控制棒驅動機構下部Ω焊縫增強型目視檢查1)

(中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300)

反應堆壓力容器控制棒驅動機構下部Ω焊縫在使用過程中受到高溫、高壓及高輻射等因素的共同作用，會產生裂紋、機械損傷、泄漏和外表缺陷(如變色、氧化、沉積物、銹皮或其他明顯污染等)等缺陷，嚴重影響機組的安全、經濟、可靠運行。

方家山核電站1號機組安裝期間，控制棒驅動機構現場焊接施工中在焊縫剖口以及母材區域發現大量的管座區域圓形顯示。國家核安全局在對方家山核電站1號機組役前檢查總報告的評價意見中提出，在每個換料大修期間，對控制棒驅動機構下部Ω焊縫及附近母材實施增強型目視檢查。

控制棒驅動機構下部Ω焊縫位于頂蓋上方底部，結構復雜，難以接近。現有的高清攝像頭只能完成頂蓋邊緣部分檢查；如果采用超聲檢驗和渦流檢驗等體積檢查方案，需要完全拆除頂蓋上的線圈、電纜及儀表探頭等并研制復雜的專門檢查設備，預計每一組CRDM的拆裝及檢查時間長達5 h，需占用大量環吊和主線時間；同時環境劑量高和高度落差大，存在高輻射和安全風險。

因此，方家山核電站1號機組急需開發一套高清視頻檢查系統，在不拆除頂蓋上的線圈、電纜及儀表探頭等的情況下，對控制棒驅動機構下部Ω焊縫實施增強型目視檢驗。

1 技術難點分析

1.1 檢查技術

目前，國內視頻技術主流采用的是傳統的模擬視頻技術，簡稱CCTV(Close Cycle TV)，最高輸出的模式700TV線，解析和圖像清晰度與高清視頻技術存在一定差距，暫時沒有針對下部Ω焊縫的結構特點而開發的專用運載設備；而增強型目視檢查要求來源于美國聯邦法規CFR50.55a要求，需通過高清視頻檢驗裝置清晰分辨出0.025 mm細線。

方家山核電站機組控制棒驅動機構的下部Ω焊縫包括61根CRDM管座法蘭與控制棒驅動機構密封殼之間的密封焊縫、4根熱電偶組建陰法蘭密封焊縫。下部Ω焊縫結構復雜，每根控制棒間距小，直徑大、呈現叢林分布，容許通過空間有限，并且每條下部Ω焊縫呈略帶圓弧狀斜向下方(如圖1所示)，檢查時不僅要對焊縫實施檢驗，還需對焊縫周圍的熱影響區實施檢驗。檢查難點在于頂蓋中間區域的焊縫難于接近，在檢查實施中為盡量減少不可達焊縫數量，需簡化檢查設備并縮小其體積。基于上述要求需研制一套集成度高、一體化的裝置對下部Ω焊縫實現高清視頻檢驗。

圖1 下部Ω焊縫結構圖

1.2 接近方式分析

研究下部Ω焊縫結構特點后，確定在不拆除頂蓋上的圍板、電纜及儀表探頭等的情況下，檢查設備只能從上方或者側面進入實施檢查。從上方進入檢查即檢查設備從圍板邊緣上方(中部Ω焊縫附近)垂直進入，待到達下部放至下部Ω焊縫處，通過檢查裝置的俯仰、旋轉等實施檢查；從側面進入檢查即通過圍板側面的4個觀察窗口將設備深入至下部Ω焊縫處，通過檢查裝置的俯仰、旋轉等實施檢查。

1.2.1 檢查設備從頂蓋上方進入

如不拆電纜及儀表探頭等設備，控制棒驅動機構間的間隙很窄，只能采用小尺寸的內窺鏡探頭加載專用特殊裝置，在中部Ω焊縫之間行走、定位，并向下深入到達下部Ω焊縫，通過內窺鏡探頭的旋轉、俯仰實現高清視頻檢查，控制棒驅動機構實際情況如圖2所示。

圖2 控制棒驅動機構現場實物圖

調研國內外先進的內窺鏡探頭發現小角度(50°)探頭雖然景深大，但視角有限，會使檢查耗時相當漫長；大角度(120°)探頭雖然視角變大，但景深小，無法滿足下部Ω焊縫的全覆蓋及靈敏度要求，并且由于控制棒驅動機構的叢林分布，位于頂蓋中間區域的Ω焊縫很難實現檢查，會存在大量不可達。因此檢查設備從上方實施檢查，設備復雜、不確定度大，存在很多不可達情況，工期漫長且難度大。

1.2.2 檢查設備從頂蓋側面進入

檢查設備從側面進入，到達下部Ω焊縫附近，使檢查裝置處于焊縫的水平區域或水平偏下區域，通過視頻裝置的旋轉、俯仰實現高清視頻檢查，由于控制棒驅動機構間的間隙很窄，可通過間隙之間的通道采用小尺寸視頻檢查裝置用運載工具搭載攝像頭實現檢查。

