AP1000核電機(jī)組鋼制安全殼空氣導(dǎo)流覆蓋區(qū)域的檢查

趙 偉，陳 磊，趙 玄，王金龍

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

目前,某AP1000型核電站已完成了工程建造和機(jī)械安裝，而對該核電站進(jìn)行全面役前檢查，尤其是鋼制安全殼的役前檢查尚屬首次，國內(nèi)外少有相關(guān)經(jīng)驗(yàn)可參考。筆者從檢驗(yàn)方法、運(yùn)載器及檢查方式等角度出發(fā)，研究了實(shí)施在役檢查存在的問題和困難，從而探討出一套行之有效的檢查實(shí)施方案，并根據(jù)方案研制了一套檢查設(shè)備[1]。

1 檢查對象和區(qū)域

鋼制安全殼(CV)是AP1000核電站的關(guān)鍵設(shè)備，作為反應(yīng)堆廠房的內(nèi)屏蔽結(jié)構(gòu)，CV是防止放射性物質(zhì)外溢的第三道屏障。設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為ASME第三卷NE分卷，屬M(fèi)C級設(shè)備，設(shè)計(jì)壓力為0.41 MPa，設(shè)計(jì)壽命為60 a。

鋼制安全殼由圓柱形的筒體和橢球形的上下封頭以及安裝在其上的貫穿件、設(shè)備閘門、人員閘門以及環(huán)吊梁等組成。安全殼筒體由兩種規(guī)格的鋼板組成，上下封頭由一定厚度的鋼板壓制組裝成半個(gè)橢球面。筒體共分3環(huán)11層，每層由多塊圓弧板拼焊而成，上下封頭各由多塊球殼板拼焊而成。在整個(gè)混凝土屏蔽墻與安全殼之間安裝有一整圈空氣導(dǎo)流板，空氣導(dǎo)流板主要安裝在鋼制安全殼兩個(gè)柱形環(huán)段和頂封頭3個(gè)環(huán)段上，鋼制安全殼之間約有一定的距離，安全殼和導(dǎo)流板之間通過U型支架進(jìn)行連接，CV的具體結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 鋼制安全殼結(jié)構(gòu)示意

安全殼外表面空氣導(dǎo)流板覆蓋區(qū)域的受檢范圍為從安全殼穹頂外沿排汽窗到空氣導(dǎo)流板的最下沿，受檢區(qū)域跨度廣，圖1中藍(lán)色區(qū)域?yàn)榭諝鈱?dǎo)流覆蓋區(qū)域，受檢區(qū)域沿安全殼外圍一整圈，被空氣導(dǎo)流板支撐分割為等寬的多個(gè)分區(qū)，支撐將空氣導(dǎo)流板撐起，與安全殼外殼有一定的距離。

2 失效部位和失效機(jī)理

據(jù)美國核管理委員會(huì)(NRC)調(diào)查，某核電廠共出現(xiàn)過80多個(gè)已記錄在案的安全殼損傷問題，其中超過1/3的核電廠安全殼鋼襯里經(jīng)歷過損傷或降質(zhì)。某核電廠2號機(jī)組、運(yùn)行核電廠3/4號機(jī)和另一運(yùn)行核電廠都曾發(fā)現(xiàn)了安全殼鋼襯里管有貫穿性孔洞。1998年3月，某核電廠1號機(jī)組發(fā)現(xiàn)了60多個(gè)區(qū)域鋼襯里壁厚減薄至設(shè)計(jì)的最小壁厚下限。此外，安全殼鋼襯里降質(zhì)問題還包括了生銹、腐蝕、涂層破裂/起泡/剝落等。與AP1000機(jī)組結(jié)構(gòu)相同的獨(dú)立式鋼制安全殼也發(fā)現(xiàn)了很多損傷或降質(zhì)問題，多個(gè)核電廠曾在環(huán)廊區(qū)域發(fā)現(xiàn)了鋼制安全殼外表面腐蝕，防潮屏障的降質(zhì)會(huì)引起鋼制安全殼的腐蝕、鋼制安全殼表面涂層破裂/起泡/剝落等，其涂層密集浮銹、涂層缺失、涂層點(diǎn)銹外觀如圖24所示。

