EPR核電站管道內部焊縫打磨機器人的應用與研究

吳中衛

摘 要：EPR堆型的三代核電站在設計和建造方面，較二代及二代加堆型有了大幅度的優化和改進，部分核島關鍵系統的焊縫內部需要進行打磨。受制于管道管徑空間限制，部分焊縫在人工打磨操作不可達的情況下，需借助于適用于不同管徑的內部焊縫打磨機器人，實現遠程操作打磨，并在打磨工作完成后，利用專用清潔機器人完成清掃，保證管道內部清潔度。該項技術在國內核電站建設中首次應用，機器人構造、應用管理、維修維護及相關改進項方面的研究，對中國后續新建核電機組的管道施工具有重要意義。

關鍵詞：管道焊縫；內部；打磨機器人

中圖分類號：TG45 文獻標志碼：A

三代EPR堆型核電站較二代加壓水堆堆型，在設計方面有眾多的技術優化、改進。對于核島關鍵系統的管道內部焊縫打磨工作，在中國核電項目首次應用，無實際經驗。廣東臺山核電站的打磨機器人，覆蓋的管道管徑為DN100至DN500的范圍，能夠實現管道內部檢查、打磨、清潔。

1 設計要求及范圍

EPR核電站RIS（安全注入系統）、VVP（主蒸汽系統）、ARE（主給水系統）、VDA（蒸汽大氣排放系統）、RCP（反應堆冷卻劑系統）、RCV（化學和容積控制系統）等6個核島關鍵系統的部分管道焊縫需要打磨，共277道焊縫。

對核島管道內部焊縫進行打磨的主要作用如下：

（1）可最大程度地消除流體對于內部焊縫的沖擊，減少焊縫的應力集中，緩解焊縫疲勞，提高關鍵系統管道的使用壽命；（2）使用打磨機器人能發現焊接過程中造成的缺陷（咬邊、未融合、焊瘤、凹陷、二次融化等），通過打磨能增加RT（射線探傷）的合格率；（3）焊縫打磨工作結束后，內表面光滑平整，達到焊縫UT（超聲波檢測）的要求，在核電站運營期間可以用UT代替RT（射線探傷），極大地降低在役檢查工作人員的輻照時間和成本；（4）可以用來檢查、提高管道內部清潔度。

2 打磨機器人的構造

2.1 打磨機器人

打磨機器人的主體結構分為3個部分，包括打磨機構、驅動部分、線路集合點。

2.2 清潔機器人

清潔機器人的整體構造與打磨機器人類似，主要區別在打磨電機被帶攝像頭的吸塵軟取代，機身接入了吸塵器。

清潔機器人的操作較打磨機器人省去了定中等步驟，只需爬行至需要到達的位置，配合顯示器的觀察，吸走管道內部的鐵屑和雜物。

2.3 波動管專用機器人

波動管專用機器人的整體構造與打磨機器人類似，主要區別在于機頭處增加了一個防異物裝置，可防止打磨碎屑進入穩壓器。

3 打磨機器人的應用

3.1 打磨準備

（1）機器人無法在管道中爬行超過兩個90°彎頭。因此，開始現場焊縫的打磨工作前，必須通過利用Navisworks三維設計模型軟件及相關設計信息，合理安排焊縫打磨順序，做好打磨規劃；（2）打磨機器人必須配置單獨的供電線路、配電箱，避免非單獨供電時，其他設備對機器人的電磁干擾，以及可能的非正常斷電，對機器人造成損傷；（3）打磨機器人必須配置單獨的壓縮氣源，避免非正常斷氣時，機器人在管道中失去支撐，造成損壞。

3.2 打磨過程

（1）機器人在管道中行走時，遇到彎管時，需緩慢進行，多次調整，確保機器人位于最佳姿態角；（2）每次打磨機器人退出管道，需檢查機頭上的每一顆螺絲是否還在原位置。因打磨過程中，震動較大，將可能發生螺絲脫落進入管道的情況；（3）在打磨過程中，可在管道的管口處，采用風機送風，達到降溫的效果，起到保護設備的作用。

