“華龍一號”蒸汽發生器堵板機器人研究

崔運佳，卓理政，陳揮揚，王永鵬，王運喜，韓文悅

(中核國電漳州能源有限公司，福建 漳州 363000)

蒸汽發生器堵板工作是核電廠蒸汽發生器在役檢查和檢修過程中的重要組成部分，是保證核電廠蒸汽發生器正常運行的關鍵步驟。蒸汽發生器堵板工作人員的集體劑量主要來源維修人員進入蒸汽發生器所受輻照，且由于蒸汽發生器一次側水室為半球形結構，內部有放射性液體殘留物和放射性固體污漬狀殘留物，因此人員進入蒸汽發生器水室內作業不得不面臨人員受照劑量超標、放射性污染兩方面風險。為了降低大修集體劑量、避免人員遭受放射性污染風險、提高檢修工作質量、減少人工成本，采用機器人進行堵板安裝作業是目前行業內普遍認可的研究方向。

1 蒸汽發生器堵板作業現狀

1.1 大修集體劑量

國內某核電廠首次大修時，蒸汽發生器水室內部平均環境劑量率約10.5 mSv/h，最大接觸劑量率約100 mSv/h，工作結束后通過工作人員個人電子劑量計數據測讀，發現最大劑量率為17.5 mSv/h。人員在水室內工作一旦作業時間控制不好，人員受照劑量就會超過單日非預期照射限值(一般情況下單日受照劑量限值為2 mSv)。

蒸汽發生器內部的環境劑量跟機組運行狀態、燃料組件的破損情況都有關系，且承壓性堵板和簡易堵板工作人員進入的時間長短不一致。承壓性堵板每名工作人員進入時間為100 s簡易堵板每名工作人員進入時間為60 s，以下為某電廠歷次大修堵板工作人員所受輻射劑量數據，具體如表1所示。

蒸汽發生器堵板工作人員的集體劑量主要來源維修人員進入蒸汽發生器所受輻照，具體如表2所示。

采用機器人堵板后可降低蒸汽發生器堵板專項工作集體劑量約80.96%。

1.2 人員放射性污染風險

由于蒸汽發生器一次側水室為圓球形結構，內部有放射性液體殘留物和放射性固體污漬狀殘留物，擦拭取樣測量輻射水平約0.22 mSv/h，因此人員進入蒸汽發生器水室內作業放射性污染風險非常高，包括體表污染和內污染風險。

采用機器人堵板后可有效避免人員進入蒸汽發生器水室內沾污風險以及規避工業安全風險。

1.3 質量控制

據收集到的經驗反饋信息，蒸汽發生器堵板專項工作使用傳統人工堵板方式，曾發生5起質量事件，具體信息如表3所示。

表 3 蒸汽發生器傳統人工堵板方式質量事件

由于人員技能水平、操作不規范導致蒸汽發生器堵板專項工作使用傳統人工堵板方式歷史出現安裝質量事件，嚴重影響大修主線，增加集體劑量，突破大修三星指標(區域污染事件=0起)。采用機器人堵板后，人員不進入蒸汽發生器水室，全程堵板安裝工作皆有機器人完成，實現檢修智能化、標準化，可避免質量問題發生。

1.4 成本管控

每臺蒸汽發生器有冷熱段進出水管，故需堵板2次。承壓性堵板為首次大修或10年大修進行，每次需要3臺蒸汽發生器全堵。即單機組蒸汽發生器整個壽期至少需要承壓性堵板36次，8機組則至少需要36×8=288次。

簡易堵板每次大修根據役檢需求而定，假定除十年長大修外每次大修簡易堵板3次，單機組整個壽期簡易堵板次數為102次。8機組則需要進行816次。

采用機器人堵板后，蒸汽發生器堵板專項工作可有效降低人工成本，詳見表4。

2 堵板機器人研究現狀

目前國內外核電廠還未有機器人堵板的應用案例，目前主流的研究方向有管板固定式堵板機器人、水室全自動堵板機器人和水室外全自動堵板機器人三種。

2.1 管板固定式堵板機器人

2.1.1 方案簡介

該方案為半自動運作模式，即通過人工將機器人安裝于蒸汽發生器內部管板上，機器人通過機械臂將人孔外的堵板本體安裝于蒸汽發生器一次側出/入口管道，其中機械臂按設定軌跡動作，加以人工控制微調實現堵板的拆裝工作，計劃工期為90 min。

