程保良，鄧景珊，張寶軍，陳君榮

(國核電站運(yùn)行服務(wù)技術(shù)有限公司，上海 200233)

核電站反應(yīng)堆壓力容器(RPV)接管安全端是反應(yīng)堆壓力容器接管與主管道之間的連接過渡段，是反應(yīng)堆冷卻劑壓力邊界的重要組成部分。安全端兩側(cè)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(qū)，在核電站運(yùn)行中要承受高溫、高壓、高輻射的交變復(fù)雜應(yīng)力和腐蝕，故該兩道焊縫的質(zhì)量對于保障一回路系統(tǒng)的完整性至關(guān)重要。

根據(jù)國外核電站運(yùn)行經(jīng)驗反饋，該焊縫檢查頻度一般高于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，為3～4個換料周期，而目前國內(nèi)對該焊縫的檢測主要通過反應(yīng)堆壓力容器十年大修來完成，由于設(shè)備龐大，檢測周期長，操作較為復(fù)雜。為了靈活方便地對接管安全端焊縫進(jìn)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(jī)，該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)反應(yīng)堆壓力容器安全端焊縫的自動掃查。

1 檢測裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了完成焊縫檢測，檢測裝置結(jié)構(gòu)應(yīng)能實現(xiàn)正確安裝、可靠定位、自動掃查等功能。筆者所設(shè)計的檢測裝置的突出特點有自動軸向定位、探頭與待檢區(qū)域恒力貼合、一次安裝完成所有掃查等。該節(jié)以檢測裝置的定位機(jī)構(gòu)，軸向和周向運(yùn)動機(jī)構(gòu)，探頭校驗機(jī)構(gòu)和輔助機(jī)構(gòu)等4個主要組成機(jī)構(gòu)為重點，介紹了檢測裝置的設(shè)計思路和工作特點，檢測裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 檢測裝置結(jié)構(gòu)示意

1.1 定位機(jī)構(gòu)設(shè)計

1.1.1 檢測裝置相對于接管的定位和壓緊

理想狀態(tài)下，檢測裝置懸浮在接管中。在軸向進(jìn)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(chǎn)生的壓緊力組合吸收。端部效應(yīng)器處于不同位置的受力簡圖如圖3所示。

圖3 端部效應(yīng)器處于不同位置的受力簡圖

圖3中F1，F(xiàn)2分別為檢測裝置尾部浮力塊和頭部浮力塊產(chǎn)生的浮力，G為檢測裝置減去本體浮力后的重力。根據(jù)平面力系的任意平衡方程得F2=165 N。當(dāng)端部效應(yīng)器處于極限位置時，F(xiàn)2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

ΔM=F2×X3=F3·L

(1)

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(chǎn)生的壓緊力。

將L=0.485 m，F(xiàn)2=165 N，X3=0.4 m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(zhuǎn)帶來的慣性力導(dǎo)致的檢測裝置機(jī)架震動，影響檢測精度。

單個氣缸定位壓緊力F為

F=ΔPS=(P1-P2)S

(2)

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(shè)備在水中工作時可能會有水進(jìn)入電機(jī)或氣缸中，影響執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作，故采用動密封內(nèi)部壓縮空氣保壓的方式保證執(zhí)行部件運(yùn)動的可靠性。設(shè)定檢測裝置工作水深為20 m，則該位置產(chǎn)生的水壓為

P水=ρgh=196 kPa

(3)

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(shè)P1=600 kPa，P2=300 kPa，S=3.16×10-3m2。代入式(2)中得F=934.7 N?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(yīng)器伸縮產(chǎn)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(shù)取0.5，則兩組6個氣缸產(chǎn)生的摩擦力Ff=6×F×0.5=2 804.1 N。Ff主要用來抵消端部效應(yīng)器運(yùn)動過程中產(chǎn)生的動態(tài)慣性力和探頭與待檢區(qū)域間的摩擦力，因為端部效應(yīng)器旋轉(zhuǎn)速度和進(jìn)給速度緩慢，所以動態(tài)慣性力和摩擦力很小，F(xiàn)f可以保證檢測裝置在接管中的位置固定。經(jīng)試驗驗證，選用P1=600 kPa，P2=300 kPa是合理的。