4 常見故障排查與維修

在打磨工作過程中，由于機器人設計缺陷、部件損耗、人員操作不當等原因，機器人出現一些故障和問題，現將部分典型問題進行總結。

4.1 打磨攝像頭模糊

維修方法：調整攝像頭焦距，檢查整體線路，消除電磁干擾項。原因分析：工作時震動較大，螺釘松動導致成像焦距發生改變。定期排查機器人電纜線路，對于存在直接裸露的情況，及時包裹處理，避免對攝像頭產生干擾。

4.2 打磨過程中砂輪片停止旋轉操作盤故障燈亮起

維修方法：關閉打磨電機，按變頻器“FN”。故障原因：打磨過程中“徑向行程”伸出量過快以至于電機發熱產生的自我保護性停止。

4.3 機器人本體卡在管道中

故障表現：通過控制面板上的控制桿操作機器人，無法在管道中正常前進、后退。維修方法：配合機尾鋼絲繩運用適當外力，此時按外力方向啟動前進、后退功能，緩慢拉出機器人。如果此種方法仍然不能取出，必要時，需要對所在管道進行切口取出。故障原因：管道內部不規則。

4.4 徑向行程運動不流暢

維修方法：在電機下方的徑向行程旋轉軸導軌處加入潤滑油反復多次運動。每次更換砂輪片時，清除灰塵，并加油潤滑。故障原因：長時間打磨產生的灰塵散落在旋轉軸導軌的橡膠密封圈上，使橡膠圈慢慢的碳化時間長久后會脫落，灰塵進入零部件內阻塞機械部件的運轉。加入潤滑油會稀釋黏在內部的灰塵，潤滑機械部件。

5 機器人的改造建議

在核島管道內部焊縫的打磨工作中，發現打磨機器人部分結構存在設計缺陷，是造成設備易損壞的主要原因。根據臺山核電站的施工經驗，提出以下改進建議。

5.1 驅動部分增加備用電池

在機器人工作過程中停電會損害內部電子元件，如遇在垂直管道打磨作業時突然停電機器人會急速下墜會卡死在彎頭處。為消除突然停電產生的危害建議在驅動部分增加一個備用鋰電池，在斷電后可以為機器提供一定時間的安全停機時間。

5.2 需增設冗余的鋼絲繩

因存在管道卡在管道中無法取出的風險，必須在機尾加設鋼絲繩。在極端工況下，配合驅動機構將機器人從管道中取出。

5.3 打磨機頭的非電機部分需減小體積

打磨機器人在工作一段時間后發現，機頭部分棱角部分磕碰嚴重，屬于在設計時尺寸設計過大造成。建議在后續時，改造機頭非電機部分的體積。

5.4 打磨機頭內部齒輪帶需重新選型

由于打磨環境的原因，在機頭內部需選用更高強度的齒輪帶，以滿足機器人長時間高強度作業要求。臺山核電站，出現多次齒輪帶斷裂的情況。

結語

截至2018年4月，臺山核電站兩臺機組所有相關焊縫的內部打磨工作均已完成，在2號機組的打磨作業中，打磨效率、機器人的維護保養均較1號機組有顯著提升。

臺山核電站的核島管道內部打磨工作具有典型性，在后續國內自主化設計和建造核電站的過程中，可充分利用該應用技術以及相關的實踐經驗，而且在后續設計打磨機器人時，可充分參考臺山核電站打磨過程中遇到的疑難雜癥，對機器人進行優化改進。

參考文獻

[1]MARTEL Francois ， NSSS Systems - Scope of Flush Welds[K]，France， 2006.

[2]RCC-M 2007，Design and construction rules for mechanical components of PWR Nuclear islands[S].

[3]AFCEN，RCC-M.壓水堆核島機械設備設計和建造規則[M].上海：上海科學技術文獻出版社，2007.

[4]李慶凱，唐德威.管道機器人彎管運動轉體原因分析[J].西安交通大學學報，2011（10）：19-23.

[5]AREVA NP，TSN-EM4-Technical Requirements–Installation and Prefabrication of Piping and Associated Supports[K].France， 2011.