核電站蒸汽發生器傳熱管渦流自動檢測系統研制

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(1.核動力運行研究所，湖北 武漢 430074； 2.中核武漢核電運行技術股份有限公司，湖北 武漢 430223)

0 引言

核電站蒸汽發生器傳熱管，是將一回路冷卻劑從反應堆獲得的熱能傳給二回路給水的熱交換設備，是一回路承壓邊界的重要組成部分,因此準確評價傳熱管的完整性對核電站安全運行至關重要[1-2]。渦流檢驗由于其速度快、檢測靈敏度高和無電接觸等優點，被廣泛應用于核電站傳熱管的檢驗[3]。又由于渦流檢查所處的檢驗環境具有較高的放射性，且傳熱管渦流檢查常處于核電站檢修的關鍵路徑上，要求系統能夠盡可能簡潔、自動化程度高、運行可靠且實施工期短[4]，因此傳熱管自動渦流檢測系統的研制需考慮這些要求及技術難點。

1 檢測系統設計

整個檢測系統按功能分成幾個分系統，每個功能分系統有較強的獨立性，可以根據需要單獨使用；也可以通過局域網與其他功能分系統連接組成完整的檢測系統，并通過網絡和軟件接口實現各功能分系統的通訊。

渦流系統按照功能分解，主要包含以下幾個分系統，各功能分系統組成結構如圖1所示。

a.信號系統：采集渦流信號并對信號進行處理。

b.探頭定位系統：實現探頭對采集對象定位。

c.探頭掃查系統：實現探頭在傳熱管中運動。

d.集成傳輸系統：在電腦及各功能系統間實現各種控制信號、數據的傳輸。

e.其他輔助設備(軟件)。

圖1 蒸汽發生器渦流檢測系統組成結構

2 分系統設計

2.1 渦流信號系統

渦流信號系統按其使用功能設計為5部分，分別為數據采集軟件、數據分析軟件、計劃管理軟件、推拔器控制軟件和爬行器控制軟件。計劃管理軟件負責檢測計劃的建立，計劃創建完成后，由采集人員通過采集系統完成渦流信號的采集，采集完成后，分析人員通過分析系統對原始信號數據做各種處理，包括標定、混頻和電壓歸一化等，通過對信號的測量，發現顯示信號，如圖2所示。所有數據完成分析后，由計劃管理軟件對分析結果進行統計管理，校對漏檢和復查的管子，創建復查計劃，直到完成所有的檢查[5]。系統軟件之間的關系如圖3所示。

圖2 渦流信號缺陷響應示例

圖3 系統軟件接口結構

2.2 探頭定位系統

探頭定位系統采用以傳熱管為目標定位點的方式，利用特殊的腳趾結構，固定在傳熱管上，從而避免在入孔處安裝，讓開入孔孔位。這種方式再加上合理的路徑規劃，探頭門可以帶動探頭移動到任意管口，實現傳熱管檢查100%覆蓋；這種方式定位準確，采用交叉結構，可以實現任意方向行走。采用雙缸氣動花瓣結構，承載能力大，并可針對同類型蒸汽發生器的管距、管徑和管孔排列方式進行調整;而且定位裝置體積小，重量輕，便于通過蒸汽發生器入孔安裝，大大提高了檢修效率。其搭載平臺可以實現模塊化，為傳熱管的渦流檢查、超聲檢查、堵管和水室表面狀況檢查等作業裝備留有接口。

定位裝置機械系統采用氣電液混合控制，動力源包括電機、氣控箱和增壓水缸。其中，電機通過絲杠將電機的旋轉運動轉換為直線運動，通過編碼器的反饋信號可以實現定位裝置在管板孔上的精確定位。增壓水缸和氣路相配合完成旋轉動作。定位裝置機械如圖4所示，主要由步進組件、旋轉組件、升降組件、腳爪組件和動態零件組成。