圖2 鋼制安全殼涂層密集浮銹外觀

圖3 鋼制安全殼涂層缺失外觀

圖4 鋼制安全殼涂層點(diǎn)銹外觀

安全殼鋼襯里或鋼制安全殼的損傷或降質(zhì)將導(dǎo)致安全殼局部壁厚減薄，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致裂紋，最終將影響安全殼的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和密封性。AP1000機(jī)組鋼質(zhì)安全殼和混凝土安全殼之間存在間隙，不同于其他堆型鋼制安全殼，其直接暴露在大氣環(huán)境下，水和腐蝕性介質(zhì)會(huì)滲入到這一間隙中，從而使鋼制安全殼生銹。鑒于AP1000獨(dú)特的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，因生銹引起AP1000安全殼產(chǎn)生孔洞的可能性比目前在役核電機(jī)組的安全殼襯里或鋼制安全殼上出現(xiàn)孔洞的可能性更大，同時(shí)該核電站地處沿海區(qū)域，腐蝕環(huán)境惡劣，為了確保鋼制安全殼的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和密封性，必須對外表面實(shí)施檢查以監(jiān)測鋼制安全殼的狀態(tài)。

3 檢查目的和方法

根據(jù)ASME XI卷IWE分卷的要求，需要對鋼制安全殼及MC級焊接附件內(nèi)外表面可達(dá)區(qū)域進(jìn)行役前檢查及在役檢查，檢查方法主要為目視檢查。役前檢查需在電廠結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)(SIT)完成后再對被檢部件進(jìn)行100% VT-3目視檢查，在役檢查需在每個(gè)檢查周期(10 a為1個(gè)檢查間隔，1個(gè)檢查間隔均分為3個(gè)檢查周期)對被檢部件進(jìn)行100% VT-3目視檢查。當(dāng)VT-3檢查發(fā)現(xiàn)問題時(shí)，需采用VT-1目視檢查對問題區(qū)域進(jìn)行跟蹤，最終確保鋼制安全殼的結(jié)構(gòu)完整性，對安全殼帶涂層進(jìn)行視頻檢查。

4 視頻檢查的技術(shù)難點(diǎn)

視頻檢查存在的技術(shù)難點(diǎn)如圖5所示。

圖5 視頻檢查的技術(shù)難點(diǎn)樹狀圖

4.1 借鑒性

國內(nèi)外少有可參考的類似經(jīng)驗(yàn)，雖然AP1000堆型技術(shù)來自美國，目前美國也沒有已建好的AP1000機(jī)組，所以也沒有AP1000機(jī)組鋼制安全殼在役檢查的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。

4.2 可達(dá)性

安全殼空氣導(dǎo)流覆蓋區(qū)域?yàn)榛炷了鄬优c鋼制安全殼間的空間，長為40 m，寬為3 m，高為0.3 m，屬于狹長窄間區(qū)域。檢查時(shí)既要符合40 m的長度，又要在60個(gè)等分區(qū)域內(nèi)完成檢查，鋼制安全殼檢驗(yàn)區(qū)域示意如圖6所示。

圖6 鋼制安全殼檢驗(yàn)區(qū)域示意

4.3 覆蓋性和檢驗(yàn)質(zhì)量

由于從一定視場和角度方向獲取的圖像尺寸有限，故在檢查中相鄰區(qū)域之間的掃查面積應(yīng)重疊，避免漏檢。

4.3.1 清晰度

攝像頭的清晰度由環(huán)境照明情況、檢驗(yàn)對象表面狀況、檢驗(yàn)探頭的分辨率和感光芯片決定。

4.3.2 照明

該區(qū)域無任何人工照明，也不能加裝額外的照明，屬于永久低照度區(qū)域，若對該區(qū)域進(jìn)行檢查，需要提供一定安全電壓內(nèi)的照明。

4.3.3 表面狀況

鋼制安全殼表面為致密涂層，其表面光滑，有反光現(xiàn)象，容易形成眩光，影響檢驗(yàn)圖像質(zhì)量。

4.4 安全性和可靠性

自安全殼穹頂上方至安全殼地面落差近40 m，存在高空墜落的風(fēng)險(xiǎn)，檢查設(shè)備在檢查軌跡中段的過程中易發(fā)生斷電故障和設(shè)備與安全殼脫離的意外。