調研國內外小尺寸攝像頭，將攝像頭的外徑尺寸控制在控制棒驅動機構之間最小間隙尺寸一半以內，可保證攝像頭在間隙內自如的旋轉及俯仰，檢查裝置通過通道到達下部Ω焊縫附近，攝像頭的視角及景深均比內窺鏡大很多，這樣的視角可擴大焊縫的單次覆蓋范圍，大大縮短檢查時間，并且在近距離情況下可滿足檢查的靈敏度要求。

充分考慮了檢查時間、檢查環境、檢查位置、檢查設備及搭載工具研制等綜合因素，檢查設備從上方實施檢查，拆除線圈等設備占用主線時間長，存在高劑量照射風險和高空風險；增強型目視檢查設備從下方觀察窗口進入是最為有效、可靠的方法。

2 檢查技術開發

2.1 檢查方案設計

頂蓋圍板上有4個帶有一定斜度的觀察窗口，尺寸約為600 mm ×460 mm，分別分布在頂蓋的0°、90°、180°、270°方位之間，通過觀察窗口測得控制棒間水平間距最小約為110 mm，下部Ω焊縫距下部保溫間距約為400 mm(如圖3～圖5所示)，由于觀察窗口很小，在不拆除圍板的情況下設備只能通過觀察窗口進行，并且由于下部Ω焊縫之間的距離很小，檢查設備不能發生轉彎，只能通過攝像頭自身的俯仰及旋轉實現檢查。

圖3 觀察窗口實物圖

圖4 控制棒間水平間距

圖5 下部Ω焊縫距保溫間距

將4個觀察窗口的位置依次命名為1號(位于頂蓋270°～360°)，2號(位于頂蓋0°～90°)，3號(位于頂蓋90°～180°)，4號(位于頂蓋180°～270°)，并且4個觀察窗口與0°～180°或90°～270°的連線約成45°。

根據這些特定條件采用檢查設備直進直出和斜進斜出方式進行檢驗。與0°～180°或90°～270°方向平行進出檢驗稱為直進直出檢驗；與0°～180°或90°～270°方向成45°進出檢驗稱為斜進斜出檢驗(如圖6所示)。

圖6 檢查窗口及控制棒驅動機構坐標

攝像頭安裝在長桿運載工具上通過4個觀察窗口從兩個相鄰控制棒中間位置往內部運送，在每個觀察孔之間檢查時，以每個檢查通道最近端視點為檢查起始點，由近及遠逐個檢查通道內一側的Ω焊縫，待一側檢查完成后，將設備視角旋轉180°由遠及近逐個檢查通道內另一側的Ω焊縫，通過直進直出和斜進斜出方式完成所有檢查通道實現所有下部Ω焊縫的全部檢查。

2.2 檢查裝置開發

控制棒驅動機構下部Ω焊縫視頻檢驗系統主要包括攝像設備、運載工具、錄像系統及照明設備等組成，針對叢林結構特點設計出一套簡易輕便的搭載裝置，最后進行聯合統一調試。

視頻檢查設備采用高清技術，可進行多角度觀察和縮放觀察、水平旋轉和垂直俯仰功能，并自帶照明系統，設備能分辨出0.025 mm的人工傷或細線。

根據控制棒驅動機構間的間隙，設計加工專用運載工具，用于運載攝像設備到達指定檢驗區域，包括長桿和軟片。長桿用于檢驗中間區域，長度為2 m左右，且長桿一端可連接攝像頭，另一端有固定把手以便檢驗人員操控長桿；軟片用于檢驗四周與圍板相鄰區域，軟片應有一定硬度，長度為2 m左右。

連接好的視頻檢查系統，測試攝像頭系統的旋轉、俯仰等功能，視頻采集、錄像、刻錄等功能正常后，將經校驗并在有效期內的標定試板模擬現場檢查環境放在模擬體的下部Ω焊縫附近，使用研制好的視頻檢查裝置對檢查系統進行功能校驗，結果視頻檢查系統在70 mm處能清晰的分辨出試板上0.025 mm的細線，靈敏度校驗結果如圖7所示。

圖7 0.025 mm試板標定截圖(75 mm處)

2.3 檢查實施方案

頂蓋上觀察窗口打開后，檢驗人員通過專用工具將高清視頻檢驗設備送到檢驗視點，通過調整攝像頭俯仰、旋轉、放大、縮小、聚焦等功能實施視點周邊所有下部Ω焊縫的高清視頻檢驗，檢驗通道由左到右，檢驗視點進入時由近到遠，撤出時由遠到近。

每個檢查窗口有4個直通道，面向觀察窗口從右到左定義為Z0、Z1、Z2和Z3，每個小方框中心位置定義為1個觀察視點，4個檢驗直通道視點由遠及近定義為Z0-1～Z0-4、Z1-1～Z1-7、Z2-1～Z2-11和Z3-1～Z3-9；每個觀察窗口有2個斜通道，面向觀察窗口從右到左定義為通道X1和X2，檢查通道上行與列交叉位置定義為1個觀察視點，行號加列號定義該視點。

