傳熱管檢查裝置現狀與發展趨勢分析

高厚秀　吳朋　韓捷　吳東棟　辛露

【摘 要】傳熱管作為蒸汽發生器之中的核心部件，它的正常工作對核電站的運行起到非常重要的作用，傳熱管在長期的運行中會有腐蝕、減薄、耗損各種不利因素出現，在這種情況下，傳熱管檢查裝置應運而生。傳熱管檢查裝置的關鍵在于如何將裝置固定在蒸汽發生器上，帶動檢查工具進行路徑規劃運動，實現對管板上傳熱管的100%的全檢。文中對國內外研究機構和核電企業開發的傳熱管檢查裝置的技術特點進行了歸納，對主要功能進行了介紹，并對各方面性能進行對比分析，同時，對傳熱管檢查技術和裝置的發展趨勢進行了預測和分析。

【關鍵詞】傳熱管;檢查裝置;現狀;發展趨勢

中圖分類號： TH878 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）19-0015-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.19.006

0 引言

近半世紀以來，核電技術快速發展，對于核電的安全性能也在不斷提高，蒸汽發生器在核島內部占有重要的地位，屬于關鍵設備，蒸汽發生器傳熱管工作過程中要求不允許出現疲勞、腐蝕、減薄等不利情況。[1]為了預防以上現象的發生，必須做到定期檢查。傳熱管檢查裝置就是用來做此項工作，其基本原理是在蒸發器的內部找到檢查裝置的固定支點，運載渦流檢查探頭到達待檢傳熱管管口，再將探頭送進傳熱管通過渦流信號來分析判斷傳熱管是否有損壞，從而完成傳熱管檢查作業。在核電站大修周期內，由于傳熱管數量多，完成全部檢查時間跨度大，而且蒸汽發生器水室屬于高輻射區域，所以傳熱管檢查裝置的設計和研發要以提高檢查速度和減小檢查人員受輻射劑量為根本目標。[2]

1 立柱式檢查裝置

立柱式檢修裝置是一種遠程控制的傳熱管檢查裝置，如圖1所示，當該裝置進入水室之前，伸縮氣缸縮回，使得檢修裝置呈現折疊狀態，檢修裝置進入水室的時候首先固定立柱下端的支撐座，然后安裝一個垂直于管板的立柱，該立柱是一個可轉動的圓形桿，安裝在水室內隔板附近的中心位置，立柱的上端有一個卡爪裝置，卡爪上面有一個彈性套筒，通過彈性套筒可以將卡爪與傳熱管固定住，立柱的下端安裝在支撐座上。然后伸縮氣缸伸開，使得滑軌與管板平行。探頭檢查工具固定在滑軌的滑塊上，探頭檢查工具上安裝有攝像頭，觀察探頭進出情況。在電機驅動下，滑軌還可以圍繞立柱做圓周運動，當滑軌運動到指定位置的時候，滑軌上面的探頭檢查工具也在電機的驅動下進行移動，將探頭送到指定的位置，然后將探頭插入傳熱管執行檢查任務。

2 機械臂式檢查裝置

機械臂檢查裝置一般基于蒸汽發生器人孔法蘭面安裝，該型定位裝置一般都采用模塊化設計，主要由安裝座、大臂、連接臂、小臂和工具端等部件組成，具有自由度3至6個不等。安裝時首先將安裝座與蒸汽發生器人孔法蘭端面固定，機械臂各模塊折疊收縮沿人孔軸線方向進入水室;接著機械臂可在蒸汽發生器水室內展開，然后由計算機控制精確定位，將探頭運載到需要檢查的傳熱管管口。這類裝置一般運用到高負載比機構設計技術、笛卡爾空間軌跡規劃技術、機器人關節精度控制技術、機器人空間運動仿真技術等來實現蒸汽發生器傳熱管檢查。ZETEC公司的SM系列機器人（如圖2），西屋ROSA-III（如圖3），Framatome公司ROGER，德國Hans Walischmile公司的TELBOT都屬于這一類型。[3]

3 管板式檢查裝置

立柱式和機械臂式檢查裝置的不足在于通用性差，一般只能用于一種規格的蒸汽發生器檢查;其次設備很重，安裝困難，操作人員勞動強度大、工業安全及定位準確性難以得到有效保證。而管板式檢查裝置則有效解決了以上問題。大部分管板式檢查裝置共同的特點是將卡爪向上插入管孔，卡爪在管內脹緊固定，將整個裝置倒懸于管板上（圖4-圖6所示），運用機器人路徑規劃，移動裝置將前端的探頭導向管精確定位于被檢傳熱管管口正下方。由探頭推拔器將探頭送入傳熱管進行渦流信號的采集，信號采集完畢后，渦流采集系統向定位裝置控制系統發出采集結束的命令，定位裝置將按照檢查計劃運動到下一個待檢傳熱管孔處，如此循環往復運行，直至檢查工作完成。通過更換少量模塊、軟件模型及配置參數，系統可完成多種類型的蒸發器的無損檢測工作。西屋公司的Pegasys、美國捷特公司ZR-100、克羅地亞INETEC公司TSR都屬于管板式檢修裝置。[4]

韓國水力原子力株式會社也開發了一款管板式檢修裝置，但其是一種手指狀夾持檢測機器人。這種檢測機器人包括前后移動模塊，左右移動模塊以及檢測裝置等模塊;檢測裝置模塊安裝在前后移動模塊上。夾持模塊包括多個手指狀夾持構件，通過其垂直插入熱管中，利用這種仿生式結構手指可實現收攏夾持，從而可靠的將設備固定在管板上，隨著夾持模塊前后移動，左右移動以及轉動，檢測機器人可優化檢測路徑，減少檢測時間，從而實現傳熱管檢查作業，如圖7所示。

