淺談核電廠異物的探查和俘獲

彭恭斌　張志鵬　柯濤　王羽翀

摘 要

核電廠異物的產生將會導致系統設備降級或功能異常，嚴重時將直接損壞設備，導致核安全事故事件發生，直接威脅核電廠的安全穩定運行。本文介紹了國內外異物探查和俘獲的一些先進技術，結合日常工作經驗和對幾種主要的異物探查和俘獲方法的分析比對，歸納總結了一套行之有效的異物探查和俘獲工序，對提高核電廠異物探查和俘獲有一定的實用價值。

關鍵詞

核電廠;異物;探查;俘獲

中圖分類號： TM623 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.11.054

0 前言

異物是指在核電廠系統、設備自身以外的，進入、遺留或存在于系統設備中對系統設備運行和性能造成不利影響的物項。異物在系統和設備中，會造成管道的意外磨損，導致設備降級或功能異常，嚴重時將直接導致設備損壞。泥沙和沉淀還可能堵塞儀表管，造成錯誤顯示，釀成事故。如果異物進入到堆芯或一回路系統中，可能導致燃料組件包殼破損，使輻射水平增高以及放射性污染擴散，異物還可能破壞邊界（過濾器濾網、化學處理器），造成系統設備失效，直接威脅核電廠的安全穩定運行。

核電廠異物來源主要有以下幾個方面：首先是在設備制造、安裝和檢修期間的異物控制不足，防異物措施不到位，使異物進入到設備和系統中;其次在系統運行過程中，設備磨損、破損、松動和脫落都會產生的異物，系統在高溫和高速流體的沖刷下會產生磨損，甚至還會造成設備內部保護層的脫落，產生大量異物;同時高溫、弱酸的傳導介質會銹蝕系統設備，從而產生異物。在停堆大修期間，人因過失也會產生異物，設備安裝不可靠，防防脫落措施不完善，造成設備整體或零部件脫落，會產生異物。

1 核電廠異物現狀

1.1 異物的種類

異物種類很多，為有針對性地采取探查和俘獲措施，主要將核電廠的異物按以下幾種方法分類。

1）按異物的外廓尺寸和重量分類，可分為：

（1）微粒：粉塵、氣溶膠等;

（2）顆粒：1-10mm毫米級;

（3）小件：外廓尺寸為10mm～100mm級，或重量小于1kg;

（4）大件：外廓尺寸大于100mm，或重量超過1kg。

2）按異物形態分類，可分為：

（1）氣態：浮塵、氣溶膠等;

（2）液態：油性、水性等;

（3）固態：粉末狀、泥沙狀、顆粒狀、塊狀等。

1.2 異物的產生場所

在核電廠停堆大修期間，設備集中檢修，是異物形成的高發期，以下是異物的主要產生時機和場所：

1）容器類設備開人孔蓋及開封頭檢查;

2）池邊、坑邊的各類作業;

3）泵類設備開蓋檢查;

4）熱交換器類設備開人孔蓋、端蓋檢查;

5）閥類設備開閥蓋檢查;

6）工藝系統管道內部檢查;

7）電氣/儀控盤、柜檢修（交叉作業有異物落入的風險時）。

2 異物的探查

2.1 異物的探查方法

異物俘獲的前提是探查到異物，探查異物的手段主要有目視、射線、聲吶等多種方法，其中目視是最直接有效的方法，目視方法又可分為直接目視和間接目視。直接目視是利用肉眼直接觀察的探查方法，當能充分靠近目標，眼睛離被檢表面不超過610mm，與被檢表面所成的視角不小于30°時，則一般可采用直接目視方法，觀察時可以采用反光鏡來改善探查角度，并可借助放大鏡來進行探查。間接目視是指借助內窺鏡、水下電視檢查系統、爬行器（異物檢查機器人）等輔助設備進行觀察的目視方法。

無論選擇哪一種目視方法，都應該能達到以下幾個目的：

1）判定出異物的方位和屬性（主要指外廓和重量），以便合理地選用俘獲設備和俘獲方法;

2）判定環境條件，選擇合理的俘獲時機;

3）在俘獲操作中，給操作人員提供引導;

