反應堆壓力容器主螺栓螺母超聲檢測控制軟件的設計與實現

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(1.中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300；2. 國核電站運行服務技術有限公司，上海 200233)

反應堆壓力容器主螺栓螺母超聲檢測控制軟件的設計與實現

李世偉1，柏勇2，孫茂榮2，張寶軍2

(1.中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300；2. 國核電站運行服務技術有限公司，上海 200233)

0 引言

反應堆壓力容器主螺栓螺母是反應堆壓力容器本體和頂蓋之間的連接緊固件，長期在高溫高輻照和交變應力環境下工作，易于形成疲勞損傷，是反應堆壓力容器中重要的受力易損部件，屬ASME規范、RCCM規范要求的必檢部件[1]。

對主螺栓的超聲檢測方法主要是以中心孔檢測為主，輔以端面掃查。傳統的手動檢測方式存在重復精度不高、檢測效率低和易漏檢等缺點，而自動檢測不僅能夠克服手動法的缺點，具有可靠性高、靈敏度(信噪比)高和重復性好等優點外，也可以在很大程度上提高檢測效率，對核電站高效高品質地及時發現隱患，確保部件的運行安全有重大意義[2]，這也對承載及控制超聲探頭的自動系統提出了更高要求。因此，自主開發了一套反應堆壓力容器主螺栓螺母超聲檢測控制軟件系統，該控制系統不僅提高了檢測時傳動機構運動的穩定性，消除了由于徑向跳動帶來較大的誤差，從而提高了檢測精度及信噪比；而且解決了耦合劑的自動供給、排放及回收，滿足了不同堆型核電站主螺栓螺母的全體積超聲檢測的要求。

由于該系統需對主螺栓螺母的多個重點部位實行嚴格的無損檢測，并且涉及定位精度、水位控制、檢測方式和參數設置等問題。因此，為了控制軟件界面操作的簡便性和簡單性，宜采用Outlook風格顯示。另外，考慮到機械裝置控制部分的硬件驅動接口應具備通用性和穩定性，故最終確定采用VC6.0作為控制軟件的開發平臺。

1 系統邏輯結構設計

控制軟件的邏輯結構主要包括界面顯示、人機交互、視頻顯示、水位信號采集和電機閉環控制等。從程序邏輯的實現上包括中斷模塊、采集模塊、電機驅動模塊和系統狀態監控等。其邏輯設計如圖1所示。

圖1 系統邏輯設計

2 關鍵技術

2.1 運動控制

VC++是現在最為通用的開發工具之一，它提供了相當齊備的類庫和友好的界面，為控制系統的開發提供了比較好的開發環境，提供了多種簡便的開發技術。因此，借助VC++可以開發出功能強、速度快、應用廣并且占用資源少的小型運動控制系統。

目前，在Windows環境下實現串行通信主要有2種方式[3]，即WindowsAPI函數和MSComm控件串口通信編程。

Windows API是Windows應用程序編程接口的縮寫，它由一系列的例程構成，應用程序通過調用這些例程來請求操作系統完成一些低級的服務。使用其編寫串口程序具有很大的靈活性，配合Win32的重疊I/O操作和多線程設計，可以編寫出高效靈活的通信程序。

MSComm控件是Microsoft公司提供的簡化Windows環境下串行通信編程ActiveX控件，該控件通過串行端口傳輸和接收數據。VC為其提供了使用RS232進行數據通信的所有協議，同時提供了標準的事件處理函數、過程，軟件開發人員可方便地通過屬性和方法的設置進行串口通信。

控制系統選用的是Techno soft驅動控制模塊，集成了運動控制和伺服放大功能。控制方式為閉環控制，運動速度在一定范圍內連續可調，所采集的超聲信號具有高信噪比及精確定位等特征。該模塊提供RS232/Ethernet和CAN接口，一般使用RS232或Ethernet連接PC機和某一模塊，而各軸驅動之間的連接由CAN網實現。如圖2所示。

圖2 運動控制系統結構

定位方式主要通過電機編碼器、光電開關及主螺栓上端面周向指示，實現缺陷的軸向及周向精確定位。

2.2 水位控制

在主螺栓中心孔超聲檢測過程中，由于檢測工藝的要求，需要保證水位始終高于檢測探頭一定高度。在實際檢測過程中，探頭上下往復運動的速度可達150mm/s，需要水位高度快速跟隨探頭高度的變化。而且，螺栓中心孔內直徑約為26 mm，由于探頭需要保證貼合內壁，一般為24～25 mm，注入的去離子水位于中心孔和探頭之間的窄小縫隙中，根據檢測要求，水位不能低于探頭，否則無法保證超聲檢測信號的有效性。這種情況下，探頭的上下往復動作將帶來水位的大幅變化，如探頭的上升動作會使得水位急劇下降脫離探頭高度，如探頭向下運動，將導致水位急劇升高或溢出螺栓，造成現場污染。因此，必須對供水回路施加控制，使水位高度能夠始終跟蹤探頭高度，保持在一定范圍內，即便在探頭高速進行上下往復動作時仍能夠保持快速跟隨特性。根據以上特點和要求，設計了水位控制系統，其結構如圖3所示。

