核電站壓力容器接管安全端焊縫缺陷的超聲自動檢測系統(tǒng)

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。

圖1

某類型壓力容器接管剖面圖根據(jù)國外核電站運行經(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。為此，國核電站運行服務(wù)技術(shù)有限公司的技術(shù)人員研制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。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。新設(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。下面以檢測裝置的定位機(jī)構(gòu)、軸向和周向運動機(jī)構(gòu)、探頭校驗機(jī)構(gòu)和輔助機(jī)構(gòu)這4個主要組成機(jī)構(gòu)為重點，介紹檢測裝置的設(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定位機(jī)構(gòu)設(shè)計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=165N。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<X3），如果把X4忽略，則整個計算過程是偏向于安全的。產(chǎn)生的額外力偶矩ΔM=F2×X3。零位狀態(tài)和極限狀態(tài)產(chǎn)生的額外力矩需要壓緊氣缸的壓緊力來抵消，假設(shè)是每組單個氣缸產(chǎn)生的壓緊力來抵消，則近似有：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=0.485m，F(xiàn)2=165N，X3=0.4m代入式(1)，可知F3=136N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?？紤]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)行部件運動的可靠性。設(shè)定檢測裝置工作水深為20m，則該位置產(chǎn)生的水壓為：P水=ρgh=196kPa

(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=600kPa，P2=300kPa，S=3.16×10-3

m2。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(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=2804.1N。Ff主要用來抵消端部效應(yīng)器運動過程中產(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=600kPa，P2=300kPa是合理的。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)作用原理參見下文中電氣比例閥工作原理。2軸向和周向運動機(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。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。4

輔助機(jī)構(gòu)

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。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動（見圖5）。圖5

檢測裝置的四個自由度端部效應(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。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。氣路設(shè)計圖6氣路設(shè)計原理示意氣路設(shè)計原理如上圖所示。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。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)?？刂葡到y(tǒng)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動。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