輻射環境下遙控操作焊接設備研究

劉金平，馬明豪，吳闖，王象元，甘佰勝、賈世進、羅瑞強

中國核工業二三建設有限公司 北京 101300

1 序言

核安全問題成為持續核能應用的生命線，是國家能源戰略的重要環節[1，2]。“核電中長期發展規劃”明確提出了堅持核燃料閉合循環的技術路線。核后處理設備包含大量管道結構，但管道服役過程易產生裂紋。目前，運行核電數量逐年攀升，“十四五”期間10年長大修機組數量將達到26臺。在未來15年左右將迎來歷史上的第一輪退役高潮，老舊三廢設施、退役防化室及研究實驗室等退役工作陸續開展，因核電輻射環境的特殊性[3-5]，需要遙控操作專用設備進入輻射環境完成檢維修作業，所以需研究輻射環境下的遙控操作設備。

2 應用場景需求分析

核后處理設備包含大量管道結構，這些管道每年返修一次，每次返修約300道焊縫。管道損傷情況的50%為液體腐蝕導致的貫穿或未貫穿缺陷，損傷的部位主要集中在閥門、管道等腐蝕焊縫。

由于作業環境中存在核輻射，而人工修復安全性差、難度大、作業量大且效率低，因此，亟需一種自動化裝備實現遠程操作[6-9]，解放工人，讓操作人員處在無輻射的安全區域進行遠距離作業。

現場環境中管道布局復雜，相互交錯，如圖1所示。對于自動化返修設備而言，管道周圍空間大小是返修工藝及質量的重要影響因素。結合以上實際情況，為便于項目實施，對現場環境進行簡化。設備間內部管道返修簡化模擬環境如圖2所示。待返修管道材料為304不銹鋼，尺寸為φ32mm×3mm，距離地面高度約為950mm，管道連接閥距離后方障礙物水平和豎直距離均為250mm。

圖1 現場管道布局

圖2 設備間內部管道簡化模擬環境

3 設備整體結構

雙臂機器人系統用于管道替換和完整焊縫切除作業，其結構如圖3所示。該系統主要包括承載底座、移動軌道、返修機器人、工裝機器人、工具、視覺傳感系統及力覺傳感系統等。

圖3 雙臂機器人系統

4 設備可達性仿真分析

雙臂機器人系統沿返修管道軸向跨度可達1900mm，如圖4所示。沿返修管道徑向水平跨度可達400mm，如圖5所示。沿返修管道徑向垂直跨度可達800mm，管道距離地面的最低高度為750mm，如圖6所示。

圖4 軸向跨度

圖5 徑向水平跨度

圖6 徑向垂直跨度

5 機器人承載軌道設計

整體框架為鋼結構焊接件，處理焊接連接部分，采取共節點的方法，以減少綁定接觸引起剛度過高的問題，同時去掉不必要的小孔，因為這里不研究應力場。材料為普通碳素鋼，其彈性模量為2.1×105MPa，泊松比為0.3，密度為7900kg/m3。

首先，進行網格劃分（見圖7）。網格劃分或叫作幾何離散，是將工程物理模型轉換為數學模型。單元采用SOLID186二次拋物線單元，此單元計算精度高、計算速度快，適合結構化網格。

圖7 機器人安裝架網格劃分

然后，確定邊界條件與計算求解方法。與基礎連接部分采用固定邊界條件，計算求解方法用通常的蘭索絲法。共求解前6階的共振頻率，參數見表1，仿真結果如圖8所示。從圖8可知，最不利情況下其變形量為4.5mm，能夠滿足剛度要求，設計合格。

表1 模態-頻率對照 （Hz）

圖8 有限元分析云圖垂直跨度

軌道結構及布置方式如圖9所示。返修機器人安裝在縱向軌道的上部，工裝機器人安裝在縱向軌道的下端，能夠隨軌道上下運動調整位置；縱向軌道可帶著兩個機器人沿橫向軌道滑移，調整返修位置。沿橫向和縱向軌道的位移、速度規劃如圖10所示。由于橫向軌道的布置方式，其容易產生彎曲變形，因此對其進行應力分析。橫向軌道受力如圖11所示。在3個峰值力狀況下的有限元分析結果如圖12所示。由圖12可知，所設計橫向軌道滿足使用要求。

圖9 軌道結構及布置方式

圖10 運動位移、速度規劃

圖11 橫向軌道受力情況

圖12 橫向軌道有限元分析

6 工具架設計

工具架安裝在橫向軌道上，可在橫向軌道上移動，其功能是用于安裝各種返修工具，結構如圖13所示。工具架前端安裝有縱向軌道，雙機器人固定在縱向軌道上，從而實現橫向和縱向移動。

圖13 工具架結構

7 機器人方案設計

兩個機器人安裝在縱向軌道上。上端為工具機器人，主要用于更換各種工具完成返修工藝。下端為工裝機器人，主要用于固定待返修管道，防止返修過程中管道發生變形、振動，影響返修質量。兩個機器人均使用串聯式6自由度機器人，其結構如圖14所示。該機器人具有負載大、簡易操作、低功耗、安裝方便等優勢，適用范圍廣泛。其主要參數見表2。

表2 新松GCR 20-1100機器人主要參數

圖14 新松GCR 20-1100串聯式6自由度機器人

8 力控傳感器及快換接頭設計

在返修過程中，切割、打磨質量對焊接影響較大，為了保證切割和打磨質量，需要控制切割進給量和打磨進給量，此時需要力控傳感器對切割和打磨過程中的受力進行檢測，從而控制進給量。此外，返修過程需要多次更換工具，為了快速準確地實現工具的更換，采用快換接頭，它由母接頭和子接頭兩部分組成，其中母接頭與工具機器人相連，子接頭與工具相連。力控傳感器與快換接頭安裝布局如圖15所示。

力控傳感器選用ATI六軸力和力矩傳感器，能夠測量6個力和力矩，包括1個傳感器、高柔性屏蔽電纜、智能數據采集系統、Ethernet/DeviceNet連接或F/T控制器，結構尺寸如圖16所示，主要技術參數見表3。

表3 ATI六軸力和力矩傳感器主要技術參數

圖16 ATI六軸力和力矩傳感器結構

快換接頭可實現自動更換工具，選用A T I QC022，結構如圖17所示。該裝置采用氣動夾緊，分為兩部分，其中主側（母接頭）與機器人前端連接，工具側（子接頭）與工具連接，兩側在連接的同時可以連通和傳遞電信號、氣體及水等介質。主要參數見表4。

表4 快換接頭主要參數

圖17 快換接頭

9 焊接工具頭設計

管道替換焊接工具采用華恒閉口式焊鉗，其結構如圖18所示，主要技術參數見表5。閉口式焊鉗經改造，在安裝支架上固定氣缸，可實現自動開合動作，用于切割后的管-管對接焊。焊接前需在密封腔內充保護氣體，保證焊縫得到良好的保護。該夾具系統可保證被焊件精確定位，無需定位焊，從而提供高效率、高質量焊接?？删軐崿F全位置TIG管-管焊接，焊接結果重現性高，可達到理想的焊接效果。

表5 焊接工具主要技術參數

圖18 閉口式焊鉗

10 結束語

本方案針對核電站在役維修和核后處理特殊環境下管道返修裝備進行了系統設計，提出了核電站在役維修和核后處理特殊環境下管道返修的迫切需求，明確了該項目的研究和應用價值。詳細分析了設備整體結構設計、設備可達性分析、機器人承載軌道設計、工具架設計、機器人方案設計、力控傳感器與快換接頭設計，以及焊接工具頭設計，證明了管道遠程自動化返修的可行性。