許俊龍，汪 濤，馬官兵，王韋強

(中廣核檢測技術(shù)有限公司，江蘇 蘇州 215021)

第二代壓水堆核電站主要采用裝配式的圍板結(jié)構(gòu)，其堆芯外側(cè)安裝有圍板組件，圍板與吊籃之間安裝有輻板，以保證圍板的準直并提供結(jié)構(gòu)剛度。圍板與圍板之間以及圍板與輻板之間采用螺栓進行連接，均稱之為圍板螺栓。圍板及圍板螺栓的結(jié)構(gòu)完整性對于保證堆芯的安全穩(wěn)定運行具有重要意義。

以M310機組為例，其圍板組件包括44塊圍板和64塊幅板，共有圍板螺栓960個，圍板組件全長約4 m，輻板在長度方向上分8層，每層間距約520 mm[1]。圍板螺栓外部結(jié)構(gòu)如圖1所示，端部為外六角結(jié)構(gòu)，沿對角線開有止動槽，螺栓安裝后焊接防松條，可以有效地防止運行過程中螺栓的松動。

圖1 圍板組件及圍板螺栓結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of baffle assembly and baffle bolt

堆芯圍板螺栓的材質(zhì)是奧氏體不銹鋼，安裝后內(nèi)部會存在一定拉應力，長期處于弱硼酸和強中子輻照的影響，易產(chǎn)生輻照促進應力腐蝕裂紋，在振動條件下，裂紋會不斷增長，嚴重時甚至引起螺栓斷裂，影響堆芯的安全穩(wěn)定運行，比利時在1991年至2010年間對Tihange核電站1號機組進行了5次圍板螺栓超聲檢查，在1995年的檢查中有37根圍板螺栓被認定存在裂紋，有53根螺栓的檢查結(jié)果難以確認，這90根螺栓在1995年就被全部替換[2]。國際上能夠進行圍板螺栓在役檢查的裝置主要有法國AREVA公司的MAST System和SUSI 420，美國西屋公司的SUPRREM-ROSA V，西班牙的TECNATOM的ROBBIN等。MAST System和SUPRREM-ROSA V以堆內(nèi)構(gòu)件或其他固定結(jié)構(gòu)為支撐點，利用其末端執(zhí)行器攜帶相關(guān)探頭完成相應的檢查工作，其安裝及拆除過程復雜，需要占用核島內(nèi)的環(huán)吊資源。SUSI 420和ROBBIN是多用途的核電水下機器人，需要執(zhí)行水下檢查、監(jiān)視、維修等操作。其結(jié)構(gòu)復雜，可靠性及現(xiàn)場可維修性差。本文基于以上研究現(xiàn)狀，設(shè)計一種可靠性高、經(jīng)濟性好的圍板螺栓在役檢查系統(tǒng)，具有較高的應用推廣價值。

1 在役檢查法規(guī)要求

現(xiàn)行的在役檢查法規(guī)對堆芯檢查的規(guī)定均比較籠統(tǒng)，HAD103—07—1988《核電廠在役檢查》僅規(guī)定了堆芯支承結(jié)構(gòu)的內(nèi)部連接件和堆芯支承結(jié)構(gòu)件的可達區(qū)域應進行目視檢查，但并未規(guī)定具體的檢查部位，ASME(2004版)規(guī)范也只要求對可拆除的堆芯支承結(jié)構(gòu)件進行目視檢查(VT-3)，對具體檢查部位也未作規(guī)定。國際原子能機構(gòu)(IAEA)于2007年6月發(fā)布文件IAEA—TECDOC—1557[3]，該文件從老化管理的角度為壓水堆核電站堆內(nèi)構(gòu)件的檢查提供了相關(guān)指引和參考信息，同時介紹了法國、德國、日本、俄羅斯、美國等國家的檢查和監(jiān)測情況。在堆芯檢查技術(shù)方面，國際上主要采用目視檢查方法，用于發(fā)現(xiàn)變形、裂紋、松脫、部件丟失、磨損和腐蝕等。對圍輻板螺栓需要進行超聲檢查以便探測目視檢查無法接近或無法發(fā)現(xiàn)的缺陷。美國電力研究院(EPRI)于2008年首次發(fā)布文件MRP—227[4]，并于2015年更新了版本，該報告從老化管理的角度為壓水堆核電站堆內(nèi)構(gòu)件的檢查提供了相關(guān)指引。在檢查技術(shù)方面提出了采用目視檢查(VT-1或VT-3)或增強型目視檢查方法(EVT-1)，針對圍輻板螺栓等部件提出了超聲檢查的要求。