每個通道進入時，觀察通道右邊一排控制棒下部Ω焊縫，退出時，觀察通道左邊一排控制棒下部Ω焊縫。

(1)斜通道檢驗

攝像頭被安裝在長桿運載工具上通過4個觀察窗口后從兩個相鄰控制棒斜邊中間位置進出，進入時由近及遠依次通過每個視點，到達每個視點后通過攝像頭控制器調整攝像頭俯仰、旋轉、放大、縮小、聚焦等功能實施該視點右側周圍所有能觀察到的控制棒下部Ω焊縫的電視檢驗，該視點周圍焊縫檢驗完成后緩慢向內移動至下一視點，依次完成該通道所有視點右側檢驗，當完成每個通道最前端視點檢驗時，旋轉攝像頭進行該通道左側下部Ω焊縫檢驗，完成該視點后緩慢向外移動至下一視點，依次完成該通道所有視點左側檢驗，如圖8所示。

圖8 斜進斜出檢查通道示意

(2)直通道檢驗

攝像頭被安裝在長桿運載工具上通過4個觀察窗口后從兩個相鄰控制棒中間位置進出，進入時由近及遠依次通過每個視點，到達每個視點后通過攝像頭控制器調整攝像頭俯仰、旋轉、放大、縮小、聚焦等功能實施該視點右側周圍所有能觀察到的控制棒下部Ω焊縫的電視檢驗，該視點周圍焊縫檢驗完成后緩慢向內移動至下一視點，依次完成該通道所有視點右側檢驗，當完成每個通道最前端視點檢驗時，旋轉攝像頭進行該通道左側下部Ω焊縫檢驗，完成該視點后緩慢向外移動至下一視點，依次完成該通道所有視點左側檢驗，如圖9所示。

圖9 直進直出檢查通道示意

3 實施效果

方家山核電站1號機組QF-OT101大修期間，采用研究設計的控制棒驅動機構下部Ω焊縫增強型目視檢查技術對所有受檢對象完成100%目視檢查。

檢查開始前，首先對檢驗設備系統進行了分辨率校驗，確定檢驗系統能清晰分辨出高分辨試板上0.025 mm的細線后再開始實施檢查。按照創新設計的檢查方案，完成了61根CRDM管座法蘭與控制棒驅動機構密封殼之間的密封焊縫、4根熱電偶組建陰法蘭密封焊縫的全部檢查工作，所有受檢部位均清晰可見，無不可達區域，如圖10所示。

圖10 下部Ω焊縫檢查截圖

根據檢查結果，控制棒驅動機構下部Ω焊縫所有受檢區域均無任何異常顯示，圓滿完成了國家核安全局提出的檢查要求，證明方家山核電站1號機組控制棒驅動機構下部Ω焊縫經過首個燃料循環后并無任何失效跡象，為下個燃料循環的安全運行提供保障。

創新的檢查技術在方家山核電站1號機組QF-OT101大修成功運用后，已推廣到方家山核電站2號機組QF-OT201大修、秦山第二核電廠Q2-OT211大修等秦山地區M310機組的多次大修中使用，各次大修中的控制棒驅動機構下部Ω焊縫增強型目視檢查均取得了良好效果。

4 結論

針對國家核安全局提出控制棒驅動機構下部Ω焊縫增強型目視檢查的要求，通過對受檢對象、檢查技術、接近方式等關鍵環節進行研究，設計一套創新的檢查方案與技術并成功應用于方家山現場，取得了以下成果：

1)國內首次開發出分辨力達到0.025 mm的人工傷或細線的視頻檢查技術。常用方法一般要求能分辨出0.8 mm的人工傷或細線，此次開發的增強型目視檢查技術的分辨力高于國內一般使用分辨率試板(最高的分辨能力0.2 mm)，0.025 mm分辨率已經達到目前國內視頻技術分辨的最高標準。

2)國內首次實現從通風板完成CRDM下部Ω焊縫檢查，在不降低檢查效果的前提下，簡約工作流程。相比從頂蓋上方進入的傳統檢查方式，控制棒驅動機構下部Ω焊縫增強型目視檢查技術只需打開圍板的觀察孔，節約大量的大修關鍵路徑時間。

3)國內首次實現CRDM下部Ω焊縫100%全覆蓋高清視頻檢查。與常用的直接目視方法相比，擴大檢查范圍，提高檢查的穩定性，且高清視頻數據具備可重復分析的能力。

4)通過該檢查技術在中核運行的成功應用，證明增強型目視檢查技術在核電無損檢驗中可以作為一些部件無法實施體積檢驗方法的替代手段，輔助評價設備安全性，應用前景廣闊，可推廣至其他壓水堆機組應用。