AP1000 再循環管道系統的檢查裝置設計與開發

白東進，劉碩，郭文，官益豪，王子虎，呂元亮

（1.三門核電有限公司，浙江 臺州 317100；2.國核電站運行服務技術有限公司，上海 200233）

AP1000 電站在安全殼淹沒事故工況下，淹沒水源通過安全殼再循環管道進入堆芯，為堆芯提供長期循環冷卻，維持堆芯的完整性，是核電廠核安全的重要保障設施。由于安全殼再循環管道較長、彎頭較多、布置上下起伏、存在倒U 型設計等原因，經研究，即使最大化地進行分段檢查，也無法用常規內窺鏡技術完成所有管道檢查，因此開發一套專用檢查裝置勢在必行。

1 設計依據

由于安全殼再循環冷卻水流量對堆芯安全非常重要，AP1000 電站最終安全分析報告（FSAR）要求電廠在役期間每10 年對安全殼再循環管道進行檢查，以確認沒有發生堵塞等影響流道特性的異常發生。

整體管道通過數個可拆卸的閥門，分成多個需檢查管段，其中較為典型的復雜工況長管段如圖1 所示。

圖1

圖1 中整體管段管長大于22m，整體管線較長；僅有A、B 兩個管道入口，且入口處空間較小，A 處可用空間小于2 倍管徑，B 處可用空間長度小于1 倍管徑，可用空間較小；管道包含10 個彎頭與2 個三通，彎頭最小彎曲半徑為1.5 倍管徑（1.5D），彎頭最大彎曲半徑為3 倍管徑（3D），整體工況復雜。

結合實際現場分析，認為將整個檢查分為3 部分分段可較好地簡化整體檢查流程，即將A 入口至B 出口作為第一段，A 入口至第一個三通后的倒U 形管段作為第二段，B 入口至三通后的倒U 形管段作為第三段，本文主要針對其中最復雜的A 入口至B 出口段，進行分析開發。

目前，國內外針對管道內部腐蝕劃痕的檢查已做了大量研究，開發了各式各樣的檢測技術。管道發生腐蝕后，通常表現為管道的管壁變薄，出現局部的凹坑和麻點等，目前常用的管道內腐蝕檢測技術主要是針對管壁的變化來進行檢查和分析，如壓電超聲、電磁超聲、漏磁檢測、遠場渦流、CCTV 檢測等。

渦流檢測法雖然可適用于多種黑色金屬和有色金屬，例如，探測蝕孔、裂紋、全面腐蝕和局部腐蝕，但渦流對于鐵磁材料的穿透力很弱，只能用來檢查表面腐蝕。而且如果在金屬表面的腐蝕產物中有磁性垢層或存在磁性氧化物，就可能給測量結果帶來難以避免的誤差。漏磁通法檢測的基本原理是建立在鐵磁材料的高磁導率這一特性上，檢測被磁化鋼管表面逸出的漏磁通，就可判斷缺陷是否存在，一般適用于檢測中小型管道，且只限于材料表面和近表面的檢測，被測的管壁不能太厚，抗干擾能力差，空間分辨力低。超聲波檢測法主要是利用超聲波的脈沖反射原理來測量管壁腐蝕后的厚度，但受現場結構及時間的限制，無法進行有效的檢查。

CCTV 檢測能直觀地了解管道內部現狀，它有著感官直接、定位精度高、檢查速度快等特點，通過軟件和人工對管道內銹層、結垢、腐蝕、穿孔、裂紋等進行判讀，全面了解管道現狀，因此，較為適用于安全殼再循環的檢查。

2 系統結構設計

安全殼再循環管為核級管道，其防異物要求，定位要求都有著較為嚴格的規定，且因整體檢查需安排在大修期間，管段采用冰塞作為封堵方式，整體可用檢查時間較短，因此整體裝置需同時滿足速度、精度的要求。

圖2 為檢查裝置的整體設計結構邏輯圖，裝置由信號部分、驅動部分、視頻檢查部分、外部輔助部分四部分組成。

圖2

信號部分：信號部分由外部的控制信號發生器根據操作員的執行發送運動指令，通過數據線纜傳輸至檢查裝置的信號編譯模塊，信號編譯模塊將運動信號編譯成脈沖信號發送至脈沖驅動模塊驅動步進電機前進。

驅動部分：步進電機通過傳動模塊同時驅動多組驅動輪，在某一驅動輪懸空時，可通過其他驅動輪驅動前進；傳動裝置上裝有計步齒，將實際前進的步數轉換為脈沖信號返回至信號編譯模塊后傳輸回信號控制模塊。

視頻檢查部分：視頻采集模塊安裝在檢查裝置前端，整體獨立于驅動部分，通過數據線纜將采集的數據傳輸到外部控制器的視頻解析模塊，通過解析模塊展開平鋪，最后得到最終的檢查視頻。

外部輔助部分：外部輔助裝置由線纜收放模塊與有光電編碼識別模塊組成，光點編碼模塊通過識別電纜上的定距離標簽來識別裝置前進的實際距離，與檢查裝置的反饋步數組成雙層反饋機制，結合預先設置好的檢查對象參數，即可用來修正裝置目前的實際位置。