圍板螺栓的失效更接近于加速老化的情形，參考上述法規(guī)和指引，本文采用間接目視技術(shù)檢測防松條焊縫的裂紋、腐蝕、變形等，采用超聲技術(shù)檢查圍板螺栓內(nèi)部裂紋。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

反應堆換料大修時，圍板組件放置于充滿去離子水的池內(nèi)以屏蔽可能的輻射。圍板螺栓的在役檢查由岸上人員遠程操縱水下設(shè)備完成信號的采集，其系統(tǒng)如圖2所示，包括水下機器人、岸上控制系統(tǒng)、無損檢測單元和臍帶線等。

圖2 圍板螺栓在役檢查系統(tǒng)示意圖Fig.2 System of baffle bolt in-service inspection

水下機器人是檢測系統(tǒng)的搭載平臺，放置于圍板測，安裝有超聲探頭、視頻檢查攝像頭、監(jiān)視攝像頭、照明組件等。岸上控制系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的核心，一方面對水下機器人發(fā)送控制指令，另一方面接受水下機器人所采集的視頻信號、超聲信號和傳感器信號，信號的處理和存儲也由岸上控制系統(tǒng)完成。無損檢測單元主要用以保證視頻及超聲信號的采集和數(shù)據(jù)分析。臍帶電纜線是水下機器人和岸上控制系統(tǒng)之間進行信號傳遞和電力供應的線纜。為了減少對水下機器人的擾動，該電纜采用特殊的結(jié)構(gòu)形式，保證線纜入水時的浮力近似于線纜自重。

3 本體及控制系統(tǒng)

3.1 水下機器人本體

水下機器人本體采用了開架式的結(jié)構(gòu)形式，各功能模塊可以認為是單獨的模塊化組件，提高了功能配置的靈活性，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 水下機器人的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure of Underwater robot1—耐輻照攝像頭；2—照明單元；3—臍帶線；4—浮力艙；5—推進器；6—水下控制單元

浮力艙安裝在水下機器人的上部，可以有效提高浮心的位置，從而保證機器人的姿態(tài)穩(wěn)定性?？紤]可去污性和承壓能力，浮力艙選用全金屬殼體結(jié)構(gòu)，設(shè)計完成后必須對其最大壓力進行校核。

3.2 推進器布置

水下機器人推進器的布置需要綜合考慮水下機器人的運動要求，根據(jù)推進力的作用平面可以分為水平運動推進器和垂直運動推進器。本文所用的水下機器人配置4個螺旋槳推進器，其中2個水平交叉布置，2個垂直交叉布置，如圖4所示，改變推進器的運動形式可以實現(xiàn)水下機器人下潛、上浮、前進、后退、左右轉(zhuǎn)向和側(cè)移運動。

圖4 推進器的布置圖Fig.4 Layout of thrusters

3.3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)是本套系統(tǒng)的核心，決定著設(shè)備的主要運動性能，圍板螺栓在役檢查裝置的控制系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.5 Schematic of control system

水下控制單元采用嵌入式架構(gòu)設(shè)計和實現(xiàn)。水下運動時，實時采集水下機器人的航姿信息(如深度、姿態(tài)等信息)，通過閉環(huán)模糊PID控制算法驅(qū)動推進器的運動。水下控制單元內(nèi)安裝有濕度傳感器，用于實時監(jiān)測艙體內(nèi)的濕度，以確?？刂葡到y(tǒng)水下工作的安全。

岸上控制系統(tǒng)的主要設(shè)備有上位機、控制箱、手持控制器和顯示器。通過臍帶線和水下控制單元進行連接。岸上操作人員通過手持控制器發(fā)出控制指令，該指令經(jīng)過分解傳送到水下控制單元進行解析，然后控制推進器等執(zhí)行機構(gòu)完成動作。與此同時，水下控制單元收集各類傳感器、攝像機、超聲探頭信號，通過臍帶線實時傳遞到岸上控制系統(tǒng)，并將數(shù)據(jù)進行顯示，指導操作人員操作。系統(tǒng)樣機及控制系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 樣機及控制系統(tǒng)Fig.6 Picture of the robot and control system