2.1.2 方案概述

該方案采用六自由度非標機械臂形式，匹配堵板安裝需求的獨特關節組合形式，人孔到主管道以及法蘭環座螺栓點位全覆蓋的作業范圍。機器人的結構組成與工作方式分別見圖1、圖2。同時可利用合作靶標實現視覺輔助定位。在第三視角、第一視角相機輔助下，遠程操控機器人可完成中間板及側板在法蘭環座上的安裝，由機器人自動控制及人工輔助微調兩個階段構成。

圖1 管板固定式機器人結構組成Fig.1 Structural composition of tube-plate fixed robot

圖2 管板固定式機器人樣機工作方式Fig.2 Working mode of tube-plate fixed robot

2.2 水室全自動堵板機器人

2.2.1 方案簡介

該方案為全自動運作模式。機器人能夠攜帶26 kg的堵板工具進入蒸汽發生器進行堵板安裝工作，并通過機械手安裝堵板工具上的螺栓緊固件。該機器人通過機器學習方式，實現整個堵板工作全自動化實施，人工監控輔助。圖3為水室全自動機器人示意圖。

圖3 水室全自動機器人示意圖Fig.3 Schematic diagram of automatic water chamber robot

2.2.2 方案概述

堵板操作機器人的機械臂在定位裝置的配合下能沿蒸汽發生器堵板構成的內球面實現360°的旋轉。在定位裝置的配合下，機器人能自動完成行走的路徑規劃，并進行堵板安裝情況及蒸汽發生器底部球體的內部視覺檢查。該機器人擬采用氣動行走方式，設置類蜘蛛式機械腳，底部加以吸盤，通過吸盤內部氣體流量的變化控制，實現堵板機器人在圓球面的行走和固定，且能實現松緊螺栓力矩的監測。同時，在移動監控平臺下，能實現機器人機械臂姿態的控制以及自身位置的精確顯示。在移動監控平臺上的人機交互軟件功能簡潔，實用、具備故障診斷和告警功能。機器人整體工作時間預計50 min，工作流程如圖4所示。

圖4 機器人工作簡圖Fig.4 Schematic of the robot at work

2.3 水室外全自動堵板機器人

2.3.1 項目簡介

該項目方案為全自動運作模式。堵板機器人置于人孔外，通過機械臂將堵板工具安裝于主管道。其中機械臂按設定軌跡動作，加以人工控制微調實現堵板的安裝拆除工作。

2.3.2 方案概述

蒸汽發生器堵板機器人方案為機器人在人孔外面進行堵板操作，機器人采用履帶/輪式底盤車體，底臂可液壓升降，擬采用7功能主從機械臂，加以全景相機監控，實現承壓堵板和非承壓堵板安裝。圖5為該方案的機器人示意圖。

圖5 堵板機器人示意圖Fig.5 Schematic diagram of plate-plugging robot

3 研究方案與技術創新

3.1 核電廠蒸汽發生器承壓堵板應用現狀

蒸汽發生器的堵板分為承壓堵板和非承壓堵板兩種類型。在蒸汽發生器的在役檢查與檢修過程中，打開一次側人孔蓋板后，為防止人員、工具或異物落入主管道內，需安裝蒸汽發生器水室非承壓堵板對主管道進行臨時封堵。對于某些情況下需同時進行蒸汽發生器在役檢查與堆芯同時作業時，需使用承壓堵板對主管道進行封堵，保證反應堆水池滿水情況下的堆芯作業與蒸汽發生器一次側在役檢查工作同時開展。

中國核電堆型主要涉及M310、“華龍一號”、VVER、AP1000、CANDU等類型，由于蒸汽發生器結構不同堵板工具分為墊片密封堵板、氣囊式承壓堵板、雙層擠壓式密封承壓堵板等，其中較為通用的為承壓氣囊式堵板(螺栓固定)和承壓氣囊式堵板(卡扣式固定)。

承壓氣囊式堵板(螺栓固定)：承壓堵板由三塊板拼接組成，通過螺紋緊固于一次側主管道的端口平面上，在堵板的徑向外側面上安有帶兩個氣囊的密封組件，氣囊在充氣后給外側面的矩形壓膠提供徑向的壓力，并使之產生足夠的變形量達到密封效果，如圖6所示。同時氣管與放置在外環廊的控制柜連接?？刂乒襁B接氣源，通過管線對密封組件充氣以及持續供氣，控制柜中的氣壓監控回路對密封組件的氣壓進行監控，當對應回路的壓力、流量異常時會及時報警。