圖4 定位裝置機械

定位裝置控制系統擬采用運動控制箱和氣控箱單獨設計，依靠中間電纜和通訊電纜連接，使系統便于搬運。又考慮到為便于系統維護，采用分離設計。因此，系統由運動控制箱、氣控箱和控制用工作站等構成，其原理結構如圖5所示。

圖5 硬件控制系統原理

2.3 探頭掃查系統

探頭掃查系統的作用，是把檢測用渦流探頭從蒸汽發生器水室管板下方送入傳熱管至水室另外一端，然后在回拉時進行傳熱管的渦流數據采集。

掃查系統采用伺服電機驅動，減速后驅動壓力可調的驅動滾輪驅動渦流探頭輸送，渦流探頭的推進/拔出主要依靠輸送滾輪壓在渦流探頭輸送管上產生的摩擦力來推拔，輸送壓緊輪的壓緊力由單座氣缸推動旋轉壓輪箱轉動來壓緊渦流探頭輸送管，驅動滾輪的壓力調節通過調整壓縮空氣的氣壓來實現。驅動速度的調節通過伺服系統直接調整電機轉速完成。探頭掃查系統如圖6所示。

圖6 探頭掃查系統示意

圖7 多功能控制器原理結構

2.4 集成傳輸系統

集成傳輸系統主要由多功能控制器和視頻監視系統構成，將視頻信號、音頻信號和渦流數據信號通過光纖進行傳輸至工作站，以便數據分析人員進行數據識別。

系統基于多用途視頻光端機平臺設計，其包含4路視頻、1路以太網、異步數據、音頻、開關量和電話線。根據現場使用環境要求，設計成2套控制器，1套遠端和1套近端,如圖7所示。

遠端為發射端，主要連接設備為視頻監視器和云臺控制設備、語音通訊設備、開關控制設備，以及與以太網相連的各種控制設備和信號采集設備。主要內置模塊為光端機發射機、音頻的前置放大器和耳機功放、RS485分配器、閃光和蜂鳴發生器、交換機，以及各種接口。

近端為接收端，主要連接設備有視頻分割顯示器、語音設備、開關控制量設備，以及各種網絡控制設備和數據分析設備等。主要內置模塊為光端機的接收機、音頻的前置放大器和耳機功放、閃光和蜂鳴發生器、云臺控制鍵盤和搖桿及其編碼器、各種接口等。光端機之間通過光纖連接實現遠程控制，控制距離不小于20 km。

3 測試對比結果

進行了大量與國外主流系統的對比測試。測試結果表明，本系統在系統功能、檢驗能力、安全性等方面均達到設計要求，主要指標國際先進，部分技術指優于國外主流渦流檢測系統。主要測試結果如表1所示。

表1 測試結果對比

4 結束語

通過對系統進行分模塊、分階段攻克技術難點等手段，完成了對核電站蒸汽發生器傳熱管進行缺陷渦流檢測的自動化系統研制，包含將機、電、液、氣進行了一體化的綜合與集成，目前已成熟應用于各核電站蒸汽發生器傳熱管的檢查工作。未來將考慮在設備的可靠性和集成度方面，對系統進行進一步的提高和完善，以保證核設施更加安全、可靠、經濟的運行。

參考文獻：

[1] 姚運萍,韓捷,廖述圣.核電站管道缺陷渦流定量檢測的可靠性分析[J].核動力工程, 2009,30(4): 17-20.

[2] 姚運萍,韓捷,廖述圣.探頭線圈掃查方式對渦流檢測性能影響的研究[J].機械與電子,2008(11):60-62.

[3] 國防科技工業無損檢測人員資格鑒定與認證培訓教材編委會.渦流檢測[M].北京：機械工業出版社，2006.

[4] 韓捷,廖述圣.蒸汽發生器傳熱管渦流檢驗中對多缺陷信號判別的可靠性[J].無損檢測,2010,32(12):935-939.

[5] 韓捷,陳霞,廖述圣,等.核電站蒸汽發生器傳熱管脹管過渡段沉積物及缺陷的渦流探頭判別[J]. 無損檢測,2016,38(11):62-65,69.