核電廠海水泵房水下清淤機器人探索研究

孫宇寶

(福建福清核電有限公司，福建 福清 350318)

0 引言

由于核電廠海水泵房系統設備結構復雜、運行環境較為惡劣，為保證設備安全可靠性，及時發現并清理積累在海水泵房鼓網腔室底部的海生物與淤泥，以保證電廠冷源安全可靠運行。泵房鼓網腔室清淤工作處在水平面以下20 m左右，屬于密閉空間，人員不易操作，在大修放閘板排水后方可實施清淤作業，一般情況下淤泥厚度約為20～30 cm，每次約需投入20人連續作業1天的時間，并且在清淤過程中可能存在有害氣體(如H2S等)，遇到突發情況時人員無法迅速撤離現場，安全風險極高。至今海水泵房的海生物清理任務仍采用人工清理方式，伴隨著的是工作環境惡劣、作業風險高、效率低、勞動強度大等問題[1]。

隨著智能機器人技術的日漸成熟，以智能機器人替代人工的方式完成復雜惡劣環境中的高強度作業必將是未來核電廠運維作業的方向[2]。本論文針對核電廠海水泵房鼓網底部的作業環境進行研究，通過模擬環境進行試驗驗證，優化清淤工藝，采用遠程監控系統，實現清淤過程的自動化操作，可有效避免人員現場作業風險，提升核電廠冷源應急響應及處置能力。

1 系統方案

1.1 總體思路

清淤機器人系統由水上和水下兩部分組成。水上部分包括集中控制平臺、液壓動力站和動力柜；水下部分即為清淤機器人本體，包括水下控制箱和水下液控箱兩大部分[3]。集中控制平臺是清淤機器人的核心單元，負責向動力柜和水下控制箱發送控制信號以及接收水下控制箱和液壓動力站的反饋信號；液壓動力站根據信號指令為機器人提供動力，通過油管與水下液控箱相連，進而控油缸和液壓馬達；動力柜接收集中控制平臺發來的控制信號，為液壓動力站提供電能；水下控制箱是機器人水下部分的核心元件，向水下液控箱發送控制信號并接收水下液控箱反饋信號，同時通過以太網實時將機器人水下狀態反饋給集中控制平臺；水下液控箱直接控制油缸和液壓馬達，接收水下控制箱的控制信號，將自身狀態反饋至水下控制箱[4]。

圖1 水下清淤機器人系統組成圖Fig.1 Composition of the underwater dredging robot system

1.2 技術方案

鼓網腔室底部清淤機器人可以滿足大修抽水過程中開展清淤作業并可進行遠程操控，確保鼓網腔室底部平面清理范圍全覆蓋。在鼓網腔室存在淤泥的情況下，確保清淤機器人能夠順利實現前進、后退、轉彎等動作。應根據場地條件，確保鼓網底部清淤機器人能夠由設備出入口順利進入與退出，防止因尺寸過大而影響設備進入與退出時間，耽誤施工進程。

在清淤過程中，為確保人員、設備及構筑物安全，水下清淤機器人在系統設計上應確保不會與構筑物發生硬性碰撞，不對構筑物造成損傷，動力系統應安全可靠，避免發生漏電、短路；根據鼓網底部工況，對水下清淤機器人應進行充分的防水密封處理，防止因設備進水而發生漏電、漏液、短路等事故。在設備可靠性方面，應考慮進行防腐蝕設計，避免設備銹蝕及腐蝕；并應設計有故障應急處理措施，確保設備故障情況下能夠迅速拖離出水池。

根據以上要求，結合現場實際工作場景，水下清淤機器人在設計上應滿足如下條件：

1)可實時顯示多個攝像頭從不同角度拍攝的作業環境，具備聲吶探測功能，可對周圍淤泥進行掃描探測；具備線纜自動收放功能；具備操作臺可遠程控制；淤泥可遠距離輸送，輸送距離不小于30 m；

2)具備前鏟和水槍泵可將鼓網水池淤泥進行松動，并可將淤泥往井口方向推進，機器人上不帶吸污泵，鼓網水池淤泥靠鼓網檢修井底部的吸污泵進行抽吸；

3)設備電纜要考慮水下絕緣，保證設備水下作業安全性；

4)清淤機器人應配備聲吶及攝像頭，地面配備電纜收放設備。

1.3 硬件方案

1.3.1 控制模塊

控制模塊主要包括主控制箱、水下控制箱、連接電纜、卷線器等。

主控制箱是整個控制系統的人機交互的樞紐，主要包含有工控機、開關電源、顯示器、操作按鈕等元件。主控制箱通過網絡信號接收攝像頭和聲吶傳輸回來的視頻信號、溫度、壓力等參數，能實時顯示機器人在水下所處的環境。