4 無損檢測系統(tǒng)

為了對圍板螺栓的外觀及內(nèi)部狀況進行評估，在役狀態(tài)下采用了VT檢查和UT檢查。VT檢查采用耐輻照攝像機，首先對整個圍板內(nèi)表面(含圍板螺栓)進行視頻掃查，檢查前及檢查結(jié)束后需要利用靈敏度標定卡對設(shè)備進行靈敏度標定。圍板螺栓超聲檢查的主要目標是檢出裂紋這類平面型缺陷，當前行業(yè)對圍板螺栓超聲檢查的記錄和驗收標準主要基于在役核電站的檢查經(jīng)驗反饋，美國EPRI發(fā)布的MRP—227導則要求超聲檢測能夠檢出30%橫截面積的平面型缺陷[4]，裂紋缺陷位置主要在b處和e處，以及c處向上傾斜30°內(nèi)的范圍，如圖7所示。

圖7 圍板螺栓典型缺陷類型及分布Fig.7 Typical defects and distribution of baffle bolt

對現(xiàn)有商運核電機組在役檢查時的劑量評估，圍板附近劑量率約50～200 mSv/h。攝像頭感光元件是成像的關(guān)鍵部件，同時對高能射線比較敏感。因此在強輻射環(huán)境下，需要對攝像頭進行特殊的耐輻照處理技術(shù)，選擇專用的耐輻照攝像頭進行視頻檢查，保證視頻檢測的圖像質(zhì)量。檢查攝像頭的主要參數(shù)如表1所示。

表1 視頻攝像頭主要參數(shù)Table 1 Main parameters of video camera

超聲探頭安裝4個頻率為5 MHz，入射角度為8°的晶片，如圖8所示，數(shù)據(jù)采集時，將超聲探頭與圍板螺栓進行貼合，通過超聲采集軟件按照晶片1、晶片2、晶片3、晶片4的順序進行激發(fā)，從而得到4個A-scan圖像。

圖8 超聲探頭及耦合方式Fig.8 Ultrasonic probe and coupling mode

5 系統(tǒng)測試

為了進行系統(tǒng)的測試，設(shè)計并制造了等比例模擬體，放置于10 m深水池中。水下機器人攜帶檢查工具放置于測試水池內(nèi)，如圖9所示，通過岸上控制系統(tǒng)遠程控制水下機器人到達指定位置，利用攜帶的耐輻照攝像機和超聲探頭進行數(shù)據(jù)采集。

圖9 系統(tǒng)在測試水池中進行信號采集Fig.9 Signalacquiring of in the testing pool

利用定制的靈敏度標定卡對耐輻照攝像頭進行靈敏度標定和測試，如圖10所示，在水下間接目視條件下能夠識別寬度25 μm，長度10 mm的交叉十字線。

圖10 靈敏度標定卡的視頻信號采集Fig.10 Video of the sensitivity calibration card

對于等比例圍板組件模擬體，分別安裝無缺陷和刻有30%橫截面積人工傷的圍板螺栓，其外部焊接有等尺寸防松條。在岸上操縱水下機器人使超聲探頭正確對準待檢螺栓，確認探頭耦合良好后，凍結(jié)掃查數(shù)據(jù)，如圖11所示，該系統(tǒng)準確識別人工刻傷。

圖11 超聲檢查的采集數(shù)據(jù)Fig.11 Signals of the ultrasonic testing

6 結(jié)論

圍板螺栓是堆芯內(nèi)的關(guān)鍵連接件，在強中子輻照環(huán)境下易產(chǎn)生輻照促進應力腐蝕裂紋。本文通過設(shè)計水下視頻及超聲檢查系統(tǒng)，可利用水下機器人實現(xiàn)對圍板螺栓外表面和內(nèi)部檢查，外表面檢查的分辨率達到25 μm，內(nèi)部超聲檢查的檢出能力達到30%橫截面的平面型缺陷。等比例模擬體的試驗驗證了該系統(tǒng)在核電站的實際應用能力。測試過程中，超聲探頭的對位和耦合對操作員的熟練程度依賴較大，后續(xù)需要進一步提高水下機器人的姿態(tài)穩(wěn)定性，提高設(shè)備的實用性。