AP1000 再循環(huán)管道系統(tǒng)的檢查裝置設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

白東進(jìn)，劉碩，郭文，官益豪，王子虎，呂元亮

（1.三門(mén)核電有限公司，浙江 臺(tái)州 317100；2.國(guó)核電站運(yùn)行服務(wù)技術(shù)有限公司，上海 200233）

AP1000 電站在安全殼淹沒(méi)事故工況下，淹沒(méi)水源通過(guò)安全殼再循環(huán)管道進(jìn)入堆芯，為堆芯提供長(zhǎng)期循環(huán)冷卻，維持堆芯的完整性，是核電廠核安全的重要保障設(shè)施。由于安全殼再循環(huán)管道較長(zhǎng)、彎頭較多、布置上下起伏、存在倒U 型設(shè)計(jì)等原因，經(jīng)研究，即使最大化地進(jìn)行分段檢查，也無(wú)法用常規(guī)內(nèi)窺鏡技術(shù)完成所有管道檢查，因此開(kāi)發(fā)一套專(zhuān)用檢查裝置勢(shì)在必行。

1 設(shè)計(jì)依據(jù)

由于安全殼再循環(huán)冷卻水流量對(duì)堆芯安全非常重要，AP1000 電站最終安全分析報(bào)告（FSAR）要求電廠在役期間每10 年對(duì)安全殼再循環(huán)管道進(jìn)行檢查，以確認(rèn)沒(méi)有發(fā)生堵塞等影響流道特性的異常發(fā)生。

整體管道通過(guò)數(shù)個(gè)可拆卸的閥門(mén)，分成多個(gè)需檢查管段，其中較為典型的復(fù)雜工況長(zhǎng)管段如圖1 所示。

圖1

圖1 中整體管段管長(zhǎng)大于22m，整體管線(xiàn)較長(zhǎng)；僅有A、B 兩個(gè)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(zhǎng)度小于1 倍管徑，可用空間較??；管道包含10 個(gè)彎頭與2 個(gè)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(fù)雜。

結(jié)合實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)分析，認(rèn)為將整個(gè)檢查分為3 部分分段可較好地簡(jiǎn)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(gè)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(duì)其中最復(fù)雜的A 入口至B 出口段，進(jìn)行分析開(kāi)發(fā)。

目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)管道內(nèi)部腐蝕劃痕的檢查已做了大量研究，開(kāi)發(fā)了各式各樣的檢測(cè)技術(shù)。管道發(fā)生腐蝕后，通常表現(xiàn)為管道的管壁變薄，出現(xiàn)局部的凹坑和麻點(diǎn)等，目前常用的管道內(nèi)腐蝕檢測(cè)技術(shù)主要是針對(duì)管壁的變化來(lái)進(jìn)行檢查和分析，如壓電超聲、電磁超聲、漏磁檢測(cè)、遠(yuǎn)場(chǎng)渦流、CCTV 檢測(cè)等。

渦流檢測(cè)法雖然可適用于多種黑色金屬和有色金屬，例如，探測(cè)蝕孔、裂紋、全面腐蝕和局部腐蝕，但渦流對(duì)于鐵磁材料的穿透力很弱，只能用來(lái)檢查表面腐蝕。而且如果在金屬表面的腐蝕產(chǎn)物中有磁性垢層或存在磁性氧化物，就可能給測(cè)量結(jié)果帶來(lái)難以避免的誤差。漏磁通法檢測(cè)的基本原理是建立在鐵磁材料的高磁導(dǎo)率這一特性上，檢測(cè)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(cè)中小型管道，且只限于材料表面和近表面的檢測(cè)，被測(cè)的管壁不能太厚，抗干擾能力差，空間分辨力低。超聲波檢測(cè)法主要是利用超聲波的脈沖反射原理來(lái)測(cè)量管壁腐蝕后的厚度，但受現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)及時(shí)間的限制，無(wú)法進(jìn)行有效的檢查。

CCTV 檢測(cè)能直觀地了解管道內(nèi)部現(xiàn)狀，它有著感官直接、定位精度高、檢查速度快等特點(diǎn)，通過(guò)軟件和人工對(duì)管道內(nèi)銹層、結(jié)垢、腐蝕、穿孔、裂紋等進(jìn)行判讀，全面了解管道現(xiàn)狀，因此，較為適用于安全殼再循環(huán)的檢查。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

安全殼再循環(huán)管為核級(jí)管道，其防異物要求，定位要求都有著較為嚴(yán)格的規(guī)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(shí)間較短，因此整體裝置需同時(shí)滿(mǎn)足速度、精度的要求。

圖2 為檢查裝置的整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)邏輯圖，裝置由信號(hào)部分、驅(qū)動(dòng)部分、視頻檢查部分、外部輔助部分四部分組成。

