摘 要:研制了一套核電站壓力容器接管安全端焊縫缺陷超聲波自動(dòng)水下檢測(cè)機(jī)器人,并對(duì) 系統(tǒng)的機(jī)械本體、氣路設(shè)計(jì)、電氣控制等組成部分展開研究。闡述了檢測(cè)裝置各個(gè)執(zhí)行部件的設(shè)計(jì) 原理和設(shè)計(jì)方法。優(yōu)化氣路設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了定位力斷氣保持、探頭恒力壓緊和校驗(yàn)試塊伸縮等復(fù)合 功能。該系統(tǒng)通過控制系統(tǒng)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)送指令并接收反饋信號(hào),實(shí)現(xiàn)了焊縫缺陷的自動(dòng)掃查。 

關(guān)鍵詞:核電站;接管;焊縫;檢測(cè)裝置;超聲檢測(cè) 

中圖分類號(hào):TG115.28                                          文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A                             文章編號(hào):1000-6656(2022)06-0010-05

核電站反應(yīng)堆壓力容器(RPV)接管安全端是 反應(yīng)堆壓力容器接管與主管道之間的連接過渡段, 是反應(yīng)堆冷卻劑壓力邊界的重要組成部分。安全端 兩側(cè)存在兩道焊縫,即安全端與接管之間的焊縫和 安全端與主管道之間的焊縫,某類型壓力容器接管 剖面圖如圖1所示。安全端焊縫靠近堆芯活性區(qū), 在核電站運(yùn)行中要承受高溫、高壓、高輻射的交變復(fù) 雜應(yīng)力和腐蝕,故該兩道焊縫的質(zhì)量對(duì)于保障一回 路系統(tǒng)的完整性至關(guān)重要。 

根據(jù)國(guó)外核電站運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)反饋,該焊縫檢查頻 度一般高于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求,為3~4個(gè)換料周期,而 目前國(guó)內(nèi)對(duì)該焊縫的檢測(cè)主要通過反應(yīng)堆壓力容器 十年大修來完成,由于設(shè)備龐大,檢測(cè)周期長(zhǎng),操作 較為復(fù)雜。為了靈活方便地對(duì)接管安全端焊縫進(jìn)行不定期檢測(cè),提高工作效率,需研制體積小,操作方 便的專用檢測(cè)裝置。文章提出了一種新型自動(dòng)檢測(cè) 裝置樣機(jī),該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)反應(yīng)堆壓力容器安全端 焊縫的自動(dòng)掃查。 

1 檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 

為了完成焊縫檢測(cè),檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)應(yīng)能實(shí)現(xiàn)正 確安裝、可靠定位、自動(dòng)掃查等功能。筆者所設(shè)計(jì)的 檢測(cè)裝置的突出特點(diǎn)有自動(dòng)軸向定位、探頭與待檢 區(qū)域恒力貼合、一次安裝完成所有掃查等。該節(jié)以 檢測(cè)裝置的定位機(jī)構(gòu),軸向和周向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu),探頭校 驗(yàn)機(jī)構(gòu)和輔助機(jī)構(gòu)等4個(gè)主要組成機(jī)構(gòu)為重點(diǎn),介 紹了檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)思路和工作特點(diǎn),檢測(cè)裝置結(jié) 構(gòu)如圖2所示。

1.1 定位機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 

1.1.1 檢測(cè)裝置相對(duì)于接管的定位和壓緊 

理想狀態(tài)下,檢測(cè)裝置懸浮在接管中。在軸向 進(jìn)給的過程中,由于前浮力塊的不斷前移,檢測(cè)裝置 的重心在不斷變化,這部分不平衡力矩也需要由氣 缸產(chǎn)生的壓緊力組合吸收。端部效應(yīng)器處于不同位 置的受力簡(jiǎn)圖如圖3所示。

圖3中F1,F2 分別為檢測(cè)裝置尾部浮力塊和頭部浮力塊 產(chǎn) 生 的 浮 力,G 為 檢 測(cè) 裝 置 減 去 本 體浮力后的重力。根據(jù)平面力系的任意平衡方程得F2=165N。當(dāng)端 部 效 應(yīng) 器 處 于 極 限 位 置 時(shí),F2向前移動(dòng)了 X3 的距離即檢測(cè)裝置軸向行程。重心向右移 動(dòng) 了 X4 的 距 離 (X4 <X3),如 果 把 X4忽略,則整 個(gè) 計(jì) 算 過 程 是 偏 向 于 安 全 的。產(chǎn) 生 的額外力偶矩 ΔM=F2×X3。零位狀態(tài)和極限狀態(tài)產(chǎn)生的額外 力 矩 需 要 壓 緊 氣 缸 的 壓 緊 力 來 抵 消,假設(shè)是每組 單 個(gè) 氣 缸 產(chǎn) 生 的 壓 緊 力 來 抵 消,則 近似有

