核電站目視檢查爬壁裝置設計與研究

高厚秀　王俊濤　韓捷　胡浩

【摘 要】對大型容器實施目視檢驗，如核電站安全殼等，因其受檢區域范圍跨度大，實施目視檢驗的環境條件多樣，無法搭建腳手架和無法隨意拆卸空氣導流板等組件，需要采用移動平臺搭載適用于受檢區域的鏡頭組來實現大型容器立壁表面的間接目視檢驗，本文針對此類應用對象，研究了爬壁裝置的機械及控制系統，分析了非接觸式磁吸附的機理，并以實驗進行驗證，該裝置的應用加強了對核電站的大型容器在使用過程中的狀態監測，從而依據檢查結果進行預防和維護，有益于保護大型容器立壁表面狀態和涂層完整性，從而增加核電站的的整體安全性。

【關鍵詞】大型容器；目視檢查；爬壁裝置；磁吸附

中圖分類號： TP242.2 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）03-0233-003

Design and Research of the wall-climbing Device for Visual inspection of Nuclear Power Plant

GAO Hou-xiu WANG Jun-tao HAN Jie HU hao

（China Nuclear Power Operation Technology Co.，Ltd.，Wuhan 430223，China）

【Abstract】When a large container， such as a Nuclear Power Plant Containment， is carried out in visual inspection， the environmental conditions for visual inspection are varied because of the large span of the inspection area. It is impossible to build scaffolding and disassemble the air guide board and other components. so it is necessary to use indirect visual inspection to carry out the inspection of Containments surface， That need a wall climbing device which can carry the camera group. In this paper， the mechanical and control system of the wall climbing device is studied. And the mechanism of non-contact magnetic adsorption is analyzed. The mechanism is also verified by experiments. The application of this device is helpful for state detection of the containment. According to the results of the inspection， the surface state and coating of the Containment can be prevented and maintained. And it will increase the overall safety of the nuclear power plant.

【Key words】Containment； Visual inspection； Wall-climbing device； Magnetic absorbing

0 引言

目視檢查是無損檢測的方法之一，目視檢查相關執行標準需按照核電站檢查大綱要求執行，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、涂層狀態和腐蝕度進行檢查，如反應堆安全殼[1]。安全殼實施目視檢驗，因其受檢區域范圍跨度大，實施目視檢驗的環境條件多樣，不同的區域需要采用不同的檢驗手段。對于安全殼立壁部分的目視檢驗，因為無法搭建腳手架和無法隨意拆卸空氣導流板等組件，導致人員無法靠近進行直接目視檢驗；又由于受檢區域的空間有限，無法使用大型攝像設備，因此采用爬壁式移動平臺搭載小型攝像設備實施間接目視檢驗。

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

目前大部分爬壁式移動平臺屬于軌道式永磁型，部分超聲檢查裝置采用了非軌道式永磁性爬行平臺，但爬行輪為硬質永磁性材料。而在大容器目視檢驗過程中進行爬壁動作時，考慮到受檢區域表面涂層的保護，軌道和硬質永磁性材料的直接接觸都不是理想的選擇。另外，大型容器實施目視檢驗的過程中，爬壁式移動平臺的爬行動作需要保持豎直狀態運動較長的距離，因此在移動過程中需要及時調整偏移的運動方向，而目前的核電站大容器爬壁式移動平臺都沒有此類功能[2]。因此研究設計了非接觸式磁吸附目視檢查爬壁裝置，在不破壞受檢區域表面狀態的情況下實施目視檢查解決此類問題。

1 爬壁裝置的機械系統

1.1 爬壁裝置的機械結構設計

爬壁裝置主要由車體框架、驅動模塊、磁力吸盤、視屏檢查模塊等組成。為盡量減輕設備的重量，方便現場運輸，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。

如圖2所示，車體框架由小車外殼、底盤、防塵罩等構成，小車外殼為驅動模塊，由磁力吸盤提供保護措施，為了方便線纜安裝，設備外殼頂端及兩側開有矩形孔，均以蓋板遮蓋，并在外殼兩端開孔，并采用線纜保護套保護線纜，確保動力和通訊線纜能夠順利通過。爬壁裝置底盤是設備主要承重部分，為磁力吸盤提供搭載平臺。由于爬壁裝置還要經過容器穹頂的弧面，為避免在弧面上運行時，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留的安裝位置，也減輕了底盤的重量。驅動模塊采用兩臺驅動電機提供驅動力，分別帶動小車兩側的車輪模塊轉動，每一側驅動電機通過聯軸器與同步帶輪傳動，傳遞給同側的兩只車輪模塊。車輪模塊由車輪、轉軸、安裝架、輪轂、軸承等部分構成。另外可以通過更換不同直徑的車輪以適應不同直徑大小的容器，避免底盤與被測面接觸而導致的刮蹭和設備擱淺。其中傳動運動同步帶輪采用免鍵超高扭矩型帶輪[3]。