4）觀察并評估異物俘獲后的效果。

2.2 異物探查常用設備

間接目視常用的探查設備主要有工業電子內窺鏡、水下電視檢查系統、爬行器（異物檢查機器人）等。

2.2.1 工業電子內窺鏡

工業電子內窺鏡適用于容器內部狹小空間的探查，以及壓力管道內部異物狀況的快速視頻診斷。

工業電子內窺鏡一般可四方向擺頭，運動靈活，最小的內窺鏡直徑只有1.8mm。工業內窺鏡的缺點是視野小，景深小（10～100mm），大面積檢查時效率低，不適合遠距離檢查。工業電子內窺鏡一般都具有定量測量功能，并融合了最新的計算機數字存儲處理技術。電子內窺鏡不是通過光學鏡頭或光導纖維傳導圖像，而是通過裝在內窺鏡前端的光電耦合元件CCD將光能轉變為電能，再經過圖像處理器重建高清晰度圖像顯示在監視器屏幕上。

國際主流的工業電子內窺鏡廠家有美國韋林（Everest）、德國沃勒（Whler）、日本奧林巴斯（OLYMPUS），以下是兩種具有代表性的內窺鏡產品。

a）Everest XLG3工業視頻內窺鏡系統

Everest XLG3工業內窺鏡具有40萬像素，景深范圍10mm～100mm，可迅速識別和測量異物，能將檢測數據實時寫入內置DVD/CD，然后連接到因特網通過電子郵件傳輸報告。Everest XLG3工業內窺鏡有精密的影像控制功能，通過亮度調節，能在任何探查環境實現自動或手動曝光，系統使用可互換的QuickChange探頭，能夠迅速重新配置手持部分的探頭直徑和長度，以獲得最大檢測能力。

b）德國韋沃VS600工業內窺鏡

德國韋沃VS600工業內窺鏡外觀如圖1所示。VS600內窺鏡具備JVC 彩色工業控制箱系統、60米硬度推索收放器和具備激光測量功能的RS02-PL 彩色旋轉鏡頭，適用于管徑26mm-600mm管道的內部異物的快速視頻診斷和測量。檢測長度為20米和60米，防水標準達到IP68，承受壓力為5bar，特別適合壓力容器內部、各類核電壓力管道以及水下帶壓探查。

2.2.2 水下電視檢查系統（CATU 系列產品）

CATU水下視頻檢查系統在核電領域應用十分廣泛，如反應堆壓力容器內表面檢查、核燃料外觀及裝料后燃料盤存、燃料破損視頻檢查、乏燃料水池視頻檢查等。

水下電視檢查系統CATU 系列產品一般具有鏡頭自動手動變倍、變焦控制功能，手動調光功能，可承受3bar以上的水壓，在清澈的水下，自帶的照明也能清晰地分辨出1800mm以內0.4mm的人工傷。CATU 系列產品還有一定的耐輻照能力，例如CATU160系列一般可在劑量率小于10Gy/hr的輻照環境中正常工作，累積劑量可達600Gy。它還配置了激光器附件，可以對異物的外形進行測量，為探查人員評估異物重量提供依據，以制定俘獲方案。正因如此，CATU160水下視頻系統在電視檢查系統被廣泛應用于核電廠的異物探查工作中。

目前我國內較為成熟的產品是CATU160型水下電視檢查系統，其性能參數見表1。

2.2.3 管道爬行器

管道爬行器是檢查管道內表面的利器，它可以進入管道數百米，有一定的爬坡、越障能力，自身配備定焦攝像頭和照明系統，具有一定的防水功能。

目前國際成熟的產品是ROVVER系列爬行器，該系列產品主要有ROVVER400、ROVVER 600、ROVVER 900等型號。以ROVVER 600為例，其配置的鏡頭為1/2in color CCD，具有38萬像素，有效爬行距離為200m，防水深度10m，具體構成見圖2。

國內爬行器生產廠家也較多，但性能與ROVVER系列爬行器相比還有一定差距，在核電行業內應用不多。

2.2.4 其他輔助設備

除上述設備外，為了迅速準確地探查異物，還需要使用輔助照明設備、輔助監視設備和記錄設備等。輔助照明設備主要有強力探照燈、水下燈，輔助監視設備包括各類監視器，記錄設備主要有采集分析計算機、各類相機、錄像機等。

