AP1000反應(yīng)堆壓力容器頂蓋焊縫檢測(cè)技術(shù)分析

趙 琛，劉一舟，陶澤勇，鄒 斌

（國(guó)核電站運(yùn)行服務(wù)技術(shù)公司，上海 200233）

0 引言

在壓水堆核電站一回路系統(tǒng)中，壓力容器頂蓋作為壓力邊界重要設(shè)備，其完整性是保障核電站安全運(yùn)行的重要前提。根據(jù)核電站運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)、ASME標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范以及規(guī)范案例和相關(guān)技術(shù)文件表明，反應(yīng)堆壓力容器頂蓋在服役過程中存在安全隱患的部位主要為其貫穿件接管，主要問題為一回路冷卻劑導(dǎo)致的應(yīng)力腐蝕裂紋，進(jìn)而引起一回路冷卻劑泄漏。因此，必須采取精確穩(wěn)定的檢測(cè)方法來進(jìn)行反應(yīng)堆壓力容器頂蓋檢測(cè)。

綜合考慮AP1000反應(yīng)堆壓力容器頂蓋結(jié)構(gòu)特征、役前/在役檢查實(shí)施條件、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及案例規(guī)定、輻射防護(hù)等相關(guān)要求，本文模塊化處理各個(gè)應(yīng)用模塊，通過以太網(wǎng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，分析設(shè)計(jì)了一套反應(yīng)堆壓力容器頂蓋檢測(cè)控制系統(tǒng)。

1 檢測(cè)控制系統(tǒng)總體思路

1.1 設(shè)計(jì)要求

根據(jù)ASME規(guī)范案例N-729的檢測(cè)要求，反應(yīng)堆壓力容器頂蓋檢查區(qū)域?yàn)轫斏w貫穿件管（CRDM管、放氣管）母材J焊縫區(qū)域以及J焊縫上下38mm范圍?？紤]反應(yīng)堆壓力容器頂蓋的結(jié)構(gòu)外形及檢查的可達(dá)性、檢查結(jié)果的可靠性、重復(fù)性以及輻射防護(hù)的要求，對(duì)于頂蓋貫穿件的檢查采用自動(dòng)檢查裝置從頂蓋內(nèi)部實(shí)行檢查。掃查方式示意如圖1。機(jī)械手安裝在一條沿頂蓋投影的直徑方向放置的軌道上，裝載機(jī)械手的小車通車齒輪齒條傳動(dòng)帶機(jī)械手做單一自由度的前后移動(dòng)，配合機(jī)械手臂的組合動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)掃查器對(duì)所有被檢貫穿件的全覆蓋。生物屏蔽圈內(nèi)在軌道左前、左后、右前與右后四個(gè)方位角以及機(jī)械手一軸上方位置放置有耐輻照相機(jī)，用于遠(yuǎn)程操控人員的環(huán)境觀察和貫穿件定位輔助。在用機(jī)械手將掃查器對(duì)被檢貫穿件的定位完成后，掃查器通自帶驅(qū)動(dòng)使探頭實(shí)現(xiàn)周向旋轉(zhuǎn)和豎直方向上下運(yùn)動(dòng)，實(shí)施檢查工作，并在必要的情況下配置耦合劑供給系統(tǒng)。

圖1 反應(yīng)堆壓力容器頂蓋掃查模型

1.2 總體設(shè)計(jì)方案

綜合考慮頂蓋貫穿件檢查技術(shù)的實(shí)施，反應(yīng)堆壓力容器頂蓋貫穿件檢查系統(tǒng)主要由專用掃查器、多自由度機(jī)械手、運(yùn)動(dòng)軌道及小車、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)（機(jī)械手運(yùn)動(dòng)控制及專用掃查器運(yùn)動(dòng)控制）、無損檢測(cè)儀器及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、氣動(dòng)控制系統(tǒng)、耦合劑供應(yīng)及回收系統(tǒng)等。檢查系統(tǒng)總體構(gòu)成如圖2所示。

圖2 反應(yīng)堆壓力容器頂蓋貫穿件檢驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成

頂蓋檢查區(qū)域輻照計(jì)量高和空間緊張的特點(diǎn)，應(yīng)盡量減少人員在頂蓋周邊區(qū)域的工作時(shí)間并使設(shè)備緊湊。因此，反應(yīng)堆壓力容器頂蓋的掃查操作在耐輻照云臺(tái)攝像頭的監(jiān)控下，通過機(jī)械手搭載掃查器進(jìn)行，根據(jù)不同掃查區(qū)域更換掃查探頭完成掃查任務(wù)。對(duì)機(jī)械手控制箱、掃查器控制箱、DAS檢測(cè)儀和音視頻控制箱命令控制通過現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)與操作室交換機(jī)之間的光纖傳輸信號(hào)，無損檢測(cè)操作人員便可進(jìn)行視頻監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集分析和機(jī)械手的控制等。此掃查方式的優(yōu)點(diǎn)在于能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)頂蓋貫穿件在役檢查的全覆蓋，增加在役檢查可達(dá)性，同時(shí)降低在役檢查人員的總體劑量。

