反應堆壓力容器主螺栓超聲檢查設備控制系統的設計與實現

2013-07-01 11:38:46朱傳雨陳懷東王賢彬馬官兵

無損檢測 2013年11期

朱傳雨，林戈，陳懷東，王賢彬，馬官兵

（中廣核檢測技術有限公司，蘇州 215004）

反應堆壓力容器（Reactor Pressure Vessel，RPV）又稱反應堆壓力殼，在一回路系統中承受高溫、高壓和強烈的中子輻照，是核電廠和核動力系統裝置中最重要的設備之一，是保證核動力裝置設備安全、正常運行的關鍵［1］。RPV主要由反應堆容器和頂蓋兩部分組成，其中，反應堆容器由下法蘭（含接管）、筒體和半球形下封頭焊接組成，頂蓋部分由半球形上封頭和上法蘭焊接組成。根據核反應堆型的不同（如CPR1000，EPR，AP1000等），上、下法蘭面上均勻地分布著數量不等的螺栓孔位。而主螺栓是通過上、下法蘭面連接反應堆容器和頂蓋，對防止反應堆內放射性物質外溢起著重要的作用。在核電廠和核動力裝置檢驗規范和大綱中，對反應堆壓力容器主螺栓有無損檢驗的強制要求，包括役前檢查（PSI Per－Service Inspection）和在役檢查（ISI In－Service Inspection）［2］。法國RSME標準《核電廠核島機械設備在役檢查規則》中規定，對主螺栓的無損檢測主要采用超聲波和渦流檢測技術［2］。

CPR1000堆型核電廠中使用的主螺栓材料為40NCDV7－03，規格為155mm×4mm。其中超聲波檢驗范圍包括螺栓的上、下螺紋區以及螺紋區之間的光桿區（非螺紋區），具體檢測部位見圖1。為了完成該部分的檢驗，在自動化超聲檢查中，要求運動控制設備具有軸向（上下）和周向（旋轉）兩個方向運動能力。為此，設計并實現了反應堆壓力容器主螺栓自動化超聲檢查設備控制系統。

圖1 反應堆壓力容器主螺栓的檢測部位

1 設備控制系統設計

反應堆壓力容器主螺栓自動化超聲檢查設備主要由機械設備、電氣控制和超聲信號采集系統三部分組成，整個系統構成如圖2所示。

圖2 設備控制系統構成框圖

機械設備主要包括直流電機、軸向和周向的編碼器、上/下限位開關、超聲探頭、探頭架以及固定螺栓的螺栓架等。

電氣控制系統主要由電氣控制箱和裝有運動控制軟件的計算機組成，它們之間通過網線進行數據通信。

超聲信號采集系統是由超聲儀和裝有超聲數據采集軟件的計算機構成，超聲儀與計算機之間也是通過網線進行數據通信。超聲儀采集的數據經超聲數據分析軟件，可實現對超聲數據的精確分析。探頭和超聲儀之間通過探頭線（專用電纜）進行連接，電氣控制箱和機械設備之間通過控制信號電纜進行連接，該信號電纜包括電機、編碼器等信號線。超聲儀和運動控制箱之間通過編碼器信號進行運動同步。

1.1 機械設備

機械設備部分除了固定螺栓的螺栓架外，還包括驅動單元和掃查單元兩個部分。驅動單元直接放置在螺栓的頂端，用于驅動掃查單元，掃查單元由運動絲桿和絲桿前端連接的組合接觸式超聲探頭（兩個）構成。在實際檢測中，探頭插入封頭螺栓的中心孔中，在驅動單元的驅動下，使掃查單元（即探頭）實現軸向（上下）和周向（旋轉）運動，從而完成對主螺栓的掃查。

驅動單元內部主要包括兩個電機，通過齒輪等機械裝置，實現探頭軸向和周向兩個方向的運動。根據實際負載情況，選用相應電機型號，其中實現周向運動的電機是48V、90W直流有刷電機，在電機軸末端裝有TTL電平輸出的增量式光電編碼器；實現軸向運動的電機是48V、150W直流有刷電機，同樣，在電機軸的末端裝有增量式光電編碼器。另，在上、下運動的極限位置安裝有接近開關，用于電機運動上、下極限位置的硬件限位。