2.3 探查系統的標定

無論使用哪種探查系統，在探查前都應對探查系統進行標定，確保探查結果的準確性，探查系統的標定應按相關標準執行。標定主要針對系統靈敏度和激光標尺，系統靈敏度的標定一般是依據ASME標準，即在反射率為18%的灰度卡至少能分辨出0.8mm的黑線，激光標尺的標定是保證測量準確性的前提，激光標尺影響測量異物大小的準確性，進而影響異物俘獲的方案。

3 異物的俘獲

探查主要是為了發現異物從而進行分析和判斷異物的性質，然而探查到異物并不是最終目的，如何將異物順利俘獲，排除隱患才是最終目的。

3.1 異物俘獲的時機

核電廠換料大修期間會有大量的開口作業或池邊、坑邊作業，同時有大量的設備解體，這是異物產生的高發期，也是需要重點防范的階段，同時也是異物俘獲的最佳時機。

3.2 異物俘獲的方法

核電廠異物按俘獲方法可以分為吸塵和直接抓取。

3.2.1 核設施的吸塵

核設施的吸塵主要是使用吸塵器對核設施的環境和表面進行吸塵，以去除核設施所處環境或表面的微粒狀異物或顆粒狀異物。吸塵法按使用環境又可分為水下吸塵法和水上吸塵器法，吸塵法使用的主要工具有水下工業吸塵器和水上吸塵器。不論哪種吸塵法，都必須使用直接或間接目視進行導引并評估吸塵效果。

3.2.2 異物的直接抓取

核電廠異物直接抓取的方法有磁力吸附、機械抓取、遙控機器人抓取和真空吸附等。每種俘獲方法均有其適應范圍，可以單獨使用，也可聯合使用。圖3為美國韋林（Everest）工業內窺鏡配套的專用抓取工具，它適合顆粒和小件異物的抓取。

3.2.3 自動（半自動）抓取

自動（半自動）抓取要是利用自動（半自動）抓取設備，在輔助監視設備的引導下，完成異物的抓取工作。自動（半自動）抓取工具種類很多，按抓取動力分可為氣動抓取工具和電動抓取工具。氣動抓取工具抓取動力來自壓縮空氣，控制系統也以氣動元件為主，執行機構為氣夾、吸盤等，氣夾、吸盤工作原理簡單，防水性強，便于維修和安裝。電動抓取工具抓取動力來自電源，驅動系統以電器元件為主，執行機構為電動執行機構，電動執行機構中又可分為擺動執行機構和直線運動執行機構。為達到滿意的效果，通常將兩種方法組合使用。

3.3 典型的異物俘獲工具

為達到最佳抓取效果，一般要將抓取設備裝載到運載設備或支持設備上，制成專用的異物俘獲工具，這些設備主要有管道爬行器、打撈機械手等。

例如ROVVER 600爬行器（可在水下使用），是目前國內使用較普遍的異物俘獲設備。該設備由水下爬行機、二維云臺、電視攝像系統、圖像壓縮存儲系統、機械手和操控器等部分組成。機械手可以拾取諸如螺絲刀、扳手等大件的異物，打撈異物的重量可達2kg，該爬行器集光學、精密機械、自動控制、信息處理技術和系統集成于一體，具有對水下目標的自動識別、探測、作業等能力。

3.4 異物取出后的處理

異物取出后，應逐一登記并拍照，登記內容包括異物的材質、形狀、尺寸、重量、歸屬等特性，并由參與見證人員簽字。異物若有放射性沾污的可能，應首先進行放射性活度的測量，查明情況后，交相關部門按放射性物品處理，相關部門對異物產生的原因進行分析，并給出處理意見。若異物是設備零部件意外脫落，應制定相應的防松措施。

4 結束語

異物直接影響核電廠的穩定運行，是核安全的重大威脅，因此對異物進行探查和俘獲顯得意義重大。在異物產生后，通過正確的探查方法獲取異物的種類，分析異物產生的原因，從而選擇最合適的異物俘獲工具，制定相應的俘獲步驟，對異物的順利俘獲起著至關重要的作用。隨著核工業的發展，投入運行的核電機組越來越多，異物的探查和俘獲技術會得到更加廣闊的應用，但是從根本上來說，對于異物事件的控制，將異物事件的產生的概率降到最低，是核電廠運行過程中更需要關注的問題。

參考文獻

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