EPR核電站管道內(nèi)部焊縫打磨機(jī)器人的應(yīng)用與研究

吳中衛(wèi)

摘 要：EPR堆型的三代核電站在設(shè)計和建造方面，較二代及二代加堆型有了大幅度的優(yōu)化和改進(jìn)，部分核島關(guān)鍵系統(tǒng)的焊縫內(nèi)部需要進(jìn)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(dá)的情況下，需借助于適用于不同管徑的內(nèi)部焊縫打磨機(jī)器人，實現(xiàn)遠(yuǎn)程操作打磨，并在打磨工作完成后，利用專用清潔機(jī)器人完成清掃，保證管道內(nèi)部清潔度。該項技術(shù)在國內(nèi)核電站建設(shè)中首次應(yīng)用，機(jī)器人構(gòu)造、應(yīng)用管理、維修維護(hù)及相關(guān)改進(jìn)項方面的研究，對中國后續(xù)新建核電機(jī)組的管道施工具有重要意義。

關(guān)鍵詞：管道焊縫；內(nèi)部；打磨機(jī)器人

中圖分類號：TG45 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

三代EPR堆型核電站較二代加壓水堆堆型，在設(shè)計方面有眾多的技術(shù)優(yōu)化、改進(jìn)。對于核島關(guān)鍵系統(tǒng)的管道內(nèi)部焊縫打磨工作，在中國核電項目首次應(yīng)用，無實際經(jīng)驗。廣東臺山核電站的打磨機(jī)器人，覆蓋的管道管徑為DN100至DN500的范圍，能夠?qū)崿F(xiàn)管道內(nèi)部檢查、打磨、清潔。

1 設(shè)計要求及范圍

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

對核島管道內(nèi)部焊縫進(jìn)行打磨的主要作用如下：

（1）可最大程度地消除流體對于內(nèi)部焊縫的沖擊，減少焊縫的應(yīng)力集中，緩解焊縫疲勞，提高關(guān)鍵系統(tǒng)管道的使用壽命；（2）使用打磨機(jī)器人能發(fā)現(xiàn)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(jié)束后，內(nèi)表面光滑平整，達(dá)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(nèi)部清潔度。

2 打磨機(jī)器人的構(gòu)造

2.1 打磨機(jī)器人

打磨機(jī)器人的主體結(jié)構(gòu)分為3個部分，包括打磨機(jī)構(gòu)、驅(qū)動部分、線路集合點。

2.2 清潔機(jī)器人

清潔機(jī)器人的整體構(gòu)造與打磨機(jī)器人類似，主要區(qū)別在打磨電機(jī)被帶攝像頭的吸塵軟取代，機(jī)身接入了吸塵器。

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

2.3 波動管專用機(jī)器人

波動管專用機(jī)器人的整體構(gòu)造與打磨機(jī)器人類似，主要區(qū)別在于機(jī)頭處增加了一個防異物裝置，可防止打磨碎屑進(jìn)入穩(wěn)壓器。

3 打磨機(jī)器人的應(yīng)用

3.1 打磨準(zhǔn)備

（1）機(jī)器人無法在管道中爬行超過兩個90°彎頭。因此，開始現(xiàn)場焊縫的打磨工作前，必須通過利用Navisworks三維設(shè)計模型軟件及相關(guān)設(shè)計信息，合理安排焊縫打磨順序，做好打磨規(guī)劃；（2）打磨機(jī)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(shè)備對機(jī)器人的電磁干擾，以及可能的非正常斷電，對機(jī)器人造成損傷；（3）打磨機(jī)器人必須配置單獨的壓縮氣源，避免非正常斷氣時，機(jī)器人在管道中失去支撐，造成損壞。

3.2 打磨過程

（1）機(jī)器人在管道中行走時，遇到彎管時，需緩慢進(jìn)行，多次調(diào)整，確保機(jī)器人位于最佳姿態(tài)角；（2）每次打磨機(jī)器人退出管道，需檢查機(jī)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(fā)生螺絲脫落進(jìn)入管道的情況；（3）在打磨過程中，可在管道的管口處，采用風(fēng)機(jī)送風(fēng)，達(dá)到降溫的效果，起到保護(hù)設(shè)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(jī)器人設(shè)計缺陷、部件損耗、人員操作不當(dāng)?shù)仍?，機(jī)器人出現(xiàn)一些故障和問題，現(xiàn)將部分典型問題進(jìn)行總結(jié)。

