反應(yīng)堆壓力容器接管安全端超聲檢查裝置設(shè)計(jì)研究

王俊濤， 王龍， 陳姝， 張軍

（中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)股份有限公司，武漢 430223）

0 引言

反應(yīng)堆壓力容器主管道是保證核電站一回路壓力邊界完整性的關(guān)鍵部件，為了確保一回路壓力邊界完整性，及時(shí)發(fā)現(xiàn)核反應(yīng)堆壓力容器接管焊縫材料缺損及其不良趨勢(shì)，我國(guó)核安全法規(guī)要求對(duì)上述焊縫進(jìn)行全面在役檢查或每隔固定周期需對(duì)接管安全端焊縫進(jìn)行超聲檢查。

目前，國(guó)內(nèi)運(yùn)行壓水堆核電廠均采用接觸式超聲技術(shù)的大型壓力容器檢查裝置對(duì)壓力容器實(shí)施檢查，包括筒體環(huán)焊縫、筒體-接管焊縫和安全端焊縫，尚無(wú)獨(dú)立的安全端焊縫超聲檢查裝置［1-2］。若使用大型壓力容器檢查裝置實(shí)施接管安全端焊縫檢查時(shí)，需要大量的人力、物力，而且檢查設(shè)備占反應(yīng)堆時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，檢查響應(yīng)速度慢。鑒于此，世界核電國(guó)家正在開(kāi)發(fā)各種接管安全端超聲檢查裝置［3］。

1 檢查對(duì)象描述與環(huán)境條件分析

1.1 檢查對(duì)象描述

反應(yīng)堆壓力容器是放置核燃料并承受高溫高壓的密閉容器，是壓水堆核電站中的關(guān)鍵設(shè)備。壓力容器結(jié)構(gòu)如圖1所示，反應(yīng)堆壓力容器接管位于反應(yīng)堆壓力容器上部，與壓力容器筒體焊接在一起，同時(shí)與蒸發(fā)器主管道焊接在一起，是反應(yīng)堆一回路的壓力邊界，其焊縫完整性將影響核電站正常運(yùn)行。

圖1 壓力容器結(jié)構(gòu)圖

接管超聲檢查在水下進(jìn)行，超聲掃查方式為接觸式。檢查2條焊縫：接管與安全端連接焊縫（低合金鋼/奧氏體不銹鋼，異種金屬焊縫）；安全端與主管道連接焊縫（焊縫兩側(cè)均為奧氏體不銹鋼，同種金屬焊縫）。檢查區(qū)域包括焊縫金屬和焊縫兩側(cè)各150 mm母材。焊縫結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 安全端焊縫結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 環(huán)境條件描述

反應(yīng)堆壓力容器接管安全端位于RPV接管筒體段，該區(qū)域?yàn)楦咻椛鋮^(qū)，無(wú)法實(shí)施手動(dòng)超聲檢查。須從接管內(nèi)側(cè)實(shí)施檢查，設(shè)備定位安裝位置位于換料水池近15 m深的水下。

2 接管安全端焊縫超聲檢查裝置總體設(shè)計(jì)

2.1 檢查裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)反應(yīng)堆壓力容器進(jìn)出水接管的管道結(jié)構(gòu)形式及超聲檢查規(guī)范要求，檢查裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)為兩端三腳架內(nèi)部支撐，機(jī)架布置直線、旋旋兩運(yùn)動(dòng)軸結(jié)構(gòu)。檢查裝置機(jī)械機(jī)構(gòu)由軸向定位模塊、管道支撐頂緊模塊、直線掃查模塊、旋轉(zhuǎn)掃查模塊、聯(lián)接管、視頻監(jiān)視模塊、吊裝頭、軸向定位指示模塊組成。

圖3 反應(yīng)堆壓力容器接管安全端超聲檢查安裝圖

機(jī)械系統(tǒng)安裝操作如圖3所示，檢查實(shí)施時(shí)，長(zhǎng)桿檢查裝置吊裝頭連接，核島環(huán)形吊車吊裝長(zhǎng)桿，將機(jī)械裝置放入水池，檢查人員操作長(zhǎng)桿工具，利用長(zhǎng)桿工具將檢查裝置裝入接管內(nèi)部，通過(guò)軸向定位模塊和軸向定位指示模塊確定接管安全端定位精度，確定完超聲檢驗(yàn)掃查的坐標(biāo)基準(zhǔn)后，管道支撐頂緊模塊動(dòng)作，機(jī)械裝置在管道內(nèi)安裝固定。長(zhǎng)桿工具脫離機(jī)械裝置，反應(yīng)堆廠房外的超聲采集人員通過(guò)遠(yuǎn)程控制器遙控直線掃查模塊和旋轉(zhuǎn)掃查模塊實(shí)現(xiàn)超聲檢查。通過(guò)視頻監(jiān)視模塊實(shí)時(shí)監(jiān)視探頭托盤貼合情況及探頭托盤運(yùn)動(dòng)情況。檢查裝置上布置2個(gè)超聲托盤，超聲托盤沿接管徑向?qū)ΨQ分布，保證兩個(gè)托盤同時(shí)掃查記錄，縮短接管超聲檢查時(shí)間。超聲探頭在直線掃查模塊伸縮氣缸作用下頂緊，伸縮氣缸壓力可調(diào)，調(diào)節(jié)超聲探頭與被檢管道表面貼合耦合情況，探頭托盤與大型反應(yīng)堆壓力容器檢查系統(tǒng)通用，保證超聲檢驗(yàn)一致性。