5 視頻檢查方案及技術(shù)分析

針對上節(jié)所提到的技術(shù)難度和風(fēng)險(xiǎn)，采用通過爬壁載器搭載攝像頭和照明裝置進(jìn)行檢查。其攝像頭設(shè)計(jì)為線性陣列排布，以提高視場寬度；過濾式發(fā)光二極管(LED)光源提供照明，以增加區(qū)域的照度。檢查時(shí)按照預(yù)設(shè)的軌跡進(jìn)行，通過爬壁方式、覆蓋率、視距、軌跡、安全和可靠性等5個(gè)方面進(jìn)行分析，視頻檢查方案示意如圖7所示。

圖7 視頻檢查方案示意

5.1 爬壁方案技術(shù)對比分析

由于檢查對象具有大型容器外壁和致密涂層結(jié)構(gòu)，且檢查通道位于混凝土和鋼制安全殼處，考慮了兩種不同的爬壁方案。

采用爬壁機(jī)器人搭載攝像頭從下方爬入(空氣導(dǎo)流板上方設(shè)置保護(hù)裝置)的方案。該方案中比較重要的就是運(yùn)載體——爬壁器，目前的爬壁器吸附方式包括負(fù)壓(真空)吸附、螺旋槳推壓摩擦吸附、磁性吸附、膠吸附、仿生(壁虎足吸盤)干吸附、仿生(蝸牛)濕吸附等方式。爬壁器的移動(dòng)機(jī)構(gòu)主要包括輪式、履帶式和多足式等，而主流的多為負(fù)壓(真空)吸附和磁性吸附。筆者基于鋼制致密涂層表面的外壁結(jié)構(gòu)，對磁性吸附式和真空吸附式兩種方式進(jìn)行了對比。

5.1.1 磁吸附式

磁性吸附式運(yùn)載體分為：接觸式磁輪和非接觸式磁塊。

接觸式磁輪爬壁機(jī)器人共有4組磁輪，磁輪結(jié)構(gòu)兩側(cè)為釹鐵硼Nd2Fe14B材料的永久人造磁鐵，中間為非磁性材料，摩擦系數(shù)大，能增強(qiáng)與壁的貼合能力。

非接觸式磁塊爬壁機(jī)器人有4組驅(qū)動(dòng)輪，底部有塊狀磁鐵，磁力線垂直于壁，磁場強(qiáng)度最大，依靠非接觸式懸空磁塊的吸附能力，能貼合至鋼制外壁。磁式爬壁器實(shí)物如圖8所示。

圖8 磁式爬壁器實(shí)物

5.1.2 真空吸附式

利用小型真空泵，在爬行器履帶和爬行表面之間連續(xù)抽真空，當(dāng)真空泵的實(shí)際抽速大于空氣進(jìn)入爬行器履帶和爬行表面之間的速度時(shí)，就能在爬行器履帶和爬行表面之間形成相對的負(fù)壓，產(chǎn)生吸附效果。在豎直表面上，相對負(fù)壓在爬行器履帶和爬行表面之間產(chǎn)生足夠的摩擦力，使爬行器可以緊貼豎直表面進(jìn)行移動(dòng)而不會(huì)墜落，真空吸附式爬壁器實(shí)物如圖9所示。

圖9 真空吸附式爬壁器實(shí)物

5.1.3 兩種方式爬壁器的對比

從吸附能力、負(fù)載承重、設(shè)備安裝方式、運(yùn)行狀態(tài)、安全和應(yīng)急等6個(gè)方面進(jìn)行對比分析，兩種檢查方式爬壁器的技術(shù)對比如表1所示。