2 檢測(cè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

反應(yīng)堆壓力容器頂蓋檢測(cè)采用五軸機(jī)械手運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行，主要由控制工作站、網(wǎng)絡(luò)支持系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制箱、防水電纜、運(yùn)動(dòng)控制軟件組成。工作站提供圖形化人機(jī)交換界面接收操作人員各運(yùn)動(dòng)指令，通過網(wǎng)絡(luò)支持系統(tǒng)將運(yùn)動(dòng)指令發(fā)送給運(yùn)動(dòng)控制箱中的VXWORKS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，VXWORKS系統(tǒng)響應(yīng)上位機(jī)指令同時(shí)通過VME總線向SMC各控制模塊發(fā)送命令，同時(shí)收集各控制模塊反饋信息，實(shí)時(shí)發(fā)送給上位機(jī)工作站。五軸機(jī)械手運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中控制指令的傳遞如圖3所示。

圖3 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)指令傳遞圖

掃查器控制箱用于控制掃查器來完成反應(yīng)堆壓力容器頂蓋貫CRDM管貫穿件檢查、J焊縫檢查、通風(fēng)管檢查。系統(tǒng)中的使用到的電源類型有220VAC、120VAC、8VAC，其中數(shù)據(jù)采集儀器及音視頻控制箱需要用到120VAC，運(yùn)動(dòng)控制箱需要用到48VAC，其他設(shè)備都可以使用220VAC市電。

整個(gè)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)由1塊控制器GALIL DMC2183，2塊驅(qū)動(dòng)器varedan LA120型線性放大器及復(fù)合輸出電源組成。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。其中，電源的兩組48V供電串聯(lián)后供給兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器，DMC2183傳輸驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)給2塊驅(qū)動(dòng)器，GALIL DMC2183能控制8個(gè)有刷電機(jī)，VAREDAN LA-120驅(qū)動(dòng)器能同時(shí)驅(qū)動(dòng)2個(gè)無刷電機(jī)，電機(jī)的編碼器信號(hào)反饋給控制器從而完成完整的閉環(huán)控制回路，GALIL控制器還能輸出10路I/0信號(hào)用于控制掃查器控制箱。掃查器運(yùn)動(dòng)控制箱通過面板上的各種連接器與與控制電腦、掃查器、氣動(dòng)控制箱、無損檢測(cè)儀器連接。

圖4 運(yùn)動(dòng)控制結(jié)構(gòu)圖

2.2 音視頻控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

音視頻系統(tǒng)的主要功能是實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆壓力容器頂蓋檢測(cè)時(shí)視頻圖像和聲音的采集，并將采集到的視頻和音頻信號(hào)輸?shù)竭h(yuǎn)端的集裝箱控制室，供操作人員觀察現(xiàn)場(chǎng)狀況，安全地下達(dá)控制指令，完成檢查任務(wù)。反應(yīng)堆壓力容器頂蓋檢查裝置音視頻系統(tǒng)采用服務(wù)器-客戶機(jī)模式，服務(wù)器放置在現(xiàn)場(chǎng)，用于對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的各種相機(jī)進(jìn)行操作，獲取圖像，客戶機(jī)和服務(wù)器通過網(wǎng)線連接，在客戶機(jī)端同樣獲取圖像、控制相機(jī)。服務(wù)器和客戶機(jī)均提供兩路音頻通道，兩個(gè)模塊，通過使用任意模塊上的同一通道，可實(shí)現(xiàn)多方通話。反應(yīng)堆壓力容器頂蓋檢查音視頻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 反應(yīng)堆壓力容器頂蓋檢查音視頻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

音視頻服務(wù)器采用自組裝PC機(jī)，包括X86構(gòu)架的服務(wù)器型工控主板、內(nèi)存、硬盤、風(fēng)扇等通用組件，還包括有音頻模塊、各種相機(jī)信號(hào)接口板、視頻分割器、圖像處理卡、供電模塊等。如圖6所示。其中，現(xiàn)場(chǎng)的音視頻設(shè)備主要包括音視頻服務(wù)器、機(jī)械手?jǐn)U展控制監(jiān)視器組件、各種攝像頭和耳機(jī)，遠(yuǎn)端控制室內(nèi)的音視頻設(shè)備主要包括音視頻客戶機(jī)終端、耳機(jī)等。