圖2

信號(hào)部分：信號(hào)部分由外部的控制信號(hào)發(fā)生器根據(jù)操作員的執(zhí)行發(fā)送運(yùn)動(dòng)指令，通過(guò)數(shù)據(jù)線(xiàn)纜傳輸至檢查裝置的信號(hào)編譯模塊，信號(hào)編譯模塊將運(yùn)動(dòng)信號(hào)編譯成脈沖信號(hào)發(fā)送至脈沖驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)前進(jìn)。

驅(qū)動(dòng)部分：步進(jìn)電機(jī)通過(guò)傳動(dòng)模塊同時(shí)驅(qū)動(dòng)多組驅(qū)動(dòng)輪，在某一驅(qū)動(dòng)輪懸空時(shí)，可通過(guò)其他驅(qū)動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)前進(jìn)；傳動(dòng)裝置上裝有計(jì)步齒，將實(shí)際前進(jìn)的步數(shù)轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)返回至信號(hào)編譯模塊后傳輸回信號(hào)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(dú)立于驅(qū)動(dòng)部分，通過(guò)數(shù)據(jù)線(xiàn)纜將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵獠靠刂破鞯囊曨l解析模塊，通過(guò)解析模塊展開(kāi)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(xiàn)纜收放模塊與有光電編碼識(shí)別模塊組成，光點(diǎn)編碼模塊通過(guò)識(shí)別電纜上的定距離標(biāo)簽來(lái)識(shí)別裝置前進(jìn)的實(shí)際距離，與檢查裝置的反饋步數(shù)組成雙層反饋機(jī)制，結(jié)合預(yù)先設(shè)置好的檢查對(duì)象參數(shù)，即可用來(lái)修正裝置目前的實(shí)際位置。

3 機(jī)械結(jié)構(gòu)與軟件設(shè)計(jì)

3.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為最大化地模塊化檢查裝置，減少因結(jié)構(gòu)復(fù)雜引起的管道異物風(fēng)險(xiǎn)，爬行檢查裝置設(shè)計(jì)為檢查裝置、外部輔助裝置、控制主機(jī)三部分，三部分通過(guò)傳送線(xiàn)纜連接。

控制主機(jī)通過(guò)程序控制線(xiàn)纜控制裝置及爬行裝置動(dòng)作，行進(jìn)模式可選勻速模式、手動(dòng)模式及故障回看模式；控制主機(jī)將前端的視頻模塊采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行平鋪及算法處理，處理后的圖像實(shí)時(shí)地顯示在控制主機(jī)上；溫度傳感器、編碼器、線(xiàn)纜控制裝置計(jì)數(shù)器數(shù)據(jù)通過(guò)程序處理后，將機(jī)身溫度、行進(jìn)距離顯示在控制主機(jī)上。

外部輔助裝置由光電識(shí)別裝置、牽引電機(jī)、線(xiàn)纜收集盤(pán)、控制模塊、把手、箱體等組成，線(xiàn)纜采用玻璃纖維為外皮，外皮上每隔10cm 有一個(gè)2mm 黃色色環(huán)，用于已通過(guò)線(xiàn)纜長(zhǎng)度的計(jì)算，線(xiàn)纜內(nèi)含中央高強(qiáng)度細(xì)鋼索、數(shù)據(jù)線(xiàn)纜、供電線(xiàn)纜。通過(guò)光電識(shí)別裝置將線(xiàn)纜外皮上的標(biāo)記點(diǎn)反饋給控制主機(jī)以修正行進(jìn)距離，并接受控制主機(jī)的信號(hào)收放電纜；當(dāng)控制主機(jī)識(shí)別出爬行裝置失效后，可給予指令協(xié)助拖拽回收電纜，拖拽爬行裝置離開(kāi)管道，防止產(chǎn)生異物。

檢查裝置設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖3 所示，包含視頻采集模塊，通過(guò)非球形鏡片攝像頭采集高清視頻數(shù)據(jù)；環(huán)狀光源補(bǔ)充模塊，通過(guò)環(huán)形LED 提供高亮度光源，保證管道內(nèi)視頻采集區(qū)域亮度大于目視檢查要求，可改裝為可變化強(qiáng)度光源。

圖3

檢查裝置由驅(qū)動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)，通過(guò)傳動(dòng)桿與動(dòng)力模塊相連，并將傳動(dòng)桿提供的支撐力轉(zhuǎn)化為摩擦力，驅(qū)使爬行裝置動(dòng)作；裝置內(nèi)含小型舵機(jī)與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)用于調(diào)整推力盤(pán)位置，進(jìn)而可以改變車(chē)體整體大小，即傳動(dòng)桿外撐程度，進(jìn)而主動(dòng)地適應(yīng)管道管徑變化。推力盤(pán)內(nèi)含1 組支撐彈簧，通過(guò)彈簧減少裝置行進(jìn)過(guò)程中的振動(dòng)，并緩沖管道細(xì)微變化，自適應(yīng)管道小范圍變化。裝置尾端加工了帶鎖定的螺紋結(jié)構(gòu)，防止車(chē)體行進(jìn)時(shí)連接裝置脫離，并為數(shù)據(jù)、電力線(xiàn)纜提供連接插座。