可計算得到電機驅動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為驅動力，N為轉速，d為輪徑。

1.2 爬壁裝置的磁吸附結構

磁力吸盤由永磁鐵、旋轉軸、彈簧柱銷、屏蔽框，鋼套，吸盤扳手等組成（圖3所示）。屏蔽框通過旋轉軸、彈簧柱銷安裝于底盤之上。永磁鐵套在屏蔽框內，最外層由鋼套保護。基于此結構的磁力吸盤除裸露于外的磁極所在面磁力有所增強以外，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。進行工作狀態的切換時，扳動吸盤扳手，永磁鐵繞旋轉軸轉動，永磁鐵相對于底盤平行時，通過彈簧柱銷進行限位保護，此時永磁鐵與被檢面產生磁力線閉合，產生正壓吸力，產生了大于爬壁裝置自身重力的摩擦力，因此爬壁裝置不會下墜。當扳動吸盤扳手，永磁鐵相對于底盤豎起時，磁力線遠離被檢面，無法形成回路，不會產生吸力，增強了爬壁裝置使用及運動過程中的安全保障[4]，如圖4所示。

對不同形狀及結構的磁鐵進行隔空吸力測試實驗，將磁鐵置于墊板上，磁鐵連接上拉力機，啟動拉力機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驗數據，如表1所示。綜合磁鐵氣隙、重量、吸力的關系，根據實驗結果，得出在使用包覆層厚度5mm的100×50×20mm自制鍋磁，氣隙10mm時磁力到達272.9N，比較適合該設備使用。

2 爬壁裝置的控制系統

控制系統采取兩個驅動器直接控制電機的方式來實現運動控制，兩個驅動器均內置PLC，通過內置軟件讓驅動器隨手柄操作器動作而驅動電機動作，驅動器和手柄操作器之間采取CAN總線通訊連接控制，手柄操作器實時讀取兩個驅動的速度和負載等狀態信息，并通過搖桿的前后左右撥動來控制爬壁裝置的前后運動和轉向，從而帶動視頻檢查模塊的攝像頭進行目視

檢查。其控制系統原理圖如圖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），翻轉吸盤扳手將磁力吸盤吸附于檢測容器壁上，通過調整攝像頭的位置，尋找最佳視頻檢查范圍，操作設備開始向上運行，同時觀察顯示器上的實時視頻圖像，如發現爬壁裝置路線偏移，可進行爬壁裝置姿態調整。爬壁裝置到達頂部后，即完成一個區域的檢查，控制爬壁裝置下行至容器壁底部，斷電，翻轉磁鐵，取下爬壁裝置。轉移至下一區域檢測，直至所有容器壁檢測完畢。其控制流程圖如圖7示

3 結論

通過各項試驗驗證，該裝置可成功應用于核電站反應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行情況良好，通過爬壁裝置所攜帶的網絡攝像頭視頻信號能正常傳輸到操作平臺的監視器上，從而協助無損檢測人員開展目視檢查作業。該裝置非接觸式吸附保護了大型容器立壁表面狀態和涂層完整性，鏡頭組視野范圍符合核電站目視檢查要求[5]，加強了對核電站的大型容器在使用過程中的狀態檢測，從而可以根據檢查結果進行預防和維護，增加核電站的的整體安全性。

【參考文獻】

[1]夏祖諷，王明彈，黃小林，等.百萬千瓦級核電廠安全殼結構設計與試驗研究[J].核動力工程，2002，123-129.

[2]肖力，等.爬壁機器人的現狀與發展[J].自動化博覽，2005，36-38.

[3]（美）克來格（Craig，J.J）.機器人學導論[M].北京：機械工業出版社，2006，90-98.

[4]王軍波，陳強，孫振國.爬壁機器人變磁力吸附單元的優化設計[J].清華大學學報（自然科學 版），2003，43（2）：214-217.

[5]劉淑霞，王 炎，徐殿國，等.爬壁機器人技術的應用 [J].機 器人，1999，21（2）.148-155.