核電站目視檢查爬壁裝置設(shè)計(jì)與研究

高厚秀 王俊濤 韓 捷 胡 浩

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

0　引言

目視檢查是無損檢測的方法之一，目視檢查相關(guān)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)需按照核電站檢查大綱要求執(zhí)行，核電站大型容器目視檢查主要是針對大型容器表面外觀情況、涂層狀態(tài)和腐蝕度進(jìn)行檢查，如反應(yīng)堆安全殼[1]。安全殼實(shí)施目視檢驗(yàn)，因其受檢區(qū)域范圍跨度大，實(shí)施目視檢驗(yàn)的環(huán)境條件多樣，不同的區(qū)域需要采用不同的檢驗(yàn)手段。對于安全殼立壁部分的目視檢驗(yàn)，因?yàn)闊o法搭建腳手架和無法隨意拆卸空氣導(dǎo)流板等組件，導(dǎo)致人員無法靠近進(jìn)行直接目視檢驗(yàn)；又由于受檢區(qū)域的空間有限，無法使用大型攝像設(shè)備，因此采用爬壁式移動(dòng)平臺(tái)搭載小型攝像設(shè)備實(shí)施間接目視檢驗(yàn)。

反應(yīng)堆安全殼直徑約40m，外表面具有涂層及支撐焊縫。被檢區(qū)域被分割為若干隔斷（如圖1），檢測區(qū)域高度超過40m，容器與空氣導(dǎo)流板之間距離狹窄僅約0.3m。

目前大部分爬壁式移動(dòng)平臺(tái)屬于軌道式永磁型，部分超聲檢查裝置采用了非軌道式永磁性爬行平臺(tái)，但爬行輪為硬質(zhì)永磁性材料。而在大容器目視檢驗(yàn)過程中進(jìn)行爬壁動(dòng)作時(shí)，考慮到受檢區(qū)域表面涂層的保護(hù)，軌道和硬質(zhì)永磁性材料的直接接觸都不是理想的選擇。另外，大型容器實(shí)施目視檢驗(yàn)的過程中，爬壁式移動(dòng)平臺(tái)的爬行動(dòng)作需要保持豎直狀態(tài)運(yùn)動(dòng)較長的距離，因此在移動(dòng)過程中需要及時(shí)調(diào)整偏移的運(yùn)動(dòng)方向，而目前的核電站大容器爬壁式移動(dòng)平臺(tái)都沒有此類功能[2]。因此研究設(shè)計(jì)了非接觸式磁吸附目視檢查爬壁裝置，在不破壞受檢區(qū)域表面狀態(tài)的情況下實(shí)施目視檢查解決此類問題。

1　爬壁裝置的機(jī)械系統(tǒng)

1.1　爬壁裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

爬壁裝置主要由車體框架、驅(qū)動(dòng)模塊、磁力吸盤、視屏檢查模塊等組成。為盡量減輕設(shè)備的重量，方便現(xiàn)場運(yùn)輸，爬壁裝置的底盤等主要承重部件均采用超硬鋁合金加工而成。

圖1　安全殼容器壁檢查區(qū)域示意圖

圖2　爬壁裝置結(jié)構(gòu)圖

圖3　磁力吸盤結(jié)構(gòu)圖

如圖2所示，車體框架由小車外殼、底盤、防塵罩等構(gòu)成，小車外殼為驅(qū)動(dòng)模塊，由磁力吸盤提供保護(hù)措施，為了方便線纜安裝，設(shè)備外殼頂端及兩側(cè)開有矩形孔，均以蓋板遮蓋，并在外殼兩端開孔，并采用線纜保護(hù)套保護(hù)線纜，確保動(dòng)力和通訊線纜能夠順利通過。爬壁裝置底盤是設(shè)備主要承重部分，為磁力吸盤提供搭載平臺(tái)。由于爬壁裝置還要經(jīng)過容器穹頂?shù)幕∶妫瑸楸苊庠诨∶嫔线\(yùn)行時(shí)，磁力吸盤與被檢查容器的弧面接觸，磁力吸盤需要安裝于車輪軸線附近，因此，底盤呈“H”型，兩端缺口為磁力吸盤預(yù)留的安裝位置，也減輕了底盤的重量。驅(qū)動(dòng)模塊采用兩臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供驅(qū)動(dòng)力，分別帶動(dòng)小車兩側(cè)的車輪模塊轉(zhuǎn)動(dòng)，每一側(cè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過聯(lián)軸器與同步帶輪傳動(dòng)，傳遞給同側(cè)的兩只車輪模塊。車輪模塊由車輪、轉(zhuǎn)軸、安裝架、輪轂、軸承等部分構(gòu)成。另外可以通過更換不同直徑的車輪以適應(yīng)不同直徑大小的容器，避免底盤與被測面接觸而導(dǎo)致的刮蹭和設(shè)備擱淺。其中傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)同步帶輪采用免鍵超高扭矩型帶輪[3]。由于要求磁鐵離被測表面≥10mm，輪徑不能夠小于90mm，所以根據(jù)

可計(jì)算得到電機(jī)驅(qū)動(dòng)爬壁裝置需提供的功率值，其中P為功率，η為有用功效率，F(xiàn)為驅(qū)動(dòng)力，N為轉(zhuǎn)速，d為輪徑。