圖6 螺栓緊固式堵板Fig.6 Bolt-on plate

承壓氣囊式堵板(卡扣式固定)：堵板分為兩個半圓，采用卡扣式進行固定，密封形式仍采取氣囊式徑向密封，控制部分與M310基本一致，氣回路使用控制柜進行檢測，確?？煽啃裕鐖D7所示。

圖7 卡扣緊固式堵板Fig.7 Buckle-fastening plate

以上兩種方式的密封原理都是堵板充氣后氣囊形成的干密封、濕密封兩道密封，干濕密封之間形成環面。承壓氣囊式堵板(卡扣式固定)大大減少了安裝時間，同時降低了螺栓咬死等安裝風險?！叭A龍一號”機組可以進行堵板結構形式改進，取消螺栓緊固結構或轉化為卡扣式結構，可以大大減少安裝時間，簡化堵板結構，降低機器人開發難度。

國內機器人6自由度機械臂應用于多個工業領域，發展技術較為成熟，同時結合視覺定位輔助功能，可以實現自動化堵板功能。

3.2 堵板機器人研究

管板固定式堵板，具有開發難度低，管板固定結構形式較成熟的優點，但該方案需額外將機器人安裝于管板上，整體工作時間較長，需90 min。

水室全自動堵板機器人，具有自動化程度高，極大降低人工成本的優勢，但水室內部為半球形結構不利于機器人行走定位，開發難度系數高，可靠性待驗證。

水室外全自動堵板機器人相較于第二種方案不僅實現了自動化程度高，同時也能保證異物風險低，但機械臂開發難度系數較高。

綜上所述，三項方案均在華龍/M310型機組蒸汽發生器堵板結構基礎上進行設計研究，從堵板本體結構優化方面入手，可以降低機器人螺栓緊固等功能要求，取代人工堵板的方案存在可行性。

通過結構轉化改進，最終將蒸汽發生器水室主管道管口改為卡扣式固定。堵板充氣后氣囊形成的兩道冗余充氣密封，將會在密封堵板與蒸汽發生器接管嘴內壁之間形成防水密封。其與一回路介質接觸的充氣密封稱為濕密封，第二道充氣密封為干密封，兩道充氣密封之間的體積稱為環腔。若干密封或濕密封破裂，其對應的供氣管路上的壓力和流量均會產生明顯變化；若濕密封破壞，則環密封腔室被破壞，其對應的供氣管路上的壓力和流量亦會產生明顯變化。通過傳感器將管路的壓力和流量的變化轉化為電信號產生聲光報警即可達到泄漏報警的目的。

卡扣式堵板機器人為全自動運作模式。堵板機器人置于人孔外，通過多自由度機械臂夾取堵板，將堵板安裝于主管道。其中機械臂按設定軌跡動作，同時使用視覺輔助系統協助定位，完成堵板安裝拆除工作。機器人采用履帶/輪式底盤車體，可按照需要行進移動，底臂可液壓升降調整機械臂整體高度。同時機械臂頭部安裝全景高清攝錄機，對安裝過程進行監控，同時所有工作結束后，機器人可以配合進行防異物檢查。

本方案最終可以實現以下技術創新目標：

1)堵板具備快速安裝功能，無需螺栓固定，使用卡扣式進行固定安裝；

2)堵板具備氣囊密封結構，可以實現高水位堵板，且密封性滿足要求；

3)堵板結構無螺栓等部件，可以減少異物風險；

4)堵板具備泄漏自動報警功能，當堵板密封失效時報警；

5)堵板有非能動密封結構，當失去氣源時堵板仍能保持一定時間不泄露，或者泄露量在極小的允許范圍內；

6)機器人不進入蒸汽發生器，為水室外全自動化設計，減少異物風險；

7)機器人機械臂具備軌跡自尋功能及路徑修訂功能；

8)機器人具備視覺輔助定位功能；

9)機器人具備堵板安裝到位檢測功能；

10)機器人夾取裝置具備防掉落功能，防止堵板掉落。

4 總結

目前所有的核電廠在對蒸汽發生器進行維修檢查工作時，都需要人員進入水室進行操作，集體劑量較高。為了解決此類問題，國內外對全自動堵板機器人進行了研究，但由于存在各方面技術難點，截至目前為止，未有成品機器人投入使用。

為此本文提供了一種創新的研究方向，對“華龍一號”蒸汽發生器承壓堵板固定方式進行優化，取消螺栓緊固方式，采用類似卡扣式固定結構，以實現快速安裝承壓堵板的功能。并配套研究一種全自動卡扣式堵板機器人，解決工作人員需要進入蒸汽發生器水室內部，承受工作劑量的問題，降低發生人因失誤的風險，提高設備維修效率。