表1 磁吸附式和真空吸附式爬壁器的技術(shù)對比

從吸附能力和負(fù)載承重方面進(jìn)行對比可知，磁輪和非接觸式磁塊強(qiáng)于真空吸附式；從安裝方式上對比可知，磁輪和非接觸式強(qiáng)于真空吸附式；從運(yùn)行狀態(tài)上對比可知，非接觸磁塊最好，其次為真空吸附，最后是磁輪；從安全角度對比可知，非接觸式和真空式吸附強(qiáng)于磁輪；從應(yīng)急方面對比可知，磁輪和非接觸式磁塊強(qiáng)于真空式吸附。

綜上所述，非接觸式在吸附能力、負(fù)載承重、設(shè)備安裝方式、運(yùn)行狀態(tài)、安全和應(yīng)急等6個(gè)方面優(yōu)于其他兩種方式，所以非接觸磁塊的磁性吸附運(yùn)載器是最佳的檢測設(shè)備。

5.2 視頻技術(shù)分析

5.2.1 檢查覆蓋率技術(shù)分析

根據(jù)攝像頭的視野分布可以確定攝像頭的位置，其中，正面2個(gè)攝像頭以爬行器中軸線對稱分布，視野中軸(成像軸)距爬行器中軸線150 mm，中軸線兩側(cè)的2個(gè)攝像頭成對分布，攝像頭分布示意如圖10所示。

圖10 攝像頭分布示意

要確定攝像頭的圖像傳感器尺寸及鏡頭類型，需要進(jìn)行計(jì)算。

F=4.8×L/W

(1)

F=3.6×L/H

(2)

F=6.4×L/W

(3)

F=4.8×L/H

(4)

式中：W為被攝物體的寬度；H為被攝物體的高度；L為鏡頭到被攝物體間的距離；F為鏡頭焦距。

根據(jù)上述公式可以計(jì)算出單臺(tái)攝像頭獲取的被攝物寬度為：1/3″CCD(對角線為6 mm的電荷耦合器件)為306 mm，1/2″ CCD(對角線為8 mm的電荷耦合器件)為411 mm，覆蓋率分析示意如圖11所示。

圖11 攝像頭覆蓋率分析示意

檢查攝像頭有模擬和數(shù)字網(wǎng)絡(luò)兩種方式，為了方便數(shù)據(jù)傳輸，也可通過更換攝像機(jī)的方式實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用的功能，如使用網(wǎng)絡(luò)攝像頭(IPC)模式，用碳纖維結(jié)構(gòu)固定，圖像傳輸采用以太網(wǎng)總線。

5.2.2 檢查視角技術(shù)分析

攝像頭視角影響視場范圍，視角范圍需符合檢查標(biāo)準(zhǔn)，按照一般要求需在30°45°間，視角分析示意如圖12所示。

圖12 視角分析示意

根據(jù)5.2.1的計(jì)算，選用兩款型號IPC進(jìn)行對比，經(jīng)過計(jì)算，1/2″的性能參數(shù)優(yōu)于1/3″的性能參數(shù)，選擇1/2″最佳方案。

5.2.3 檢查軌跡分析

鋼制安全殼周向展開如圖13所示，從圖13可知，該區(qū)域隔為60個(gè)等分微小區(qū)域，區(qū)域和區(qū)域之間采用隔板進(jìn)行隔離，檢查設(shè)備不能連續(xù)進(jìn)行隔離，僅采用跨越隔斷的方式。

圖13 鋼制安全殼周向展開圖

假定A，B，C，D，E，F(xiàn)共5個(gè)區(qū)域，模擬設(shè)備的檢查軌跡，分別從F區(qū)域至A區(qū)域，依次完成由上至下的檢查順序，檢查軌跡示意如圖14所示。

