蒸汽發生器小內徑傳熱管檢測輔助對管裝置設計

國核電站運行技術服務有限公司 于 巖

蒸汽發生器是核電站運行中發生故障最多的設備之一，蒸汽發生器傳熱管檢查技術是核電無損檢測的關鍵技術[1]。目前核電站蒸汽發生器傳熱管檢測方式中，基于渦流檢測是傳熱管缺陷檢測最有效也是現有最常見的無損檢測手段[2-3]，需要將渦流探頭深入傳熱管并經過每一處位置，同時渦流探頭需要連接三根導線，一般將導線放入中空尼龍管內，推動尼龍管可將探頭在傳熱管內進行伸長和縮回運動。

由于存在輻射性，機器人攜帶探頭進行自動檢測作業是當前主要的作業方式。目前，國際上從事熱交換管檢測機器人研制的企業主要包括美國的ZETEC 公司[4]和西屋電氣公司[5]、法國的Framatome 公司[6]、德國的Hans Walischmille 公司等。國內核電企業如中廣核、核動力運行研究所、中核、中電投（國核運行）等在引進國外先進技術的基礎上，相繼開展了傳熱管檢測機器人的仿制，如中廣核以西屋公司的Pegasys 為基礎提了檢測機器人方案，國核電站運行服務技術有限公司提出了基于ZETEC ZR100機器人的機械足方案，核動力運行研究所與哈爾濱工業大學聯合研制了檢修機器人平臺。

機器人自動檢測技術提高了檢測效率和可靠性，但對于小型蒸發器傳熱管進口空間較小，機器人難以進入，且傳熱管數量少，機器人作業效率反而降低，需要設計一套方便人工遠端操作、可適用于小口徑進口的輔助對管裝置，在降低人員風險的同時提高作業效率。

1 設計需求分析

輔助對管工具功能要求：攜帶傳熱管渦流探頭對準管板上需要檢測的傳熱管內孔，將探頭及導管送入管板上的傳熱管孔。根據蒸發器傳熱管檢測的任務需求，輔助對管工具需要滿足以下性能：末端與管口的準確對準，精度優于±0.1mm；末端與管口對準后壓緊密封，需要工具末固定于管板上。由于管板為多孔的平面，為實現末端與管板的固定，需利用管板上的孔設計夾持裝置，夾持裝置可深入到孔內，與孔內壁壓緊實現緊固，為保證緊固的可靠性，需要多個夾持末端與多個管孔夾持緊固，末端工具需要空間6自由度的調整實現裝置上多個夾持裝置與管孔的對準，即輔助對管工具機構至少需要具備空間6自由度運動功能。

根據外口深度、密封壓緊、管板直徑、管板高度等因素，計算輔助對管工具的性能需求：密封壓緊力大于50N；夾持緊固軸承承載大于150N；輔助對管裝置Z 軸（豎直方向）行程±150mm；X 軸（前后方向）行程200mm；Y 軸（左右方向）行程±150mm；俯仰角行程（Y 軸）±10°；方位角行程（Z 軸）±10°；滾轉角行程（X 軸）±180°。

2 對管裝置方案設計

2.1 操作機構設計

末端夾持與對管裝置需要借助多個孔實現精準的對管，需要同時對多個孔進行對準，因此前端操作機構需要具備至少6個運動自由度，即空間三個方向的移動自由度及三個方向的轉動自由度，考慮核電作業現場空間狹窄及人工手動操作的便利性，需要末端運動有對應的驅動實軸如數，因此需要盡量避免采用并聯機構或串并混聯機構，即采用具有實軸對應的串聯機構是有效的解決方案，串聯6自由度機構中的純轉動關節型機構如通用工業機械臂，其末端三個轉動與腕部三個轉動關節對應，但平移運動也無實軸對應，人工操作不便。

3移動關節+3轉動關節的串聯型機構有實軸對應，為手動對管裝置機構類型的最佳方案，這類機構中包含了轉動關節和移動關節的不同排列組合形式（如PPPRRR、PPRRRP、PRPRRP、RRRPPP 等，R 代表轉動關節，P 代表移動關節），根據支鏈關節順序與末端運動特征關系，由于存在三個移動關節，任意的組合形式都可以實現末端繞空間任一點的轉動運動，因此其關節的任意排列形式均可以作為對管裝置的機構方案。表1為對管操作機構構型對比。