日本日立公司的足式檢測機器人由一個基座，外加四個具有旋轉，伸縮功能的可獨立運動的足部組成。足部主要通過4個卡爪的協同動作，使探頭導管定位到待檢的傳熱管下。如圖8所示。這種檢查裝置最大的優勢就是不更換模塊即可可適應不同管間距的蒸發器型號的檢查，只需在傳熱管管徑不一樣時更換一下不同直徑的卡爪即可。

4 發展趨勢分析

國外傳熱管檢查裝置技術研究起步早，技術成熟。目前國外已從機械臂式向管板式裝置過渡，ZETEC等公司都已開發出了不同的管板式裝置，這種類型的檢查裝置高度集成化，控制系統不同程度的嵌入在結構中，并已實現產品化并應用于現場。[5]國內還沒有完全自主研制的傳熱管檢查裝置。我國承擔民用核設施在役檢查的單位主要為核動力運行研究所和中廣核檢測技術有限公司。國內檢查裝置的發展初期，一般采用機械臂式，但機械臂重量比較重，需要多人操作。核動力運行研究所早期引進了美國ZETEC公司的渦流檢查設備及SM系列定位機械手，積累了較為豐富的蒸汽發生器傳熱管定位的應用經驗，近年來，又通過引進美國西屋公司的Pegasys定位機器人技術，國產化了定位檢查機器人。國內目前的主流傳熱管檢測裝置一般由控制計算機、島外控制箱、島內控制箱以及機器人本體構成，采用島外控制箱和島內控制箱設計，依靠中間電纜和通訊電纜連接，使系統便于管理和使用，如圖9所示。

隨著AP1000等技術引進國內并實現運營，國內外核電技術進一步交流，相應的傳熱管檢查技術和裝置結構也在不斷改進和優化，未來將主要在多卡爪、多自由度的小型機器人方向上進行研究，自動化程度將會進一步提高，只需一個人即可實現安裝、控制和拆卸等操作，在核島外即可觀察檢查裝置的狀態。除此以外，其他領域的機器人未來也可應用于核電蒸汽發生器檢查。[6]

第一種是蛇形機器人，其設計思路來源于特斯拉的充電裝置。該充電裝置可以根據汽車的實際停車位置尋找充電接口，從而自動定位到該位置進行充電，此理論可以用來定位待檢傳熱管。比如挪威也研發過蛇形水下機器人Eelume，可進行水下設備的檢查，維修。

第二種是蠕蟲式機器人，其機構細小，自帶渦流探頭和信號存儲功能。可在傳熱管中通過蠕動等方式進行運動。其在傳熱管中通過之后將信號存儲下來，在一個專用的信號提取平臺上講信號導入分析軟件。由于其體積小，可以數十個或者上百個蟲式機器人同時進行檢查，效率會極大提高。此方案最大難點在于單獨運動的蟲式機器人供電問題是個難點。

第三種是壁虎仿生機器人，范德華力是中性分子彼此距離非常近時產生的一種微弱電磁引力。壁虎爬行的原理就是利用這種范德華力。科學家發現如果壁虎腳上650萬根細毛全部附著在物體表面上時，可吸附住質量為13千克的物體。壁虎實際上只使用一個腳，就能夠支持整個身體。從壁虎腳大附著力得到啟示，這種技術可用于檢查裝置在管板上的固定。國內目前有南京航天航空大學、中科院等單位在進行相關的仿生研究，腳掌材料采用聚氨醋硅橡膠材料，其單位面積粘著最大力可達到8mN每平方毫米，但是實際情況腳掌不可能完全理想的貼合在壁面上，所以實際產生的吸附力略小一些。用直徑為25mm大小的腳掌進行實驗證明，此時四個腳掌貼壁能產生的最大理想吸附力為15.7N。因此，增加一定數量腳掌或者增大腳掌面積，即可達到傳熱管檢修機器人的負載要求。

5 結論

在眾多在役檢查技術中，傳熱管檢查技術是核電無損檢測的關鍵技術，傳熱管檢查裝置主要以人員操作方便，避免受到更多的輻射劑量為研發目標，結合國內外科研機構研制的傳熱管檢查裝置，以及對相關技術進行對比分析，從安裝方式、運動方式和卡爪固定方式等方面對當前傳熱管檢查裝置的現狀做了闡述，并從提高檢查裝置的靈活性和多樣性的角度，對未來該領域的技術發展趨勢提出構想。

【參考文獻】

[1]彭俊，俞軍.世界核電現狀和發展趨勢簡介.核安全.2007，28（4）：56-58.

[2]王慶武.核電廠在役檢查探討，中國核電.2008，1（2）：156-167.

[3]丁訓慎.蒸汽發生器的維修技術與工具.核電工程與技術.2004，Z（3）：23-27.

[4]吳根華，閻建芳，許遵言.核電站蒸汽發生器的無損檢測.無損檢測.2005，27（10）：547-550.

[5]楊寶初.我國核蒸汽發生器傳熱管在役檢測現狀.無損檢測.2000，22（5）：215-218.

[6]張學榮，霍利，孫銳.核電站蒸汽發生器及其質量監督.電力建設，2007，28（8）：53-55.