圖3 水位控制系統

其中，處理程序根據導桿位置的反饋信息，確定水位控制的目標范圍。同時根據當前水位的水高，經相應的程序處理，輸出相應的快速開關信號。控制算法采用模糊控制[4]，模糊輸入量有2個，分別為當前水位偏差和當前水位偏差的變化，輸出為快速開關閥的通斷占空比。其語言描述舉例為：

a.IF 偏差 is 正大 AND偏差變化 is 正大 THEN 泄水閥開關頻率 is 正大。

b.IF 偏差 is 正大 AND偏差變化 is 正小 THEN 泄水閥開關頻率 is 正大。

c.IF 偏差 is 正大 AND偏差變化 is 零 THEN 泄水閥開關頻率 is 正小。

其他規則以此類推。

3 軟件功能的設計和實現

根據主螺栓不同檢測部位和檢測方法的要求，該控制軟件主要功能模塊如圖4所示。

圖4 主螺栓超聲檢測軟件功能模塊

3.1 系統準備模塊

系統準備模塊為用戶提供了被檢螺栓類型選擇功能，包含了AP1000、CPR1000和C23種堆型。選好指定的堆型后，在其右側對應屬性區域中將會顯示系統默認的初始參數，若有所偏差可通過手工方式修改，點擊應用按鈕后系統會自動更新數據庫，這主要由FirstView類來實現。

3.2 端面掃查模塊

端面掃描功能模塊主要為主螺栓上部端面檢測用，控制界面設計為手動模式、自動模式。通常系統默認初始為手動模式。通過輸入相應的參數值，可控制轉臺電機的轉動和光桿電機的升降運動。另外，操作區域的“端面歸零”功能用于徑向電機運動至由光電開關設定好的零位后停止，這將作為檢測的起始位置?！奥搫印惫δ軐⒖刂妻D臺和徑向電機，按照設定好參數和運動方向同時運動。

3.3 主螺栓超聲檢測模塊

主螺栓超聲檢測模塊界面設計為點動模式和自動模式2種操作方式，包括導桿歸零、啟動水位跟蹤、水位控制退出和切換人工4個功能。

處理程序根據導桿位置和傳感器的反饋信息確定水位控制的目標范圍。同時水位顯示部分將根據當前水位的高度，經相應的程序處理，輸出相應的實時水位高度和導桿位置情況二維柱體圖?？刂扑惴ú捎媚：刂?，模糊輸入量有2個，分別為當前水位偏差和當前水位偏差的變化，輸出為快速開關閥的通斷占空比。程序會控制導桿運動至光電開關設定的零位處停止，并將此點作為檢測的起始位置。

3.4 運行視頻模塊

運行視頻模塊設計為由機械裝置上的監控攝像頭捕捉畫面，通過本控制軟件顯示。這樣可以在裝置檢測時實時監控運動的情況，以保證檢測過程的正確性。攝像頭的監控位置可根據現場實際調整擺放，并可在需要時增加數量以觀察多處感興趣的位置。

另外，該模塊還用于在端面掃查前對螺栓端面零點位置的確定，通過右側對轉臺的控制按鈕的點擊和視頻目視監測，將突出的指示塊尖頂對準端面零點位置，這將作為端面掃查的起始坐標。對導桿和徑向電機的位置調整，也可通過相應按鈕和視頻目視監控來逐步精確到位。

3.5 系統調試模塊

系統調試模塊主要用于裝置的調試，比如相應硬件設備通電狀態的顯示以表明設定點輸出正常；另外也可以檢測探頭是否能正確回到指定零位，測試程序是否正常、運動是否穩定。

4 結束語

目前，該系統的基本功能、控制應用可靠性、安全性、性能和技術指標完全滿足核電站工程應用現場的實際檢測要求，消除了主螺栓可能存在的安全隱患，確保其狀態滿足運行要求，從而有效減少機組故障和核事故的發生機率。但由于控制系統的開發是在缺乏相關資料，國內基本沒有相關產品參照的情況下進行的，同時開發周期短、時間緊，并且為第一代產品，其不完善的地方在所難免，后續將進一步地改進和完善。

[1] 林誠格. 非能動安全先進核電廠AP1000[M]. 北京：原子能出版社,2008.

[2] 代利軍. 超聲波檢測主螺栓裂紋波與假信號識別[J]. 無損探傷,2004，28(4)：36-37.

[3] 劉銳寧,寧 坤. Visual C++從入門到精通[M]. 北京:清華大學出版社,2009.

[4] 李士勇. 模糊控制、神經控制和智能控制論[M]. 哈爾濱: 哈爾濱工業大學出版社,1996.

Design and Implementation of Ultrasonic Inspection ControlSoftware for Reactor Pressure Vessel Primary Bolt and Nut

LIShiwei1,BAIYong2,SUNMaorong2,ZHANGBaojun2

(1. CNNC Nuclear Power Operation Management Co.,Ltd.,Haiyan 314300, China；2.State Nuclear Power Plant Service Company, Shanghai 200233, China)

核電站反應堆壓力容器主螺栓螺母是重要的受力易損部件，必須對其進行定期的缺陷檢測。介紹了自主研發的主螺栓螺母超聲檢測控制軟件的構成，主要從軟件的系統邏輯結構、水位控制實施方案，各模塊的功能設計與實現等幾個方面進行了闡述，并對控制算法進行了簡單描述。事實證明，該控制軟件極大方便了對反應堆壓力容器主螺栓螺母的役前和在役超聲檢測工作。

核電站；主螺栓螺母；超聲檢測；水位控制

The primary bolt and nut of reactor pressure vessel is an important component which is easy to be damaged and need to be inspected periodically. The sketch of control software for ultrasonic inspection is introduced. This article from the software system logic structure, the scheme of leveling control, function and implementation of each module and other aspects are described, and control algorithm is also designed.It proves that the control software greatly facilitates the ultrasonic inspection work for the primary bolt and nut during pre-service and in-service inspection.

nuclear power plant; primary bolt;ultrasonic inspection;leveling control

2014-05-09

TP273.5

A

1001-2257(2014)09-0071-03

李世偉(1973-)，男，福建莆田人，高級工程師，工學學士，研究方向為機械制造與工藝；柏勇(1983-)，男，安徽六安人，助理工程師，工學碩士，研究方向為熱能工程。