水下控制箱主要集成有液控元件、開關電源等元器件。主要是接收主控制箱的控制命令，實現清淤機器人的移動、舉鏟、落鏟、渣漿泵起停等功能。

1.3.2 動力模塊

因鼓網底部清淤機器人在水下主要是進行淤泥的稠化和轉移推進，其承受的阻力比較大，即底盤需要提供比較大的扭矩，因此選用對單位質量功率大、無極調速范圍廣、工況平穩的液壓驅動底盤。動力系統采用液壓方式[5]，位于地面的液壓站通過油管將液壓油泵入液壓馬達，驅動液壓馬達產生轉矩，液壓馬達軸上套裝有液壓履帶。液壓履帶底盤選擇定制液壓履帶底盤，長寬高820 mm×800 mm×340 mm，重量約180 kg，底盤有兩個液壓馬達與減速機一體的行走裝置，由雙排量軸向柱塞液壓馬達與行走減速器組成，馬達內置平衡閥、制動器及高低速切換裝。輸入流量為25 L/min，額定工作壓力為25 MPa，單個馬達理論輸出扭矩為2 503 Nm，馬達排量為9/15 mL/r，理論輸出轉速為66/39 r/min，減速比為41.929。底盤最大行走速度為5 m/min。

底盤單個馬達扭矩F=2 503 N·m，底盤輪子半徑為0.17 m，因此單個馬達牽引力為

F1=F/r=2 503/0.17=14 723.5 N，兩個馬達牽引力為2F1=29 447 N。

清淤機器人整機質量約750 kg，滾動摩擦因數0.15，底盤的滾動摩擦阻力：

F2=μmg=0.15/0.324×750×9.8=3 402.8 N

檢修井底部距離鼓網水池最遠處約30 m，必然在經底部有30 m的吸污管，吸污管直徑按照100 mm計算，泥漿含泥量按照10%(密度約為水的2倍)。

30 m吸污管中泥漿質量為G=3.14×0.05×0.05×30×2 000=471 kg，加上吸污管自重，按照600 kg計算，摩擦因數取0.8，得出吸污管的摩擦阻力：

F=μmg=0.8×600×9.8=4 704 N

清淤機器人牽引力29 447 N大于清淤機器人總阻力3 402.8+4 704=8 106.8 N。因此該底盤能夠滿足清淤機器人使用要求。

清淤機器人的爬坡能力，在忽略傳動系數、水泥阻力等因數影響下，其受力分析如圖2，其中牽引力F由液壓馬達扭矩M產生，其大小應大于機器人重力mg對斜面的正壓力乘以摩擦系數，計算公式為：

圖2 清淤機器人爬坡力分析Fig.2 Analysis of the dredging robot climbing force

圖3 清淤機器人水下部分設計結構圖Fig.3 The design structure of the underwater part of the dredging robot

圖4 水下清淤機器人試驗模擬體Fig.4 Underwater experiment simulation of the dredging robot

圖5 清淤機器人遠程監控主界面圖Fig.5 The remote monitoring main interface of the dredging robot

F=mgcosα×μ≥mgsinα+fr+f0

其中fr、f0分別為滾動摩擦阻力和吸污管阻力，其中橡膠履帶與混凝土地面摩擦系數μ參照取0.6，當不計fr、f0時，tanα≤0.6，即α≤31°，所以清淤機器人的最大爬坡角度為31°。

1.3.3 視覺模塊

視覺模塊為清淤機器人提供視覺信息，包括距離其他物體的距離，可用于導航和目標物識別等。視覺模塊由聲納和攝像頭組成，在水下光線良好的情況下，依靠攝像頭提供視覺信息，弱光時聲吶負責成像并反饋到上位機。

