AP1000反應堆壓力容器頂蓋焊縫檢測技術分析

趙 琛，劉一舟，陶澤勇，鄒 斌

（國核電站運行服務技術公司，上海 200233）

0 引言

在壓水堆核電站一回路系統中，壓力容器頂蓋作為壓力邊界重要設備，其完整性是保障核電站安全運行的重要前提。根據核電站運行經驗、ASME標準規范以及規范案例和相關技術文件表明，反應堆壓力容器頂蓋在服役過程中存在安全隱患的部位主要為其貫穿件接管，主要問題為一回路冷卻劑導致的應力腐蝕裂紋，進而引起一回路冷卻劑泄漏。因此，必須采取精確穩定的檢測方法來進行反應堆壓力容器頂蓋檢測。

綜合考慮AP1000反應堆壓力容器頂蓋結構特征、役前/在役檢查實施條件、標準規范及案例規定、輻射防護等相關要求，本文模塊化處理各個應用模塊，通過以太網進行網絡通信，分析設計了一套反應堆壓力容器頂蓋檢測控制系統。

1 檢測控制系統總體思路

1.1 設計要求

根據ASME規范案例N-729的檢測要求，反應堆壓力容器頂蓋檢查區域為頂蓋貫穿件管（CRDM管、放氣管）母材J焊縫區域以及J焊縫上下38mm范圍。考慮反應堆壓力容器頂蓋的結構外形及檢查的可達性、檢查結果的可靠性、重復性以及輻射防護的要求，對于頂蓋貫穿件的檢查采用自動檢查裝置從頂蓋內部實行檢查。掃查方式示意如圖1。機械手安裝在一條沿頂蓋投影的直徑方向放置的軌道上，裝載機械手的小車通車齒輪齒條傳動帶機械手做單一自由度的前后移動，配合機械手臂的組合動作，實現掃查器對所有被檢貫穿件的全覆蓋。生物屏蔽圈內在軌道左前、左后、右前與右后四個方位角以及機械手一軸上方位置放置有耐輻照相機，用于遠程操控人員的環境觀察和貫穿件定位輔助。在用機械手將掃查器對被檢貫穿件的定位完成后，掃查器通自帶驅動使探頭實現周向旋轉和豎直方向上下運動，實施檢查工作，并在必要的情況下配置耦合劑供給系統。

圖1 反應堆壓力容器頂蓋掃查模型

1.2 總體設計方案

綜合考慮頂蓋貫穿件檢查技術的實施，反應堆壓力容器頂蓋貫穿件檢查系統主要由專用掃查器、多自由度機械手、運動軌道及小車、運動控制系統（機械手運動控制及專用掃查器運動控制）、無損檢測儀器及數據采集系統、氣動控制系統、耦合劑供應及回收系統等。檢查系統總體構成如圖2所示。

圖2 反應堆壓力容器頂蓋貫穿件檢驗系統構成

頂蓋檢查區域輻照計量高和空間緊張的特點，應盡量減少人員在頂蓋周邊區域的工作時間并使設備緊湊。因此，反應堆壓力容器頂蓋的掃查操作在耐輻照云臺攝像頭的監控下，通過機械手搭載掃查器進行，根據不同掃查區域更換掃查探頭完成掃查任務。對機械手控制箱、掃查器控制箱、DAS檢測儀和音視頻控制箱命令控制通過現場交換機與操作室交換機之間的光纖傳輸信號，無損檢測操作人員便可進行視頻監控、數據采集分析和機械手的控制等。此掃查方式的優點在于能夠實現對頂蓋貫穿件在役檢查的全覆蓋，增加在役檢查可達性，同時降低在役檢查人員的總體劑量。

2 檢測控制系統設計

2.1 電氣控制系統設計

反應堆壓力容器頂蓋檢測采用五軸機械手運動控制系統進行，主要由控制工作站、網絡支持系統、運動控制箱、防水電纜、運動控制軟件組成。工作站提供圖形化人機交換界面接收操作人員各運動指令，通過網絡支持系統將運動指令發送給運動控制箱中的VXWORKS實時操作系統，VXWORKS系統響應上位機指令同時通過VME總線向SMC各控制模塊發送命令，同時收集各控制模塊反饋信息，實時發送給上位機工作站。五軸機械手運動控制系統中控制指令的傳遞如圖3所示。