1.1.2 端部效應(yīng)器相對于檢測裝置的定位和壓緊

端部效應(yīng)器需要實現(xiàn)兩個動作，軸向進(jìn)給和周向旋轉(zhuǎn)。為確保焊縫缺陷檢出后，檢測探頭能準(zhǔn)確找到缺陷位置并進(jìn)行定量檢測，需要給端部效應(yīng)器在軸向和周向上分別設(shè)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(zhuǎn)電機(jī)組件上安裝有另一霍爾傳感器，用來確定端部效應(yīng)器的周向零點。設(shè)備通電后需首先確定零點位置。

端部效應(yīng)器安裝在雙導(dǎo)桿氣缸上，探頭安裝在端部效應(yīng)器上。由于檢測過程中需要保持探頭與待檢焊縫區(qū)域貼合，需有一定的力作用于端部效應(yīng)器上。筆者采用氣缸的壓緊力來實現(xiàn)該效果，并保證該力為恒力，詳細(xì)作用原理參見第2節(jié)中電氣比例閥工作原理。

1.2 軸向和周向運(yùn)動機(jī)構(gòu)

如圖2所示，軸向進(jìn)給電機(jī)安裝在檢測裝置的下部，通過齒輪箱換向驅(qū)動絲杠螺母副轉(zhuǎn)動，帶動絲杠前后運(yùn)動。絲杠與導(dǎo)軌在兩端聯(lián)結(jié)為一體，整個周向旋轉(zhuǎn)裝置都安裝在絲杠導(dǎo)軌聯(lián)結(jié)體的末端。軸向進(jìn)給電機(jī)與減速器安裝在電機(jī)箱內(nèi)，電機(jī)軸輸出端與齒輪箱輸入端通過特制聯(lián)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(xiàn)。齒輪箱輸出軸安裝有兩個反裝的唇形密封圈，防止水進(jìn)入齒輪箱。為保證齒輪箱及電機(jī)可靠工作，往電機(jī)箱中引入壓縮空氣，并通過電機(jī)箱與齒輪箱之間的間隙進(jìn)入齒輪箱，起到電機(jī)箱與齒輪箱雙重防水的作用。

周向旋轉(zhuǎn)電機(jī)與減速器安裝在周向旋轉(zhuǎn)電機(jī)箱內(nèi)，采用行星齒輪減速器，以提高減速比，降低端部效應(yīng)器的掃查速度。電機(jī)軸通過聯(lián)軸器同旋轉(zhuǎn)盤相連，旋轉(zhuǎn)盤上安裝有氣缸。工作時，旋轉(zhuǎn)盤帶動氣缸和端部效應(yīng)器旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)自動掃查。由于旋轉(zhuǎn)盤與周向電機(jī)箱之間存在相對運(yùn)動，需要動密封以保證電機(jī)箱不進(jìn)水。筆者采用雙O型密封圈動密封，同時在電機(jī)箱內(nèi)通入壓力大于水深壓力的壓縮空氣，保證電機(jī)箱的防水性。

為提高檢測質(zhì)量，減少安裝和調(diào)試時間，保證檢測數(shù)據(jù)真實可靠，選用伺服電機(jī)作為周向和軸向進(jìn)給電機(jī)。伺服電機(jī)優(yōu)點為響應(yīng)速度快，無爬行，且電機(jī)剛度好，定位準(zhǔn)確。

1.3 探頭校驗機(jī)構(gòu)

探頭校驗試塊的設(shè)計要滿足端部效應(yīng)器在軸向和周向有一定的活動空間，以適應(yīng)端部效應(yīng)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(jié)束后進(jìn)行的，校驗頻度較高，故設(shè)計校驗機(jī)構(gòu)位于檢測裝置正下方。需要校驗時，通過遠(yuǎn)程控制和視頻監(jiān)控完成在線校驗。校驗機(jī)構(gòu)如圖2所示，探頭校驗過程流程圖如圖4所示。

圖4 探頭校驗過程流程圖

由于待測接管孔徑范圍較大，尤其是在接管內(nèi)徑較小時，在保證滿足校驗要求前提下，試塊進(jìn)入接管的難度大。因此筆者采用長氣缸驅(qū)動，避免了采用絲杠驅(qū)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(dǎo)桿吊架上2點，保證試塊伸出時校驗機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)