圖6 音視頻服務(wù)器內(nèi)部系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)音視頻服務(wù)器與遠(yuǎn)程客戶機(jī)終端之間是通過光線/以太網(wǎng)進(jìn)行連接的，如圖7所示。在音視頻服務(wù)器現(xiàn)場(chǎng)和客戶機(jī)終端均配置一臺(tái)可網(wǎng)管型以太網(wǎng)交換機(jī)，音視頻服務(wù)器采集到的圖像和聲音通過網(wǎng)線接入交換機(jī)，再通過插在交換機(jī)上的以太網(wǎng)/光線轉(zhuǎn)換器經(jīng)由光纖將音視頻信號(hào)傳輸至遠(yuǎn)程客戶機(jī)終端側(cè)的交換機(jī)，最后通過網(wǎng)線傳輸至客戶機(jī)終端。

圖7 遠(yuǎn)程與現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接

2.3 控制軟件設(shè)計(jì)/系統(tǒng)軟件

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)掃查器的控制，完成相應(yīng)設(shè)備的檢查項(xiàng)目，編寫了相應(yīng)的軟件進(jìn)行控制。軟件結(jié)系統(tǒng)邏輯設(shè)計(jì)圖如圖8所示?？刂栖浖倪壿嫿Y(jié)構(gòu)主要包括：界面顯示、人機(jī)交互、系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)視、電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制等。通過網(wǎng)線與掃查器運(yùn)動(dòng)控制箱相連接，從程序邏輯的實(shí)現(xiàn)上包括：網(wǎng)絡(luò)連接模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控、自動(dòng)掃查主線程等。

圖8 系統(tǒng)邏輯設(shè)計(jì)框圖

以壓力容器頂蓋超聲檢測(cè)控制軟件為例，可以實(shí)現(xiàn)掃查器運(yùn)動(dòng)狀態(tài)設(shè)置、自動(dòng)/手動(dòng)掃查設(shè)置、單軸設(shè)置和氣動(dòng)控制。軟件界面圖如圖9所示。軟件界面中的掃查參數(shù)設(shè)置，可以配置，掃查方式，掃查的起始點(diǎn)，掃查速度；氣動(dòng)控制用于控制掃查器控制箱中的氣動(dòng)閥，從而控制掃查器裝置上各個(gè)氣缸的動(dòng)作；自動(dòng)/手動(dòng)掃查設(shè)置可用于掃查器裝置上各個(gè)電機(jī)的自動(dòng)/手動(dòng)操作，包含電機(jī)的零點(diǎn)設(shè)定，電機(jī)的使能，讓電機(jī)運(yùn)動(dòng)到指定位置。

圖9 壓力容器頂蓋掃查控制軟件界面

3 檢測(cè)方法與檢測(cè)技術(shù)分析

3.1 檢測(cè)方法概述

AP1000反應(yīng)堆壓力容器頂蓋在役檢查超聲波檢測(cè)技術(shù)采用遠(yuǎn)程自動(dòng)采集超聲成像檢查技術(shù)，超聲數(shù)據(jù)采集儀器采用DAS系統(tǒng)，可同時(shí)支持4通道的超聲數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)分析軟件采用西屋公司的“IntraSpect”，可支持超聲數(shù)據(jù)的A掃、B-掃和C-掃顯示。針對(duì)運(yùn)行過程中可能產(chǎn)生的應(yīng)力腐蝕裂紋（PWSCC），反應(yīng)堆壓力容器頂蓋CRDM管超聲檢測(cè)技術(shù)采用TOFD方法，其主要原因是TOFD檢測(cè)方法可以不受裂紋的生長(zhǎng)方向影響，檢測(cè)率比較高，缺陷的高度、長(zhǎng)度測(cè)量比較準(zhǔn)確，由于缺陷的類型主要是PWSCC，缺陷的波幅較低，DAS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)增加了40dB的前置放大器。

3.2 檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用分析

根據(jù)ASME標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求，AP1000反應(yīng)堆壓力容器頂蓋檢測(cè)范圍主要是放氣管貫穿件、CRDM貫穿件及對(duì)接焊縫和QUICKLOC接管對(duì)接焊縫，通過超聲檢測(cè)和渦流檢測(cè)等不同檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)方式選擇。

3.2.1 超聲檢測(cè)技術(shù)

CRDM貫穿件及對(duì)接焊縫、QUICKLOC接管對(duì)接焊縫通常采用超聲檢測(cè)技術(shù)來進(jìn)行檢測(cè)，為驗(yàn)證檢驗(yàn)系統(tǒng)及檢驗(yàn)技術(shù)的有效性，采用校準(zhǔn)試塊的參考反射體進(jìn)行檢測(cè)技術(shù)定量測(cè)試試驗(yàn)，相關(guān)壓力容器頂蓋超聲檢測(cè)驗(yàn)證試塊模型如圖10所示。