3.2 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

因管道檢查有及時(shí)性要求，控制軟件采用實(shí)時(shí)通訊的方式，保證現(xiàn)場(chǎng)檢查的及時(shí)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(yú)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(guò)控制器且內(nèi)置的視頻畸變矯正算法，實(shí)時(shí)計(jì)算出對(duì)應(yīng)的平鋪圖，實(shí)時(shí)顯示在控制器上。

視頻采集模塊采集到的視頻數(shù)據(jù)，會(huì)自動(dòng)在外部的控制器中進(jìn)行保存，采用先入先出的保存模式，基于存儲(chǔ)空間的大小可保存2 ～3 小時(shí)的數(shù)據(jù)；在控制器上預(yù)留了外部存儲(chǔ)插口，當(dāng)開(kāi)始數(shù)據(jù)保存時(shí)，可將原始數(shù)據(jù)與平鋪數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)保存至外部存儲(chǔ)器上。

根據(jù)以上設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)控制軟件界面如圖4 所示，裝置可通過(guò)界面上按鈕直接操作行進(jìn)，且具備調(diào)節(jié)亮度、速度的功能，并將實(shí)時(shí)原始圖像與畸變矯正后的實(shí)時(shí)圖像同時(shí)顯示，圖像的右上角會(huì)將計(jì)算好的距離直接顯示在屏幕上，便于檢查時(shí)及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障區(qū)域并進(jìn)行定位。

圖4

4 功能測(cè)試與數(shù)據(jù)分析

檢查裝置的爬行定位精度是檢查時(shí)至關(guān)重要的一個(gè)參數(shù)，通過(guò)測(cè)試裝置通過(guò)已知彎頭、直管的爬行距離可驗(yàn)證爬行定位精度。

測(cè)試1 采用2m 長(zhǎng)直徑為200mm 的垂直亞克力管作為爬行管道，僅采用計(jì)步齒計(jì)算檢查距離，測(cè)試數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1

測(cè)試2 采用2m 長(zhǎng)直徑為200mm 的水平亞克力管作為爬行管道，僅采用計(jì)步齒計(jì)算檢查距離，測(cè)試數(shù)據(jù)下表2 所示。

表2

根據(jù)以上測(cè)試數(shù)據(jù)分析認(rèn)為，當(dāng)檢查裝置在直管段爬行時(shí)定位精度在2%～3%，且誤差比率不隨著距離增加而增大。

測(cè)試3 采用直徑為180mm 的標(biāo)準(zhǔn)1.5D 彎頭作為爬行管道，僅采用計(jì)步齒計(jì)算檢查距離，測(cè)試數(shù)據(jù)如表3 所示。

表3

測(cè)試4 采用直徑為280mm 的標(biāo)準(zhǔn)1.5D 彎頭作為爬行管道，僅采用計(jì)步齒計(jì)算檢查距離，測(cè)試數(shù)據(jù)如表4所示。

表4

根據(jù)以上測(cè)試數(shù)據(jù)分析認(rèn)為，當(dāng)檢查裝置在彎管段爬行時(shí)，長(zhǎng)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(shù)據(jù)采用將長(zhǎng)距離數(shù)據(jù)及時(shí)對(duì)比覆蓋至短距離數(shù)據(jù)寄存器的方式較為合理。

結(jié)合A 入口至B 出口段情況可知，檢查管段總長(zhǎng)13306mm，其中彎頭占總長(zhǎng)比40.6%，因此，預(yù)計(jì)整體最大誤差約為507mm，其誤差相對(duì)較大，無(wú)法滿(mǎn)足精確定位的要求；根據(jù)已有的圖紙，以每段彎管作為分段起始點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記后分段識(shí)別缺陷，最大單段誤差約為98mm，滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施要求。

5 結(jié)語(yǔ)

本文基于AP1000 電站最終安全分析報(bào)告（FSAR）要求，設(shè)計(jì)了一種基于視頻檢查的專(zhuān)用管道檢查裝置，實(shí)現(xiàn)了在非破壞檢查方式下，在極短的時(shí)間內(nèi)對(duì)管道缺陷進(jìn)行準(zhǔn)確的定位，為實(shí)現(xiàn)管道內(nèi)部缺陷快速檢查提供了一種具體的檢查思路，在提高試驗(yàn)人員工作效率的同時(shí)，降低了現(xiàn)場(chǎng)人員的放射性風(fēng)險(xiǎn)；本裝置的開(kāi)發(fā)，也為國(guó)內(nèi)所有核電站的管道內(nèi)部檢查提供了一種全新的技術(shù)服務(wù)方案。