4.1 打磨攝像頭模糊

維修方法：調(diào)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(dǎo)致成像焦距發(fā)生改變。定期排查機(jī)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(chǎn)生干擾。

4.2 打磨過程中砂輪片停止旋轉(zhuǎn)操作盤故障燈亮起

維修方法：關(guān)閉打磨電機(jī)，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(jī)發(fā)熱產(chǎn)生的自我保護(hù)性停止。

4.3 機(jī)器人本體卡在管道中

故障表現(xiàn)：通過控制面板上的控制桿操作機(jī)器人，無法在管道中正常前進(jìn)、后退。維修方法：配合機(jī)尾鋼絲繩運用適當(dāng)外力，此時按外力方向啟動前進(jìn)、后退功能，緩慢拉出機(jī)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(jìn)行切口取出。故障原因：管道內(nèi)部不規(guī)則。

4.4 徑向行程運動不流暢

維修方法：在電機(jī)下方的徑向行程旋轉(zhuǎn)軸導(dǎo)軌處加入潤滑油反復(fù)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(chǎn)生的灰塵散落在旋轉(zhuǎn)軸導(dǎo)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(jìn)入零部件內(nèi)阻塞機(jī)械部件的運轉(zhuǎn)。加入潤滑油會稀釋黏在內(nèi)部的灰塵，潤滑機(jī)械部件。

5 機(jī)器人的改造建議

在核島管道內(nèi)部焊縫的打磨工作中，發(fā)現(xiàn)打磨機(jī)器人部分結(jié)構(gòu)存在設(shè)計缺陷，是造成設(shè)備易損壞的主要原因。根據(jù)臺山核電站的施工經(jīng)驗，提出以下改進(jìn)建議。

5.1 驅(qū)動部分增加備用電池

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

5.2 需增設(shè)冗余的鋼絲繩

因存在管道卡在管道中無法取出的風(fēng)險，必須在機(jī)尾加設(shè)鋼絲繩。在極端工況下，配合驅(qū)動機(jī)構(gòu)將機(jī)器人從管道中取出。

5.3 打磨機(jī)頭的非電機(jī)部分需減小體積

打磨機(jī)器人在工作一段時間后發(fā)現(xiàn)，機(jī)頭部分棱角部分磕碰嚴(yán)重，屬于在設(shè)計時尺寸設(shè)計過大造成。建議在后續(xù)時，改造機(jī)頭非電機(jī)部分的體積。

5.4 打磨機(jī)頭內(nèi)部齒輪帶需重新選型

由于打磨環(huán)境的原因，在機(jī)頭內(nèi)部需選用更高強(qiáng)度的齒輪帶，以滿足機(jī)器人長時間高強(qiáng)度作業(yè)要求。臺山核電站，出現(xiàn)多次齒輪帶斷裂的情況。

結(jié)語

截至2018年4月，臺山核電站兩臺機(jī)組所有相關(guān)焊縫的內(nèi)部打磨工作均已完成，在2號機(jī)組的打磨作業(yè)中，打磨效率、機(jī)器人的維護(hù)保養(yǎng)均較1號機(jī)組有顯著提升。

臺山核電站的核島管道內(nèi)部打磨工作具有典型性，在后續(xù)國內(nèi)自主化設(shè)計和建造核電站的過程中，可充分利用該應(yīng)用技術(shù)以及相關(guān)的實踐經(jīng)驗，而且在后續(xù)設(shè)計打磨機(jī)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(jī)器人進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)

[1]MARTEL Francois ， NSSS Systems - Scope of Flush Welds[K]，F(xiàn)rance， 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(jī)械設(shè)備設(shè)計和建造規(guī)則[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，2007.

[4]李慶凱，唐德威.管道機(jī)器人彎管運動轉(zhuǎn)體原因分析[J].西安交通大學(xué)學(xué)報，2011（10）：19-23.

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