3 機械結構與軟件設計

3.1 機械結構設計

為最大化地模塊化檢查裝置，減少因結構復雜引起的管道異物風險，爬行檢查裝置設計為檢查裝置、外部輔助裝置、控制主機三部分，三部分通過傳送線纜連接。

控制主機通過程序控制線纜控制裝置及爬行裝置動作，行進模式可選勻速模式、手動模式及故障回看模式；控制主機將前端的視頻模塊采集的數據進行平鋪及算法處理，處理后的圖像實時地顯示在控制主機上；溫度傳感器、編碼器、線纜控制裝置計數器數據通過程序處理后，將機身溫度、行進距離顯示在控制主機上。

外部輔助裝置由光電識別裝置、牽引電機、線纜收集盤、控制模塊、把手、箱體等組成，線纜采用玻璃纖維為外皮，外皮上每隔10cm 有一個2mm 黃色色環，用于已通過線纜長度的計算，線纜內含中央高強度細鋼索、數據線纜、供電線纜。通過光電識別裝置將線纜外皮上的標記點反饋給控制主機以修正行進距離，并接受控制主機的信號收放電纜；當控制主機識別出爬行裝置失效后，可給予指令協助拖拽回收電纜，拖拽爬行裝置離開管道，防止產生異物。

檢查裝置設計結構如圖3 所示，包含視頻采集模塊，通過非球形鏡片攝像頭采集高清視頻數據；環狀光源補充模塊，通過環形LED 提供高亮度光源，保證管道內視頻采集區域亮度大于目視檢查要求，可改裝為可變化強度光源。

圖3

檢查裝置由驅動輪驅動，通過傳動桿與動力模塊相連，并將傳動桿提供的支撐力轉化為摩擦力，驅使爬行裝置動作；裝置內含小型舵機與傳動機構用于調整推力盤位置，進而可以改變車體整體大小，即傳動桿外撐程度，進而主動地適應管道管徑變化。推力盤內含1 組支撐彈簧，通過彈簧減少裝置行進過程中的振動，并緩沖管道細微變化，自適應管道小范圍變化。裝置尾端加工了帶鎖定的螺紋結構，防止車體行進時連接裝置脫離，并為數據、電力線纜提供連接插座。

3.2 軟件結構設計

因管道檢查有及時性要求，控制軟件采用實時通訊的方式，保證現場檢查的及時性；視頻采集模塊為最大限度地增加視頻視角寬度采用了魚眼攝像頭的形式，因此采集的原始圖像存在一定的變形，通過控制器且內置的視頻畸變矯正算法，實時計算出對應的平鋪圖，實時顯示在控制器上。

視頻采集模塊采集到的視頻數據，會自動在外部的控制器中進行保存，采用先入先出的保存模式，基于存儲空間的大小可保存2 ～3 小時的數據；在控制器上預留了外部存儲插口，當開始數據保存時，可將原始數據與平鋪數據數據保存至外部存儲器上。

根據以上設計思路，設計控制軟件界面如圖4 所示，裝置可通過界面上按鈕直接操作行進，且具備調節亮度、速度的功能，并將實時原始圖像與畸變矯正后的實時圖像同時顯示，圖像的右上角會將計算好的距離直接顯示在屏幕上，便于檢查時及時發現故障區域并進行定位。

圖4

4 功能測試與數據分析

檢查裝置的爬行定位精度是檢查時至關重要的一個參數，通過測試裝置通過已知彎頭、直管的爬行距離可驗證爬行定位精度。

測試1 采用2m 長直徑為200mm 的垂直亞克力管作為爬行管道，僅采用計步齒計算檢查距離，測試數據如表1 所示。

表1

測試2 采用2m 長直徑為200mm 的水平亞克力管作為爬行管道，僅采用計步齒計算檢查距離，測試數據下表2 所示。

表2

根據以上測試數據分析認為，當檢查裝置在直管段爬行時定位精度在2%～3%，且誤差比率不隨著距離增加而增大。

測試3 采用直徑為180mm 的標準1.5D 彎頭作為爬行管道，僅采用計步齒計算檢查距離，測試數據如表3 所示。

表3

測試4 采用直徑為280mm 的標準1.5D 彎頭作為爬行管道，僅采用計步齒計算檢查距離，測試數據如表4所示。

表4

根據以上測試數據分析認為，當檢查裝置在彎管段爬行時，長半徑編碼器的定位精度在3%～5%，短半徑編碼器的定位精度在10%～11%，因此，編碼器數據采用將長距離數據及時對比覆蓋至短距離數據寄存器的方式較為合理。

結合A 入口至B 出口段情況可知，檢查管段總長13306mm，其中彎頭占總長比40.6%，因此，預計整體最大誤差約為507mm，其誤差相對較大，無法滿足精確定位的要求；根據已有的圖紙，以每段彎管作為分段起始點進行標記后分段識別缺陷，最大單段誤差約為98mm，滿足現場實施要求。

5 結語

本文基于AP1000 電站最終安全分析報告（FSAR）要求，設計了一種基于視頻檢查的專用管道檢查裝置，實現了在非破壞檢查方式下，在極短的時間內對管道缺陷進行準確的定位，為實現管道內部缺陷快速檢查提供了一種具體的檢查思路，在提高試驗人員工作效率的同時，降低了現場人員的放射性風險；本裝置的開發，也為國內所有核電站的管道內部檢查提供了一種全新的技術服務方案。