圖3 運動控制系統指令傳遞圖

掃查器控制箱用于控制掃查器來完成反應堆壓力容器頂蓋貫CRDM管貫穿件檢查、J焊縫檢查、通風管檢查。系統中的使用到的電源類型有220VAC、120VAC、8VAC，其中數據采集儀器及音視頻控制箱需要用到120VAC，運動控制箱需要用到48VAC，其他設備都可以使用220VAC市電。

整個運動控制系統由1塊控制器GALIL DMC2183，2塊驅動器varedan LA120型線性放大器及復合輸出電源組成。控制系統結構圖如圖4所示。其中，電源的兩組48V供電串聯后供給兩個驅動器，DMC2183傳輸驅動控制信號給2塊驅動器，GALIL DMC2183能控制8個有刷電機，VAREDAN LA-120驅動器能同時驅動2個無刷電機，電機的編碼器信號反饋給控制器從而完成完整的閉環控制回路，GALIL控制器還能輸出10路I/0信號用于控制掃查器控制箱。掃查器運動控制箱通過面板上的各種連接器與與控制電腦、掃查器、氣動控制箱、無損檢測儀器連接。

圖4 運動控制結構圖

2.2 音視頻控制系統設計

音視頻系統的主要功能是實現反應堆壓力容器頂蓋檢測時視頻圖像和聲音的采集，并將采集到的視頻和音頻信號輸到遠端的集裝箱控制室，供操作人員觀察現場狀況，安全地下達控制指令，完成檢查任務。反應堆壓力容器頂蓋檢查裝置音視頻系統采用服務器-客戶機模式，服務器放置在現場，用于對現場的各種相機進行操作，獲取圖像，客戶機和服務器通過網線連接，在客戶機端同樣獲取圖像、控制相機。服務器和客戶機均提供兩路音頻通道，兩個模塊，通過使用任意模塊上的同一通道，可實現多方通話。反應堆壓力容器頂蓋檢查音視頻系統結構如圖5所示。

圖5 反應堆壓力容器頂蓋檢查音視頻系統結構

音視頻服務器采用自組裝PC機，包括X86構架的服務器型工控主板、內存、硬盤、風扇等通用組件，還包括有音頻模塊、各種相機信號接口板、視頻分割器、圖像處理卡、供電模塊等。如圖6所示。其中，現場的音視頻設備主要包括音視頻服務器、機械手擴展控制監視器組件、各種攝像頭和耳機，遠端控制室內的音視頻設備主要包括音視頻客戶機終端、耳機等。

圖6 音視頻服務器內部系統結構圖

系統音視頻服務器與遠程客戶機終端之間是通過光線/以太網進行連接的，如圖7所示。在音視頻服務器現場和客戶機終端均配置一臺可網管型以太網交換機，音視頻服務器采集到的圖像和聲音通過網線接入交換機，再通過插在交換機上的以太網/光線轉換器經由光纖將音視頻信號傳輸至遠程客戶機終端側的交換機，最后通過網線傳輸至客戶機終端。

圖7 遠程與現場控制系統網絡連接

2.3 控制軟件設計/系統軟件

為了實現對掃查器的控制，完成相應設備的檢查項目，編寫了相應的軟件進行控制。軟件結系統邏輯設計圖如圖8所示。控制軟件的邏輯結構主要包括：界面顯示、人機交互、系統狀態監視、電機驅動控制等。通過網線與掃查器運動控制箱相連接，從程序邏輯的實現上包括：網絡連接模塊、電機驅動模塊、系統狀態監控、自動掃查主線程等。

圖8 系統邏輯設計框圖

以壓力容器頂蓋超聲檢測控制軟件為例，可以實現掃查器運動狀態設置、自動/手動掃查設置、單軸設置和氣動控制。軟件界面圖如圖9所示。軟件界面中的掃查參數設置，可以配置，掃查方式，掃查的起始點，掃查速度；氣動控制用于控制掃查器控制箱中的氣動閥，從而控制掃查器裝置上各個氣缸的動作；自動/手動掃查設置可用于掃查器裝置上各個電機的自動/手動操作，包含電機的零點設定，電機的使能，讓電機運動到指定位置。