2 軟件方案

2.1 主體程序

主體程序功能包含以下幾個方面：

1)視頻采集與顯示：將采集的攝像頭的視頻信號處理后顯示；

2)攝像頭云臺控制：軟件界面中設置有攝像頭云臺運動控制控件，用戶可根據需要在軟件界面上進行云臺控制；

3)聲吶信號采集：將采集到的聲吶信號解析后顯示；

4)聲吶云臺控制：軟件界面中設置有聲吶云臺運動控制控件，用戶可根據需要在軟件界面上進行云臺控制；

5)清淤機器人運動控制：通過操作軟件對全向移動平臺進行運動控制，包括前進、后退、旋轉以及運動速度控制；

6)輔助定位：主控軟件將采集的清淤機器人姿態、位置信息進行整合，并以3D模型的形式實時顯示；

7)狀態信息顯示：包括硬件連接狀態以及設備運行狀態顯示；

8)視頻存儲功能：視頻數據進行存儲，方便用戶后續查看。

水下清淤機器人軟件主界面由菜單欄、信息顯示窗口、操作欄、消息日志窗口、狀態欄、攝像顯示窗口六部分組成。

1)菜單欄：用于進行相應的設置操作，包括“連接”“設置”“狀態信息界面”“聲吶界面”“三維顯示界面”和“幫助”，點擊“菜單欄按鈕會彈出相應的子界面；

2)信息顯示窗口：顯示當前硬件連接狀態以及設備運行狀態；

3)操作欄：包括云臺控制和小車控制操作，云臺控制總共有四個方向，即前進、后退、左轉、右轉，小車控制總共有七個操作，包括小車的前進、后退、左旋轉、右旋轉、擋位選擇、活塞桿伸出、活塞桿縮回；

4)消息日志窗口：設備運行日志信息窗口，顯示設備在運行過程中用戶的各項操作和操作；

5)狀態欄：顯示水下清淤機器人當前狀態和時間；

6)攝像顯示窗口：顯示水下清淤機器人上攝像頭捕捉到的圖像信息。

水下清淤機器人的主體程序首先對陀螺儀、攝像頭、聲吶等進行初始化。然后進入待機模式，等待上位機的控制指令[6]，判斷運行模式。運動包括前進、后退、左右移動等。而在遙控模式時，系統通過接收遙控裝置傳來的控制指令，手動控制機器人的行走。

2.2 導航定位程序

機器人通過慣性導航、陀螺儀及編碼器進行機器人軌跡計算，其原理是利用加速度計與時間進行積分，可以得到機器人行走速度，計算行走距離。由于履帶存在打滑，此算法會存在累計誤差，通過聲吶進行周圍測距，得到機器人的絕對坐標，并進行機器人軌跡修正。

導航定位為清淤機器人提供精準的水底二維平面上位置信息。攝像頭和聲吶獲取的圖像傳輸到上位機，結合圖像識別技術，識別出機器人距離墻壁的距離，進而生成二維坐標點，再將當前時刻生成的坐標點與上一時刻坐標點用光滑的曲線連接，生成機器人運動軌跡。由于機器人在清淤過程中運動速度較慢，速度為3～5 cm/s，可將圖像采集頻率適當放慢，以提高程序運行流暢度。

3 試驗過程與結果

根據設計方案，對機器人通信、運動、導航定位和清淤功能進行陸地和水下試驗。

3.1 陸地試驗

機器人下水前先進性陸地功能測試。首先，上位機發送液壓泵開啟信號、循環泵開啟信號，保證機器人獲取充足穩定的油源；其次，測試運動能，分別測試機器人直線前進、直線后退、左轉、右轉時的速度是否穩定；最后，測試導航定位功能，對比計算軌跡是否與實際軌跡存在偏差。測試結果：上位機與通信可以實時通信，發送命令和接受反饋響應迅速；機器人直線運動過程中速度平穩，無走偏現象，轉彎時軌跡為圓弧形；導航定位軌跡與實際軌跡近似重合，測試結果均符合設計規范。

3.2 水下試驗

3.2.1 水下試驗模擬體制作

試驗模擬體主要模擬驗證現場的接口環境，清淤機器人可否通過現場的檢修井并行走至鼓網水池底部，以及可否順利退出檢修井。模擬體采用Q235材料，矩形管焊接，表面涂漆，總高2 m，檢修井門洞高1.5 m，并往鼓網水池方向開45°通道，走廊寬1 m、長3 m。

3.2.2 模擬涵洞通過及爬坡試驗

清淤機器人進出涵洞工藝測試：通過小型龍門吊將清淤機器人吊裝至模擬體井底支架上，模擬清淤機器人進出涵洞的完整工藝流程，整個運行過程順暢，清淤機器人行走不與模擬體發生碰撞，未出現其他異常現象。

