金博

摘 ?要：針對核電站運行維護期間實際面臨的問題，對核電站運維機器人需求進行了梳理研究，總結(jié)了核電站運維機器人研發(fā)時需要重點關(guān)注的共性技術(shù)，對今后的核電站運維機器人研發(fā)具有良好的指導意義。

關(guān)鍵詞：機器人;核電站;運維;共性技術(shù)

0 引言

機器人是當今工業(yè)的重要組成部分，它們能夠精確地執(zhí)行各種各樣的任務(wù)和操作，并且無需人們工作時所需的安全措施和舒適的工作條件[1]。加之核電站設(shè)備傳統(tǒng)的人工維護方式無法從根本上避免輻照對人的傷害，且大量的人工操作也增加了核電站安全上的不確定性[2]，因此核工業(yè)界一直致力于開發(fā)出適應(yīng)核輻射環(huán)境，性能先進、可靠的核電站機器人進行設(shè)備檢修、放射性廢物處理、應(yīng)急響應(yīng)等工作。這一方面降低了用于人工防護設(shè)備的成本及管理成本，另一方面降低了工作人員受輻照劑量和勞動強度。隨著核電站裝機容量的不斷擴大，運行年限不斷提高，對機器人應(yīng)用的需求將日益迫切。本文針對核電站運行維護的實際現(xiàn)場需求，結(jié)合運維機器人在核電站運維中的應(yīng)用，總結(jié)了核電站運維機器人技術(shù)的當前進展，并對涉及的共性關(guān)鍵技術(shù)進行了分析。

1 核電站運維機器人需求分析

在核電站中，因為有放射性物質(zhì)，因此，人們很早就考慮遠距離操作及自動化（機器人化）。機器人能自動地遠距離處理長尺寸、大重量、大體積的物體，能進行復雜作業(yè)，能在大范圍內(nèi)進行多種檢測和監(jiān)視。根據(jù)核電站運維機器人應(yīng)用場景而言，主要可分為以下兩個大類：核電站檢查及關(guān)鍵設(shè)備維修更換。下文將對這兩類機器人進行詳細分析。

1.1 核電站檢查機器人

核電站檢查主要包括核電站正常運行期問的巡檢和事故發(fā)生后高輻射環(huán)境現(xiàn)場的偵測，以及換料大修期間重要設(shè)備無損檢測等方面。

對于活動范圍較小的放射性區(qū)域，可考慮開發(fā)軌道式巡檢機器人，代替巡檢人員在核輻射區(qū)對運行中難以接近的設(shè)備進行檢查。機器人配置耐輻照攝像機和溫度及輻射探測儀器等，定期自動或由工作人員在控制室遠程操作，通過圖像處理和溫度分析、輻照檢查等綜合判斷巡檢設(shè)備是否正常。對于活動范圍較大且不確定的區(qū)域，可考慮開發(fā)地面移動式機器人或飛行式機器人，移動式可以為履帶式或四足式，飛行式可以為無人機式。

核電站換料大修期間需要對設(shè)備進行缺陷檢查，以保證設(shè)備處在完好狀態(tài)。除常規(guī)視頻、溫度、輻照等檢測手段外，往往還需要特殊的超聲波探傷、渦流探傷等自動無損檢測裝置，用于對反應(yīng)堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器、主管道等的焊縫進行檢查，評估剩余壽命，進行早期預(yù)警，及時發(fā)現(xiàn)問題，確保電站穩(wěn)定安全運行。這類機器人除防輻照要求外，往往還有防水、耐水壓等工作能力要求。以反應(yīng)堆控制棒驅(qū)動機構(gòu)焊縫檢查機器人為例，核電站運行期間，反應(yīng)堆控制棒驅(qū)動機構(gòu)由于運行工況較惡劣，并且受高溫、高壓、高輻照、震動等影響?？刂瓢趄?qū)動機構(gòu)的密封焊縫有可能出現(xiàn)裂紋等缺陷，從而導致出現(xiàn)密封泄漏?？刂瓢趄?qū)動機構(gòu)在反應(yīng)堆頂蓋上部密集分布，操作空間狹小，而且對此Ω密封焊縫的焊接質(zhì)量要求很高。歷史經(jīng)驗反饋表明，控制棒驅(qū)動機構(gòu)的密封焊縫泄漏事件在國內(nèi)外核電站均有發(fā)生，一旦出現(xiàn)此類故障，不易第一時間發(fā)現(xiàn)，且修復困難。目前針對這類缺陷的應(yīng)急處理方案是整體更換有缺陷的控制棒驅(qū)動機構(gòu)或?qū)θ毕莶课贿M行自動焊接堆焊修復。因此，有必要研發(fā)控制棒驅(qū)動機構(gòu)在役檢查修復機器人。