2.2 檢查裝置系統(tǒng)說(shuō)明

實(shí)施檢查時(shí)，超聲檢查裝置、控制系統(tǒng)等布置在反應(yīng)堆廠房?jī)?nèi)，檢查人員操作長(zhǎng)桿工具將檢查設(shè)備安裝在接管內(nèi)，通過(guò)終端傳輸裝置，廠房外控制系統(tǒng)、超聲數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)遠(yuǎn)端實(shí)施遠(yuǎn)程遙控，在接管內(nèi)進(jìn)行焊縫超聲掃查。檢查系統(tǒng)連接示意圖如圖4所示。超聲檢查系統(tǒng)采用多通道超聲數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)，與其配套的軟件控制系統(tǒng)采用自研的通用多軸控制器和驅(qū)動(dòng)器。檢查裝置接管安全端檢查狀態(tài)如圖5所示。

圖4 檢查裝置系統(tǒng)連接圖

圖5 設(shè)備檢查工作狀態(tài)圖

3 主要技術(shù)研究

3.1 設(shè)備安裝吊運(yùn)及操作實(shí)施性研究

反應(yīng)堆壓力容器接管安全端焊縫距壓力容器中心軸線大于3000mm，檢查裝置超聲掃查區(qū)間為2700～3300mm，安全端異種焊縫距離壓力容器筒壁大于1 200 mm，檢查裝置在接管內(nèi)的長(zhǎng)度大于1 500 mm，為狹長(zhǎng)桿結(jié)構(gòu),檢查裝置重心與長(zhǎng)桿重心偏離1 m，檢查裝置吊裝高度要求大于15 m，使用常規(guī)吊運(yùn)方式檢查裝置吊運(yùn)過(guò)程非常危險(xiǎn)，考慮檢查實(shí)施困難、操作風(fēng)險(xiǎn)大等難點(diǎn)，設(shè)計(jì)吊裝模塊、浮力調(diào)節(jié)裝置。

吊裝模塊實(shí)現(xiàn)機(jī)械系統(tǒng)遠(yuǎn)程安全吊裝，檢查裝置定位安裝完畢后，長(zhǎng)桿工具可與檢查設(shè)備水下對(duì)接、脫鉤等功能。吊裝模塊主要由吊裝頭、吊裝鉸鏈座、鎖緊頂珠、銷軸等組成，吊裝頭可繞銷軸在吊裝鉸鏈座內(nèi)90°范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，鎖緊頂珠在長(zhǎng)桿工具脫鉤時(shí)鎖固吊裝頭。吊裝模塊的翻轉(zhuǎn)鉸鏈設(shè)計(jì)，避免了由于檢查工具的長(zhǎng)桿結(jié)構(gòu)，吊裝點(diǎn)重心不均勻，需要額外增加吊裝配重塊等不足。

浮力調(diào)節(jié)裝置在檢查裝置前端，吊裝模塊在檢查設(shè)備末端，浮力調(diào)節(jié)裝置采用高抗壓、低吸水性的高密度浮力材料，浮力調(diào)節(jié)裝置入水前垂直向下，水中往上的翻轉(zhuǎn)力矩略大于檢查裝置在水下的重力下垂力矩，保持水中平衡。該浮力可以通過(guò)改變浮塊的體積或改變模塊相對(duì)鉸鏈的位置來(lái)調(diào)節(jié)，保證檢查裝置在水下處于最佳安裝狀態(tài)。

3.2 檢查裝置接管軸向及周向掃查定位方法研究

超聲檢查需要檢查裝置在接管內(nèi)部軸向定位和圓周方向定位，確定記錄起始點(diǎn)，保證檢查裝置掃查范圍為實(shí)際范圍一致，并能通過(guò)其他方式復(fù)查檢查記錄的準(zhǔn)確性。因檢查操作人員很難在15 m以上的距離操作柔性的長(zhǎng)桿工具將檢查工具準(zhǔn)確定位在接管內(nèi)部，且保證重復(fù)定位誤差在可控范圍內(nèi)，需要檢查裝置具有自動(dòng)定位功能。超聲掃查基準(zhǔn)的確定，是該檢查裝置能否實(shí)施超聲檢查的最重要環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)決定了超聲檢驗(yàn)的定位精度、重復(fù)定位精度。