圖10 壓力容器頂蓋超聲檢測(cè)驗(yàn)證試塊

依據(jù)工作現(xiàn)場(chǎng)檢查經(jīng)驗(yàn)，通常在整個(gè)頂蓋檢驗(yàn)過程中，由于檢驗(yàn)楔塊的磨損，需要進(jìn)行檢驗(yàn)楔塊的更換，從而需要進(jìn)行探頭的重新安裝。在進(jìn)行檢驗(yàn)探頭重新安裝過程中，采用專用模具確定TOFD檢驗(yàn)探頭與楔塊的相對(duì)位置，從而保證探頭的水層的對(duì)稱。為確定探頭安裝是否必須嚴(yán)格對(duì)稱的必TOFD檢測(cè)技術(shù)中，通常為了提高檢測(cè)速度且有利于衍射發(fā)生，往往采用小尺寸晶片的大擴(kuò)散角探頭。由于衍射信號(hào)比反射信號(hào)微弱很多，所以要求TOFD探頭有較好的發(fā)射和接收性能。為提高深度方向的分辨力，TOFD探頭應(yīng)具有寬頻帶和窄脈沖特性。

3.2.2 渦流檢測(cè)技術(shù)

反應(yīng)堆壓力容器頂蓋貫穿件針對(duì)的檢測(cè)缺陷類型主要為應(yīng)力腐蝕裂紋，從而決定渦流探頭線圈的結(jié)構(gòu)形式以及檢測(cè)工藝的確定頂蓋貫穿件渦流檢驗(yàn)范圍示意圖如圖11所示。鑒于反應(yīng)堆壓力容器頂蓋貫穿件渦流檢測(cè)的需求，課題組通過不同結(jié)構(gòu)形式渦流探頭的比較以及檢測(cè)探頭參數(shù)的優(yōu)化，最終確定的檢測(cè)探頭為“X”類型點(diǎn)探頭，線圈數(shù)量為2且互相垂直繞制，線圈的平面直徑為3.2mm，探頭工作頻率范圍為75KHz～500KHz。

“X”類型點(diǎn)探頭與“+”類型點(diǎn)探頭具有相同的設(shè)計(jì)，只是線圈角度旋轉(zhuǎn)45°。這種方式線圈的設(shè)計(jì)，使得線圈的響應(yīng)將以缺陷的方向?yàn)榛A(chǔ)。如圖12所示，圖中帶“+”號(hào)或紅色的區(qū)域是對(duì)缺陷的響應(yīng)特征為缺陷李薩如圖形朝上（例如軸向方向裂紋，具體取決于標(biāo)定方式）的區(qū)域，帶“-”號(hào)的或藍(lán)色區(qū)域是對(duì)缺陷響應(yīng)特征為缺陷李薩如圖形朝下（例如周向方向裂紋，具體取決于標(biāo)定方式）的區(qū)域。如果缺陷交叉進(jìn)入多個(gè)區(qū)域，信號(hào)的響應(yīng)為所有響應(yīng)的一個(gè)復(fù)合。

圖12 “X”類型點(diǎn)探頭響應(yīng)圖

4 結(jié)語

壓力容器頂蓋檢測(cè)是反應(yīng)堆壓力容器制造的關(guān)鍵工序和役前檢查、在役檢查的必要工作，通過不同檢測(cè)方法來來保障核電站長(zhǎng)期安全運(yùn)行。國(guó)內(nèi)AP1000壓水堆核電廠對(duì)壓力容器頂蓋的檢測(cè)主要遵循法國(guó)RSE-M標(biāo)準(zhǔn)美國(guó)ASME標(biāo)準(zhǔn)。本文根據(jù)反應(yīng)堆壓力容器頂蓋檢查區(qū)域以及ASME規(guī)范案例N-729的檢測(cè)要求，擬定了檢測(cè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，詳細(xì)介紹了檢測(cè)控制系統(tǒng)中電氣、音視頻等模塊的設(shè)計(jì)，同時(shí)，制定了一套科學(xué)可靠的壓力容器頂蓋檢測(cè)范圍和對(duì)應(yīng)的超聲、渦流檢測(cè)方法。此壓力容器頂蓋檢測(cè)技術(shù)以在秦山核電廠、等核電廠的實(shí)際應(yīng)用中得到了充分驗(yàn)證，取得了良好的效果，隨著后續(xù)核電站建設(shè)的迅猛發(fā)展以及在役檢測(cè)要求的提高，國(guó)內(nèi)外對(duì)反應(yīng)堆壓力容器頂蓋檢測(cè)控制技術(shù)的應(yīng)用也越來越豐富，該檢測(cè)控制方案對(duì)后續(xù)的研究開發(fā)具有一定的借鑒意義。