1.2 關(guān)鍵設(shè)備維修更換機器人

核電站的維修不同于常規(guī)電站或其它工業(yè)部門的維修，它不僅規(guī)模巨大、設(shè)備復雜，并且在核安全以及保護公眾健康方向甚為重要。因此核電站維修需要機器人替代維修人員從事一些高放射性環(huán)境下的工作，如乏燃料水池水下檢修，水下異物清理和反應(yīng)堆冷卻劑管道在線修復等。針對以上幾個方面，具體討論相關(guān)機器人的應(yīng)用需求。

（1）乏燃料水池水下檢修

核電站的乏燃料水池由不銹鋼覆面焊接構(gòu)成，這些鋼覆面在建造初期需要進行液體滲透檢查和真空檢查后，確保結(jié)構(gòu)的完整性才投入使用。但是在電站運行一段時間后，由于腐蝕現(xiàn)象可能會對鋼覆面板產(chǎn)生破壞，所以必須定期對水池鋼覆面進行檢測，如果腐蝕現(xiàn)象嚴重，則必須對腐蝕表面進行修復。同時意外的高空墜落物體也可能會擊穿不銹鋼覆面，造成不銹鋼覆面漏水，需要緊急修復。由于該區(qū)域空間狹小，設(shè)備密布，潛水作業(yè)人員操作時要格外小心，作業(yè)空間受限。所以，乏燃料水池水下焊接維修機器人有著切實需求。

（2）水下異物清理

核電站內(nèi)放射性水池面積較大又沒有絕對可靠的異物防范措施，在大修期間由于參與的人員多，常常都是許多工種交叉作業(yè)，因此，異物落入水池的事件也曾有發(fā)生。特別是異物若落入反應(yīng)堆底部或堆芯狹窄的環(huán)境中，普通的異物打撈工具往往束手無策，通常需要吊出反應(yīng)堆堆芯組件進行徹底檢查和異物打撈，這種情況將造成大修關(guān)鍵路徑的延遲和重大的經(jīng)濟損失。此外，堆芯大件的吊裝往往面臨一些不可知風險，操作不當，會對電站內(nèi)的維修人員造成極大的輻照危害。因此，核電站有必要開發(fā)一些多自由度的機器人及智能系統(tǒng)應(yīng)用于反應(yīng)堆堆芯及構(gòu)件池等水下環(huán)境中精確打撈。

（3）反應(yīng)堆冷卻劑管道檢修

反應(yīng)堆冷卻劑管道是一回路邊界的組成部分，起著包容放射性物質(zhì)的作用。與壓力容器相連的這些管道長期處在高溫高壓流體下，運行多年后，會因為磨損和應(yīng)力腐蝕，造成局部管道變薄或潛在缺陷。如果不及時發(fā)現(xiàn)和修復，一但發(fā)生破口，會對電廠造成重大經(jīng)濟損失。目前一般做法是定期檢查，并更換管道或者對缺陷管道進行補焊處理。但是由于管道布置錯綜復雜，通道狹隘，工作空間小，因此檢查困難，維修工期較長，人工維修可達性、可靠性也較差。因此，研發(fā)管道自動檢查及焊接機器人，可以較好處理壓力容器相連管道的日常檢查和應(yīng)急修復處理。