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(tài)，驅(qū)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(diào)，其內(nèi)部被分割為不同體積的小腔體，腔體內(nèi)填充泡沫。當(dāng)需要調(diào)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(nèi)的泡沫即可。

1.4.2 螺旋槳驅(qū)動機(jī)構(gòu)

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(yīng)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(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向可以實現(xiàn)檢測裝置四個自由度的運(yùn)動(見圖5)。

圖5 檢測裝置的四個自由度

1.4.3 端部效應(yīng)器機(jī)構(gòu)

檢測裝置共有兩個端部效應(yīng)器，其中端部效應(yīng)器1用于缺陷的檢出，端部效應(yīng)器2用于缺陷的定量。端部效應(yīng)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(jìn)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(yīng)器進(jìn)入接管內(nèi)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(yīng)器二次進(jìn)入接管時的重復(fù)定位誤差問題。

1.4.4 手動送入機(jī)構(gòu)

如圖2所示，檢測裝置尾部安裝有快接接頭。當(dāng)螺旋槳出現(xiàn)故障裝置不能自動進(jìn)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(jiān)控把檢測裝置送入接管內(nèi)部。

2 氣路設(shè)計

氣路設(shè)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(qū)動。所有氣缸工作于差壓狀態(tài)，在工作的任意時刻，氣缸的兩側(cè)都有壓力，保證水不會通過氣缸的動密封進(jìn)入氣缸內(nèi)部，導(dǎo)致氣缸失效。同時，低壓回路還與電機(jī)箱相通，保證電機(jī)在水下工作時的可靠性。氣路中共設(shè)置3個氣壓表，主要目的分別為監(jiān)測氣源輸出壓力、驅(qū)動壓力和保壓壓力，氣壓表安裝在控制柜面板上?？紤]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。

圖6 氣路設(shè)計原理示意

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(fā)生改變。氣缸兩端的調(diào)速閥主要用來控制氣缸進(jìn)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(jī)實現(xiàn)遠(yuǎn)程實時控制探頭的壓緊力，保證檢測數(shù)據(jù)的真實性與可靠性。由于探頭校驗時兩個端部效應(yīng)器不能同時校驗(以避免發(fā)生運(yùn)動干涉)，故每個端部效應(yīng)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(xiàn)。

3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)的總體框圖如圖7所示。

圖7 控制系統(tǒng)的總體框圖

主控控制系統(tǒng)安裝在集裝箱內(nèi)，現(xiàn)場安裝完畢后，操作人員遠(yuǎn)程控制檢測裝置在接管內(nèi)的動作。使用螺旋槳安裝定位時，主控制系統(tǒng)向控制螺旋槳的電機(jī)發(fā)送指令，驅(qū)動螺旋槳將檢測裝置推入接管。當(dāng)安裝在檢測裝置上的兩個限位開關(guān)同時觸發(fā)時，主控系統(tǒng)打開夾緊氣缸的電磁閥，完成定位。

檢測裝置機(jī)架上安裝有兩個霍爾傳感器用來確定端部效應(yīng)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(tǒng)靈敏度。端部效應(yīng)器上安裝有一小型攝像頭，可以觀察到端部效應(yīng)器氣缸的伸縮狀態(tài)，監(jiān)測探頭運(yùn)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(jié)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(yùn)動參數(shù)，并內(nèi)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(yù)定的最佳掃查速度運(yùn)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(jī)實物如圖8所示，主控制系統(tǒng)完成檢測裝置在接管外部及內(nèi)部位姿調(diào)整動作，實現(xiàn)裝置管內(nèi)快速定位功能；檢測過程中，通過預(yù)設(shè)缺陷檢出與缺陷定量運(yùn)動參數(shù)，能有效提高檢測效率且保證檢測質(zhì)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(shè)置合理，運(yùn)動過程及機(jī)械結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠。

圖8 接管安全端焊縫缺陷檢測裝置樣機(jī)實物

5 結(jié)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(jī)，為解決國內(nèi)核電站該焊縫缺陷檢測設(shè)備結(jié)構(gòu)龐大、安裝困難、操作復(fù)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(shè)備可靠的定位機(jī)構(gòu)，合理的校驗機(jī)構(gòu)，完善的周向和軸向運(yùn)動機(jī)構(gòu)可為同類設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。

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