3.2.1 檢查裝置接管軸向掃查定位方法研究

反應(yīng)堆壓力容器接管與壓力容器筒壁連接處相貫?zāi)妇€作為沿接管軸向方向定位起始基準(zhǔn)，以該起始基準(zhǔn)確定接管安全端焊縫中心線距母線距離，確定反應(yīng)堆壓力容器接管坐標(biāo)，該相貫?zāi)妇€與軸向定位指示模塊接觸，軸向定位指示模塊為檢查裝置上機(jī)械部件，根據(jù)檢查裝置機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)位置關(guān)系，實(shí)現(xiàn)檢查裝置掃查軸的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到反應(yīng)堆壓力容器接管實(shí)際坐標(biāo)關(guān)系。軸向坐標(biāo)確定示意圖見(jiàn)圖6。

圖6 壓力容器接管坐標(biāo)

軸向定位模塊上的回拉氣缸實(shí)現(xiàn)檢查裝置在接管內(nèi)部的軸向伸縮移動(dòng)。在軸向伸縮移動(dòng)和管道支撐頂緊模塊相互作用下，檢查工具自移動(dòng)進(jìn)入接管內(nèi)部，直至軸向定位指示模塊與基準(zhǔn)相貫線接觸停止動(dòng)作。軸向定位指示模塊上的水下定位指示開(kāi)關(guān)與壓力容器筒壁接觸，開(kāi)關(guān)動(dòng)作指示檢查裝置的伸縮移動(dòng)到位。移動(dòng)到位后，軸向定位指示模塊上安裝的超聲探頭進(jìn)行水深層測(cè)距，精確測(cè)定檢查裝置軸向定位誤差，對(duì)軸向定位基準(zhǔn)糾偏。

3.2.2 檢查裝置接管周向掃查定位方法研究

接管圓周方向掃查基準(zhǔn)確定，依據(jù)軸向定位指示模塊上雙軸傾角儀測(cè)定偏轉(zhuǎn)角度，檢查工具的吊裝模塊翻轉(zhuǎn)法線與檢查工具軸線平行，長(zhǎng)桿工具與檢查工具為剛性連接；雙軸傾角儀可以測(cè)量出檢查工具相對(duì)于接管軸向、接管徑向上的角度偏差。按照傾角儀測(cè)量的角度偏差，調(diào)整旋轉(zhuǎn)模塊周向零點(diǎn)，旋轉(zhuǎn)模塊的周向零點(diǎn)在下壓力容器前人工校零，如接管安裝完畢后產(chǎn)生的徑向偏轉(zhuǎn)，可以通過(guò)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)。

上述設(shè)計(jì)解決了超聲檢驗(yàn)所需要的掃查基準(zhǔn)難題，使得接管安全端焊縫檢查工具實(shí)施超聲檢查可行，保證了超聲檢查結(jié)果的準(zhǔn)確性，為與大型壓力容器檢查系統(tǒng)相同位置超聲檢查數(shù)據(jù)結(jié)果的一致性提供了保障。

4 檢查裝置應(yīng)用情況

研制的反應(yīng)堆壓力容器接管安全端超聲檢查裝置各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)滿足接管安全端超聲在役檢查要求，通過(guò)了英國(guó)驗(yàn)證中心的壓力容器接管安全端焊縫檢驗(yàn)技術(shù)的驗(yàn)證。既可適用于M310型，也可適用于AP1000型，為國(guó)內(nèi)核電單獨(dú)實(shí)施接管安全端超聲檢查提供了一種高效、安全的檢查手段。該裝置已成功完成了多個(gè)核電機(jī)組的接管安全端焊縫役前和在役超聲檢查工作。

5 結(jié)語(yǔ)

反應(yīng)堆壓力容器接管安全端超聲檢查裝置的研制成功，解決了反應(yīng)堆壓力容器接管安全端獨(dú)立實(shí)施水下超聲檢驗(yàn)的技術(shù)難題，滿足了安全端焊縫獨(dú)立實(shí)施超聲檢查的要求。

通過(guò)使用該安全端超聲檢查裝置，縮短了反應(yīng)堆壓力容器檢查時(shí)間，提供了快速有效的反應(yīng)堆壓力容器接管安全端焊縫超聲檢驗(yàn)方式，降低了核電站運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

［1］ 李田生,劉志遠(yuǎn).焊接結(jié)構(gòu)現(xiàn)代無(wú)損檢測(cè)技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999.

［2］ 劉坤.管道焊縫超聲檢測(cè)掃查器機(jī)械裝置研究［D］.武漢：武漢理工大學(xué),2002.

［3］ 甘小明，徐濱士，董世運(yùn)，等.管道機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀［J］.機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用，2003（6）：5-10.