2 核電站運維機器人共性技術(shù)分析

核電站機運維器人除了結(jié)構(gòu)設(shè)計、導航與定位技術(shù)、多傳感系統(tǒng)融合技術(shù)、實時控制技術(shù)外，區(qū)別于其它工業(yè)機器人的關(guān)鍵技術(shù)主要包括以下兩個方面：

2.1 耐輻射技術(shù)

機器人系統(tǒng)需要在放射性環(huán)境中或是對放射性部件本身進行檢查或操作，而機器人系統(tǒng)中包含有電子部件，可能會被γ輻射和放射材料釋放的其他粒子所損害。除了離反應(yīng)堆很近的距離范圍外，γ輻射是能影響材料和電子線路的主要輻射來源。γ射線是對電子、電氣和機器人部件最有影響的放射性粒子，不同元件耐γ射線性能如下表1所示。因此，需要從部件級和系統(tǒng)級兩個角度提高機器人耐輻照性能。

部件級優(yōu)化的常見方法有選擇耐輻射電子元器件、耐輻射電路設(shè)計、輻射屏蔽、將敏感元件移除輻照環(huán)境等方式。目前主流研究通過對機器人系統(tǒng)和電子學部件輻射損傷機理與損傷特性，準確定位輻射環(huán)境下機器人的易損單元區(qū)域，量化機器人的輻射損傷程度，通過多層次、多種途徑的耐輻照加固方法，實現(xiàn)不同層次之間合理分配耐輻照加固強度，減小機器人系統(tǒng)的尺寸和重量，解決單一屏蔽方式帶來的機器人笨重和環(huán)境適應(yīng)性差的問題。

系統(tǒng)級輻射處理是考慮到移動機器人通常在密度變化的放射區(qū)域內(nèi)工作，不太可能受到連續(xù)高水平輻射，所以最簡單的辦法是直接使用商用移動機器人，對總吸收劑量進行監(jiān)控，在部件失效前移出高輻射區(qū)域，更換輻射敏感模塊。另一個延長系統(tǒng)使用壽命的方式是采用冷備份，去電狀態(tài)的CMOS電路要比運行中的電路承受更高劑量的輻射。因此整個系統(tǒng)的承受劑量可以通過冷備份冗余系統(tǒng)進行翻倍，當主系統(tǒng)故障或是性能下降到一定程度時，就切換到備用系統(tǒng)來維持系統(tǒng)操作。

2.2 系統(tǒng)可靠性

核電站機器人在工作時，大多面對高放射性。核心設(shè)備一旦發(fā)生故障，不僅本身無法完成任務(wù)，而且還會成為新的事故源，帶來更棘手的事故處理問題。因此高可靠性是核電站運維機器人追求的最主要性能指標之一。目前，遠程控制機器人的先進技術(shù)在核工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用比較慢，其中一個原因就是新技術(shù)缺乏相應(yīng)的可靠性驗證。系統(tǒng)的可靠性更多地取決于設(shè)計可靠性、遠程通信和人機交互使用的可靠性。核電站機器人高可靠性技術(shù)上要包括結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計、控制系統(tǒng)冗余設(shè)計、模塊化設(shè)計技術(shù)、機電一體化集成技術(shù)和三維建模及運動仿真技術(shù)。此外，基于故障發(fā)生原因、類型、概率、發(fā)展規(guī)律等建立的故障模型而開發(fā)出的機器人自我診斷和自我處理能力，可進一步提高核電站機器人的可靠性。

3 總結(jié)

隨著我國核電產(chǎn)業(yè)的較快發(fā)展和核安全保障的實際需要，開發(fā)更多的核電站運維機器人替代人在核電站運行維修中進行工作愈發(fā)顯得迫切和重要。機器人技術(shù)是一個多學科綜合發(fā)展的領(lǐng)域，隨著我國精密機械加工、電子元器件、材料、計算機技術(shù)、自動化控制、光學等領(lǐng)域不斷取得長足進步，開發(fā)針對核電運維的機器人已可實現(xiàn)，核電機器人技術(shù)必將有一個美好的明天。

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