1.2 電氣控制系統

電氣控制系統的主要功能是精確控制驅動單元內周向和軸向兩個方向的電機的運動，進而帶動探頭在螺栓中心孔內的運動，最終完成對主螺栓的檢查。整個電氣控制系統原理框圖如圖3所示。其核心是電氣控制箱（命名為CBUS），它主要由直流電源、運動控制器和伺服驅動器三部分組成［3］。其中，控制周向軸、軸向軸的伺服驅動器接收來自運動控制器的模擬信號，根據接收到的信號驅動伺服電機運動，伺服電機帶的編碼器信號返回至控制卡（互聯模塊），及時修正誤差，形成閉環控制。計算機實現向控制器發送相應的控制命令（上位機程序），運動控制器根據接收的命令進行運動分析，產生速度－時間函數V（t）和所需位置－時間函數R（t），R（t）描述電機在每一采樣時刻應在的位置，一個典型的運動速度－時間V（t）和位置－時間函數R（t）如圖4所示。運動分析和閉環是獨立的功能，運動分析確定了電機在采樣時刻應在的位置，而閉環迫使電機跟隨命令位置運動。運動命令結束后，伺服系統實時采樣比較電機實際位置（編碼器反饋）和理論位置R（t）的差值，產生電機運動的所需模擬信號，從而達到電機運動的精準定位。

圖3 電氣控制系統框圖

圖4 運動速度、位置曲線

首先，電源模塊部分保證可以輸出＋48，＋24，±12，＋5V直流電，供給整個控制箱（包括給控制卡、驅動器，編碼器以及接近開關等器件）。

電機驅動器采用脈寬調制型（Pulse With Modulation，PWM）伺服放大器，它可接收±10V模擬指令信號。在一定的工作模式下，它可以按照±10V指令產生所需最大電流原則來設置放大器增益，其輸出功率可達100W，持續電流4A，峰值電流10A。此外，它還具有使能、復位等一些功能。

運動控制器選用數字運動卡及互聯模塊，它使用16位DAC輸出±10V模擬信號指令及具有速度/加速度前饋、凹陷濾波、低通濾波和積分限制的高級PID濾波器，因此具有超精密控制特性。該運動控制卡的功能框圖如圖5所示。它具有高速通信、非易失程序存儲、高速編碼器反饋接收和高抗干擾性（EMI）等諸多強大功能，可完成多個軸的雙閉環（速度環和位置環）伺服控制［4］。有JOG、PTP定位、直線、圓弧插補、電子齒輪同步、電子凸輪多任務、輪廓運動等多種運動模式［5］。同時，由于該控制器加、減速時具有軌跡平滑處理的可編程特點，從而大大減小運動沖擊。另外為了與外部事件同步，控制器提供了通用I/O接口，包括光電隔離數字輸入/輸出，通用模擬信號（用于手操桿、各種傳感器等）輸入，同時，為正/負向限位、原點開關、急停提供專用光電隔離輸入接口。此外，還有64位I/O擴展接口，如果不使用第二輔助編碼器，還可以獲得更多的I/O口。

圖5 運動控制卡內部功能框圖

1.3 超聲波信號采集系統

超聲波采集裝置選用8通道MIDAS數據采集系統，原理框圖如圖6。系統采用客戶端（Client）/服務器（Service）結構模型，主要由硬件超聲波板卡、硬件控制部分（Service端）和軟件（Client端）三部分組成［6］。其中，MIDAS硬件系統由脈沖發生器/接收器模塊（PR）、采集模塊（AM）及用網絡通AM鏈接的計算機系統組成。圖中的編碼器信號來自電機末端編碼器，即編碼器信號傳給控制箱CBUS構成閉環運動控制的同時，也傳給MIDAS超聲儀，用來保證它們之間運動的同步。

圖6 超聲信號原理框圖

2 軟件實現

2.1 電氣設備控制軟件

運動控制卡采用直觀易懂的兩字符命令，支持用戶利用API函數C/C＋＋、C＃、VB、Labview等高級語言編寫滿足特殊需要的應用程序。為了獲得良好的人機界面，這里使用VC＋＋開發制作用戶操作界面，采用模塊化的設計，界面如圖7所示。該軟件除了具有可以設置周向（ROTATOR）和軸向（LINEAR）電機運動速度，實時顯示周向和軸向電機的運動位置的基本功能外，還可以設置電機的運動掃查方式（絕對ABS、相對REL、梳狀Combo等），軟件的限位、位置重定義、選擇掃查軸、步進軸等功能。其中軟件限位值的設置、位置的重定義通過點擊主控制界面Setup按鈕，在接下來彈出對話框中進行設置。整個軟件控制進度高、調速快、操作簡單，大大降低人為失誤造成的損失，安全性高，實用性強。

在實際檢查中，超聲探頭采用如圖8所示鋸齒狀掃查方式，其中X為探頭周向運動方向，Y為軸向運動方向。探頭軸向移動速度不超過25mm/s，周向步進距離（探頭旋轉時，在螺栓內表面圓周上掃過的距離）不超過探頭晶片尺寸的50%，探頭沿螺栓軸向每移動1mm進行一次超聲數據采集。同時，也可以選擇梳狀（Combo）掃查運動方式，如圖9所示。