1.2　爬壁裝置的磁吸附結(jié)構(gòu)

圖4　磁力吸盤翻轉(zhuǎn)示意圖

磁力吸盤由永磁鐵、旋轉(zhuǎn)軸、彈簧柱銷、屏蔽框，鋼套，吸盤扳手等組成（圖3所示）。屏蔽框通過旋轉(zhuǎn)軸、彈簧柱銷安裝于底盤之上。永磁鐵套在屏蔽框內(nèi)，最外層由鋼套保護(hù)。基于此結(jié)構(gòu)的磁力吸盤除裸露于外的磁極所在面磁力有所增強(qiáng)以外，磁鐵其他包覆面磁力均大幅降低，增加了爬壁裝置的安全性。進(jìn)行工作狀態(tài)的切換時(shí)，扳動(dòng)吸盤扳手，永磁鐵繞旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，永磁鐵相對于底盤平行時(shí)，通過彈簧柱銷進(jìn)行限位保護(hù)，此時(shí)永磁鐵與被檢面產(chǎn)生磁力線閉合，產(chǎn)生正壓吸力，產(chǎn)生了大于爬壁裝置自身重力的摩擦力，因此爬壁裝置不會(huì)下墜。當(dāng)扳動(dòng)吸盤扳手，永磁鐵相對于底盤豎起時(shí)，磁力線遠(yuǎn)離被檢面，無法形成回路，不會(huì)產(chǎn)生吸力，增強(qiáng)了爬壁裝置使用及運(yùn)動(dòng)過程中的安全保障[4]，如圖4所示。

圖5　控制系統(tǒng)原理圖

對不同形狀及結(jié)構(gòu)的磁鐵進(jìn)行隔空吸力測試實(shí)驗(yàn)，將磁鐵置于墊板上，磁鐵連接上拉力機(jī)，啟動(dòng)拉力機(jī)直至磁鐵拉脫臨界值，并改變隔空間隙距離從而獲得吸力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如表1所示。綜合磁鐵氣隙、重量、吸力的關(guān)系，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出在使用包覆層厚度5mm的 100×50×20mm自制鍋磁，氣隙 10mm時(shí)磁力到達(dá)272.9N，比較適合該設(shè)備使用。

表1　磁鐵隔空吸力測試表

2　爬壁裝置的控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)采取兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器直接控制電機(jī)的方式來實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器均內(nèi)置PLC，通過內(nèi)置軟件讓驅(qū)動(dòng)器隨手柄操作器動(dòng)作而驅(qū)動(dòng)電機(jī)動(dòng)作，驅(qū)動(dòng)器和手柄操作器之間采取CAN總線通訊連接控制，手柄操作器實(shí)時(shí)讀取兩個(gè)驅(qū)動(dòng)的速度和負(fù)載等狀態(tài)信息，并通過搖桿的前后左右撥動(dòng)來控制爬壁裝置的前后運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)向，從而帶動(dòng)視頻檢查模塊的攝像頭進(jìn)行目視檢查。其控制系統(tǒng)原理圖如圖5所示。

爬壁裝置通電，檢測電氣信號正常之后，將防墜裝置安裝于容器穹頂，穹頂操作人員將防墜裝置繩索放下至容器底部，底部操作人員將爬壁裝置與防墜裝置連接牢固，將爬壁裝置貼于被檢測面容器壁 （圖6所示），翻轉(zhuǎn)吸盤扳手將磁力吸盤吸附于檢測容器壁上，通過調(diào)整攝像頭的位置，尋找最佳視頻檢查范圍，操作設(shè)備開始向上運(yùn)行，同時(shí)觀察顯示器上的實(shí)時(shí)視頻圖像，如發(fā)現(xiàn)爬壁裝置路線偏移，可進(jìn)行爬壁裝置姿態(tài)調(diào)整。爬壁裝置到達(dá)頂部后，即完成一個(gè)區(qū)域的檢查，控制爬壁裝置下行至容器壁底部，斷電，翻轉(zhuǎn)磁鐵，取下爬壁裝置。轉(zhuǎn)移至下一區(qū)域檢測，直至所有容器壁檢測完畢。其控制流程圖如圖7示

3　結(jié)論

通過各項(xiàng)試驗(yàn)驗(yàn)證，該裝置可成功應(yīng)用于核電站反應(yīng)堆安全殼的目視檢查，具備磁吸附功能的爬壁裝置在大型容器壁上運(yùn)行情況良好，通過爬壁裝置所攜帶的網(wǎng)絡(luò)攝像頭視頻信號能正常傳輸?shù)讲僮髌脚_(tái)的監(jiān)視器上，從而協(xié)助無損檢測人員開展目視檢查作業(yè)。該裝置非接觸式吸附保護(hù)了大型容器立壁表面狀態(tài)和涂層完整性，鏡頭組視野范圍符合核電站目視檢查要求[5]，加強(qiáng)了對核電站的大型容器在使用過程中的狀態(tài)檢測，從而可以根據(jù)檢查結(jié)果進(jìn)行預(yù)防和維護(hù)，增加核電站的的整體安全性。

圖6　爬壁裝置吸附圖

圖7　控制系統(tǒng)流程圖

【參考文獻(xiàn)】

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