圖9 壓力容器頂蓋掃查控制軟件界面

3 檢測方法與檢測技術分析

3.1 檢測方法概述

AP1000反應堆壓力容器頂蓋在役檢查超聲波檢測技術采用遠程自動采集超聲成像檢查技術，超聲數據采集儀器采用DAS系統，可同時支持4通道的超聲數據采集，數據分析軟件采用西屋公司的“IntraSpect”，可支持超聲數據的A掃、B-掃和C-掃顯示。針對運行過程中可能產生的應力腐蝕裂紋（PWSCC），反應堆壓力容器頂蓋CRDM管超聲檢測技術采用TOFD方法，其主要原因是TOFD檢測方法可以不受裂紋的生長方向影響，檢測率比較高，缺陷的高度、長度測量比較準確，由于缺陷的類型主要是PWSCC，缺陷的波幅較低，DAS數據采集系統增加了40dB的前置放大器。

3.2 檢測技術應用分析

根據ASME標準規范的要求，AP1000反應堆壓力容器頂蓋檢測范圍主要是放氣管貫穿件、CRDM貫穿件及對接焊縫和QUICKLOC接管對接焊縫，通過超聲檢測和渦流檢測等不同檢測技術進行檢測方式選擇。

3.2.1 超聲檢測技術

CRDM貫穿件及對接焊縫、QUICKLOC接管對接焊縫通常采用超聲檢測技術來進行檢測，為驗證檢驗系統及檢驗技術的有效性，采用校準試塊的參考反射體進行檢測技術定量測試試驗，相關壓力容器頂蓋超聲檢測驗證試塊模型如圖10所示。

圖10 壓力容器頂蓋超聲檢測驗證試塊

依據工作現場檢查經驗，通常在整個頂蓋檢驗過程中，由于檢驗楔塊的磨損，需要進行檢驗楔塊的更換，從而需要進行探頭的重新安裝。在進行檢驗探頭重新安裝過程中，采用專用模具確定TOFD檢驗探頭與楔塊的相對位置，從而保證探頭的水層的對稱。為確定探頭安裝是否必須嚴格對稱的必TOFD檢測技術中，通常為了提高檢測速度且有利于衍射發生，往往采用小尺寸晶片的大擴散角探頭。由于衍射信號比反射信號微弱很多，所以要求TOFD探頭有較好的發射和接收性能。為提高深度方向的分辨力，TOFD探頭應具有寬頻帶和窄脈沖特性。

3.2.2 渦流檢測技術

反應堆壓力容器頂蓋貫穿件針對的檢測缺陷類型主要為應力腐蝕裂紋，從而決定渦流探頭線圈的結構形式以及檢測工藝的確定頂蓋貫穿件渦流檢驗范圍示意圖如圖11所示。鑒于反應堆壓力容器頂蓋貫穿件渦流檢測的需求，課題組通過不同結構形式渦流探頭的比較以及檢測探頭參數的優化，最終確定的檢測探頭為“X”類型點探頭，線圈數量為2且互相垂直繞制，線圈的平面直徑為3.2mm，探頭工作頻率范圍為75KHz～500KHz。

“X”類型點探頭與“+”類型點探頭具有相同的設計，只是線圈角度旋轉45°。這種方式線圈的設計，使得線圈的響應將以缺陷的方向為基礎。如圖12所示，圖中帶“+”號或紅色的區域是對缺陷的響應特征為缺陷李薩如圖形朝上（例如軸向方向裂紋，具體取決于標定方式）的區域，帶“-”號的或藍色區域是對缺陷響應特征為缺陷李薩如圖形朝下（例如周向方向裂紋，具體取決于標定方式）的區域。如果缺陷交叉進入多個區域，信號的響應為所有響應的一個復合。

圖12 “X”類型點探頭響應圖

4 結語

壓力容器頂蓋檢測是反應堆壓力容器制造的關鍵工序和役前檢查、在役檢查的必要工作，通過不同檢測方法來來保障核電站長期安全運行。國內AP1000壓水堆核電廠對壓力容器頂蓋的檢測主要遵循法國RSE-M標準美國ASME標準。本文根據反應堆壓力容器頂蓋檢查區域以及ASME規范案例N-729的檢測要求，擬定了檢測控制系統設計要求，詳細介紹了檢測控制系統中電氣、音視頻等模塊的設計，同時，制定了一套科學可靠的壓力容器頂蓋檢測范圍和對應的超聲、渦流檢測方法。此壓力容器頂蓋檢測技術以在秦山核電廠、等核電廠的實際應用中得到了充分驗證，取得了良好的效果，隨著后續核電站建設的迅猛發展以及在役檢測要求的提高，國內外對反應堆壓力容器頂蓋檢測控制技術的應用也越來越豐富，該檢測控制方案對后續的研究開發具有一定的借鑒意義。