視頻功能測試：視頻畫面清晰，能通過遠程視頻操作龍門吊將清淤機器人抓取及釋放。

爬坡測試：通過遠程控制系統操作清淤機器人平穩駛上30°斜坡直達試驗模擬體平臺，將清淤機器人從試驗模擬體平臺上通過30°斜坡行駛至地面，整個過程機器人未出現異常情況。

3.2.3 區域覆蓋試驗

主要驗證清淤機器人行走軌跡是否能夠覆蓋水池工作范圍，在寬6.5 m、長10 m的工作區域內沿預定軌跡行走，未駛出劃定區域，機器人駛入退出過程，覆蓋整個工作區域，管路及電纜未出現扭曲打結，未出現異常情況。

3.2.4 轉彎半徑試驗

驗證機器人在水平地面轉彎半徑≤1.5 m，使機器人底盤處于連續轉彎行走狀態，畫出機器人底盤離轉向中心最遠點形成的軌跡圓，在互相垂直的兩個方向測量軌跡圓直徑，取算數平均值，試驗測得轉彎半徑為0.65 m，滿足要求。

3.2.5 水下功能驗證

主要包括通過控制系統搖桿控制清淤機器人運行和通過界面控制聲吶、攝像頭及云臺，同時反饋顯示清淤機器人的狀態信息是聲吶、攝像頭的圖像信息。通過聲吶、陀螺儀等元器件，判斷清淤機器人所處的位置及行走軌跡。

1)攝像頭、聲吶及云臺動作測試：經測試，攝像頭以及聲吶云臺動作流暢，可以按照控制命令進行動作；攝像頭在水下攝像能看清距離機器人0.2 m以上范圍。

2)運動控制測試：分別設置速度為1.2、3和5 m/min，測試機器人可平穩行駛，變速響應快速及時。

3)轉向控制測試：通過控制系統搖桿操作機器人轉向，機器人可以根據操作桿指令相應改變狀態，轉向功能正常。

4)急停功能測試：通過控制系統搖桿使清淤機器人運動，并保持速度穩定后，按下急停按鈕，觀察清淤機器人能正常停止動作。急停按鈕復位后，清淤機器人處于停止狀態，未自行動作。

5)前鏟升降測試：通過控制系統操控清淤機器人前鏟升降，升降過程流暢、無卡澀。

3.2.6 整體性能測試

主要驗證清淤機器人吸污能力以及吸污效果，以及清淤機器人水下作業綜合性能。對此分別模擬100 mm及500 mm厚度淤泥兩種現場工況下清淤機器人的性能。經測試，在這兩種工況下，清淤機器人可持續進行清淤，清淤處理完成后小車可以正常行走，整個過程排污管無堵塞，清淤性能正常。設備連續作業12 h，試驗過程中各項參數正常，具備良好的連續作業性能。

3.3 清淤能力測算

1)污水泵流量為40 m3/h，實際工作效率按照理想效率的90%計算；

2)污水泵清淤效率為40×0.9=36 m3/h；

3)其中淤泥含量約為10%，為3.6 m3/h；

4)按照實際淤泥分布情況，淤泥方量按照30 m3計算；

5)污泥清理時間為30/3.6=8.3 h；

6)底盤最大行走速度為5 m/min，實際按照1.5 m/min計算，鼓網水池長25 m，寬6.5 m，機器人前鏟寬度0.9 m，理論上機器人行走距離為25×(6.5/0.9)=180 m；

7)機器人行走時間為180/1.5=120 min，即2 h；

8)因此清淤機器人清淤總時間估計為8.3+2=10.3 h。

大修期間下閘板及鼓網腔室排水時間約需24 h，因此水下清淤機器人可在鼓網腔室排水期間完成清淤工作，時間裕量充足。

綜上，水下清淤機器人陸上及水下試驗結果滿足要求，清淤能力測算滿足大修窗口要求。

4 結束語

本文設計的適用于福清核電海水泵房的水下清淤機器人，通過在水上和水下通信、運動控制、導航定位和清淤的功能測試，各項參數滿足技術要求。試驗結果表明，該水下清淤機器人系統工作穩定，實現了操作人員對機器人的遠程監視與控制，可以提高清淤效率、降低工作人員安全風險，從而保證海水泵房的穩定運行，提高機組冷源可靠性，滿足預期要求，后續通過現場試驗并持續優化后投入使用。水下清淤機器人作為新型智能化、自動化工具，在核電領域值得廣泛應用和推廣。