)定，信號排查耽誤較長時(shí)間。

5 結(jié)語

根據(jù)國內(nèi)外核電廠的運(yùn)行實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，按照ASME規(guī)范的要求對反應(yīng)堆壓力容器頂蓋貫穿件進(jìn)行定期檢查對保障核電廠的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的意義，以超聲和渦流相結(jié)合的檢驗(yàn)方法可獲得較好的檢測效果。

現(xiàn)有的頂蓋自動(dòng)檢查系統(tǒng)在高放環(huán)境下尚未完全滿足在役檢查要求，在現(xiàn)有檢查技術(shù)的基礎(chǔ)上解決役前檢查遇到的問題，可從技術(shù)更新、檢測工藝優(yōu)化和裝備改進(jìn)等方面，更好地滿足AP1000核電廠頂蓋在役檢查的要求。

(1)技術(shù)更新：如研究頂蓋超聲相控陣技術(shù)，考慮陣列渦流技術(shù)代替現(xiàn)有的常規(guī)檢查技術(shù)的可行性研究。

(2)檢測工藝優(yōu)化：增加二次標(biāo)定過程，減少掃查器移出頂蓋屏蔽圈的次數(shù)，對探頭組件，采用更加快捷的連接結(jié)構(gòu)。

(3)裝備改進(jìn)：采用更加有效的AGV小車實(shí)現(xiàn)頂蓋貫穿件的快速對中和定位，有效地減少現(xiàn)場作業(yè)時(shí)間和人員受到的照射劑量。

(4)采用LEMO多芯同軸接插件代替老式接插件，提高超聲信號的穩(wěn)定性和可靠性。