表1 對管操作機構構型對比

考慮對管作業中存在插入夾持裝置插入管孔的動作，需要一個移動驅動軸線與管孔平行，又考慮需要多個管孔同時對準，因此最后兩個關節應為PR或RP 的關節組合，即P 副驅動實現插入操作，R副驅動實現相位對準。在靠近根部端的四個關節中，雖然不同組合均可實現末端的繞空間任意點轉動，但根部關節為轉動關節時，實現繞遠端點的轉動需要轉動關節和移動關節的聯動作業，操作不便，因此最佳方案應將移動關節靠近基座，根據上述分析，可用的機構構型方案為PPRRPR 或者PPRRRP，如圖1所示。

圖1 對管操作機構方案（左PPRRPR 構型、右PPRRRP 構型）

綜合考慮占地空間、人工可操作性、工作空間等因素，選擇串聯機構構型的PPRRPR 構型，第一移動關節為Z 軸方向（豎直方向），第二移動關節為Y 軸方向（左右方向），后續的兩個轉動關節分別為回轉軸（Z 軸轉動）與俯仰軸（Y 軸轉動），第三移動關節為前后移動軸（X 軸），最后的轉動關節為翻滾軸（X 軸）。同時，由于人工操作帶來的誤差，為增加適應性采用帶有柔性的聚氨酯棒料，在末端連接處增加柔性的被動等效球關節，最終的機構方案如圖2所示。

圖2 對管操作機構最終方案機構簡圖與三維模型

根據對管機構的性能要求，末端采用延長桿深入法蘭孔內靠近管板，考慮空間約束設計延長桿長度為1000mm，設計各個驅動行程如下：移動（Z軸）±250mm、 移動（Y 軸）±250mm、 轉動（Z 軸）±30°、轉動（Y 軸）±30°、移動（X 軸）300mm、轉動（X 軸）±180°。

2.2 末端夾持與壓緊裝置設計

2.2.1 末端壓緊方案

末端需要實現對管口的壓緊且壓緊裝置為中空結構，可使渦流探頭及導引管通過，壓緊動作驅動由氣缸實現，如圖3和圖4所示，采用具有中空活塞桿結構的氣缸，活塞桿前端采用密封槽接頭和壓蓋實現對密封橡膠的固定，當氣缸軸線與被檢測氣孔軸線對準時，氣缸推動活塞前進，將密封橡膠壓緊至傳熱管管口并保持氣缸壓力，實現與管口的密封。

2.2.2 夾持緊固方案

圖3 氣動壓緊密封裝置方案

圖4 末端壓緊氣缸結構圖

夾持緊固裝置實現末端與管板的精準夾持定位，夾持機構為花瓣型漲緊腳趾，如圖5所示，腳趾深入管孔內，通過氣體驅動實現腳趾與管孔內壁的壓緊，同時配合導向定位銷，實現與管板的精準定位，夾持緊固裝置通過連接頭與多自由度對管操作機構連接，如圖6所示，考慮被動球鉸，連接件采用帶有彈性的聚氨酯軟棒。由于管孔內徑較?。é?mm），夾持緊固裝置需要具備緊湊性的特點，設計采用花瓣漲開型緊固腳趾，采用帶錐形末端的活塞桿，活塞桿在氣缸驅動下前伸，錐面推動花瓣型卡爪漲開，使卡爪與管孔內壁壓緊，并配合導向銷實現末端與管板的精準可靠緊固定位。

圖5 夾持緊固裝置方案整體結構圖（左）與緊固腳趾-探頭通道-導向銷分布圖（右）

圖6 夾持緊固裝置結構方案

對管操作方案如圖7所示，根據管板上的管孔分布，設計固定漲緊腳、氣缸探頭通道及導向銷的幾何位置尺寸，按照如圖7所示的對管方案，可實現探頭對所有管孔的對準。

圖7 管孔對管操作方案示意圖

3 實驗驗證

樣機研制。根據上述設計方案進行研制研制和測試，如圖8、圖9所示，螺旋傳熱管規格為管孔內徑φ9mm，螺旋管包絡直徑φ300mm，螺旋管總長10m，傳熱管一端與模擬管板上的管孔相連，人工通過多自由度柔性對管裝置進行管板上各個管孔的對準操作，氣源采用0.7Mpa，同時供給壓緊氣缸、夾持緊固腳趾及氣體驅動探頭導引裝置，壓緊氣缸和夾持緊固腳趾的氣路分別由手動開關獨立控制。操作多自由度對管裝置，將壓緊氣缸的中空軸探頭通路與每個管孔，探頭通過引導管進入模擬管板上的管孔，并進入螺旋傳熱管，經過測試每個管孔都可通過對管裝置實現精準的緊固對準，驗證了此設計方案的有效性。

圖8 緊固定位末端裝置