圖14 設(shè)備檢查軌跡示意

5.3 安全及可靠性分析

為了防止墜落，爬壁器后端懸掛防墜裝置，以提高其安全性和可靠性，即使在斷電后，爬壁器因自身的磁力也可以吸附在鋼制安全殼外壁，這是第一重安全保障，增加的防墜裝置屬于第二重安全保障，兩層安全保障增加了爬壁器的安全可靠性。自懸掛結(jié)構(gòu)示意如圖15所示。

圖15 自懸掛結(jié)構(gòu)示意

6 視頻檢查設(shè)備組成

視頻檢查設(shè)備采用陣列式IPC攝像頭對稱分布，由非接觸式磁吸附爬壁裝置運(yùn)載線性陣列式攝像頭，后端懸掛防墜裝置，用高強(qiáng)度電纜傳輸數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)和三維搖桿實(shí)施遠(yuǎn)程控制。系統(tǒng)的組件連接示意如圖16所示。

圖16 視頻檢查設(shè)備系統(tǒng)的組件連接示意

7 現(xiàn)場應(yīng)用

7.1 應(yīng)用測試內(nèi)容

該視頻檢查技術(shù)和檢查設(shè)備滿足在役檢查應(yīng)用的技術(shù)要求，已得到核電站業(yè)主的認(rèn)可，2016年11月已成功應(yīng)用于我國AP1000核電站的役前檢查中，已完成系統(tǒng)功能試驗(yàn)、分辨力和檢查可達(dá)性試驗(yàn)、安全性能和系統(tǒng)可靠性試驗(yàn)。

7.1.1 系統(tǒng)功能應(yīng)用測試

連接爬壁裝置、線性陣列攝像頭、電纜和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，測試設(shè)備的狀態(tài)，檢查爬壁器是否能正常移動(dòng)，攝像頭是否正常工作，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是否能實(shí)施遠(yuǎn)程控制等功能。

7.1.2 分辨力和檢查可達(dá)性應(yīng)用測試

通過遠(yuǎn)端的計(jì)算機(jī)控制爬壁器運(yùn)行至隔層區(qū)域間，觀察是否有阻擋，能否完成40 m的行程。在現(xiàn)場試驗(yàn)時(shí)，檢查設(shè)備順利通過了隔層區(qū)域，隔層區(qū)域內(nèi)的檢查設(shè)備狀態(tài)如圖17所示。

圖17 隔層區(qū)域內(nèi)的檢查設(shè)備狀態(tài)

通過線性陣列攝像頭采集視頻或圖像數(shù)據(jù)，分析視場和視角的合理性，攝像頭最邊緣距離為1 260 mm，所采集的圖像數(shù)據(jù)顯示的最遠(yuǎn)端距離為1 500 mm，也就是視場范圍覆蓋為1 500 mm，滿足要求。

7.1.3 安全性能和可靠性應(yīng)用測試

通過后端的防墜裝置測試其性能，該裝置通過后端的鋼絲繩牽引至安全殼頂端進(jìn)行固定，利用滑輪組進(jìn)行回收，同時(shí)使回收速度與爬壁器爬行的速度一致。

7.2 應(yīng)用結(jié)果

對檢查設(shè)備進(jìn)行了測試，各項(xiàng)測試內(nèi)容均滿足要求，詳見表2。試驗(yàn)結(jié)果表明，該檢查裝置能夠滿足現(xiàn)場應(yīng)用要求。

表2 檢查設(shè)備的性能試驗(yàn)結(jié)果

8 結(jié)語

(1) 陣列式攝像頭擴(kuò)大了視場，可以提高檢驗(yàn)的覆蓋率和檢驗(yàn)效率。

(2) 非接觸式磁吸附裝置可應(yīng)用在鋼制安全殼的表面檢查中，可廣泛應(yīng)用于鋼制的外壁領(lǐng)域。

(3) 研發(fā)的視頻檢查設(shè)備具有良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，可推廣應(yīng)用于國內(nèi)外核電站相似結(jié)構(gòu)的視頻檢查中。