式中:L 為兩組氣缸中心線之間的距離;F3 為每組 單個(gè)氣缸產(chǎn)生的壓緊力。 

將L=0.485m,F2=165N,X3=0.4m 代入 式(1),可 知 F3 =136 N 時(shí) 可 保 證 定 位 壓 緊 的 可 靠性。 

選用大缸徑夾緊氣缸,其出力大,夾緊較為可 靠,同時(shí)可避免檢測(cè)過程中探頭伸縮和旋轉(zhuǎn)帶來的 慣性力導(dǎo)致的檢測(cè)裝置機(jī)架震動(dòng),影響檢測(cè)精度。

單個(gè)氣缸定位壓緊力F 為

式中:F 為單個(gè)氣缸定位壓緊力;S 為氣缸活塞面 積;ΔP 為高低壓回路壓力差;P1 為高壓回路壓力; P2 為低壓回路壓力。 

考慮到檢測(cè)設(shè)備在水中工作時(shí)可能會(huì)有水進(jìn)入 電機(jī)或氣缸中,影響執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作,故采用動(dòng)密封 內(nèi)部壓縮空氣保壓的方式保證執(zhí)行部件運(yùn)動(dòng)的可靠 性。設(shè)定檢測(cè)裝置工作水深為20m,則該位置產(chǎn)生 的水壓為

低壓回路具有保壓防水的作用,故其壓力必須 大于 P水 。 為 留 有 一 定 的 余 量,分 析 中 設(shè) P1 = 600kPa,P2 =300kPa,S=3.16×10 -3 m 2。代入 式(2)中得F=934.7N?F3,考慮到檢測(cè)裝置安裝 時(shí)接近懸浮,并無重力需要抵消,故 F 可以吸收因 端部效應(yīng)器伸縮產(chǎn)生的附加力偶矩。

夾緊氣缸 末 端 采 用 的 是 尼 龍 墊,尼 龍 與 接 管 之間的摩擦系數(shù)取0.5,則兩組6個(gè)氣缸產(chǎn)生的摩 擦力Ff =6×F×0.5=2804.1N。Ff 主 要 用 來 抵消端部效應(yīng)器運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)慣性力和 探頭與待檢 區(qū) 域 間 的 摩 擦 力,因 為 端 部 效 應(yīng) 器 旋 轉(zhuǎn)速度和進(jìn) 給 速 度 緩 慢,所 以 動(dòng) 態(tài) 慣 性 力 和 摩 擦 力很小,Ff 可以保證檢測(cè)裝置在接管中的位置固定。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證,選用 P1=600kPa,P2=300kPa 是合理的。

1.1.2 端部效應(yīng)器相對(duì)于檢測(cè)裝置的定位和壓緊

端部效應(yīng)器需要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)動(dòng)作,軸向進(jìn)給和周 向旋轉(zhuǎn)。為確保焊縫缺陷檢出后,檢測(cè)探頭能準(zhǔn)確 找到缺陷位置并進(jìn)行定量檢測(cè),需要給端部效應(yīng)器 在軸向和周向上分別設(shè)立一個(gè)零點(diǎn)。軸向零點(diǎn)的確 定是通過安裝在檢測(cè)裝置前端的霍爾傳感器確定 的;旋轉(zhuǎn)電機(jī)組件上安裝有另一霍爾傳感器,用來確 定端部效應(yīng)器的周向零點(diǎn)。設(shè)備通電后需首先確定 零點(diǎn)位置。 

端部效應(yīng)器安裝在雙導(dǎo)桿氣缸上,探頭安裝在 端部效應(yīng)器上。由于檢測(cè)過程中需要保持探頭與待 檢焊縫區(qū)域貼合,需有一定的力作用于端部效應(yīng)器 上。筆者采用氣缸的壓緊力來實(shí)現(xiàn)該效果,并保證 該力為恒力,詳細(xì)作用原理參見第2節(jié)中電氣比例 閥工作原理。 

1.2 軸向和周向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

如圖2所示,軸向進(jìn)給電機(jī)安裝在檢測(cè)裝置的 下部,通過齒輪箱換向驅(qū)動(dòng)絲杠螺母副轉(zhuǎn)動(dòng),帶動(dòng)絲 杠前后運(yùn)動(dòng)。絲杠與導(dǎo)軌在兩端聯(lián)結(jié)為一體,整個(gè) 周向旋轉(zhuǎn)裝置都安裝在絲杠導(dǎo)軌聯(lián)結(jié)體的末端。軸 向進(jìn)給電機(jī)與減速器安裝在電機(jī)箱內(nèi),電機(jī)軸輸出 端與齒輪箱輸入端通過特制聯(lián)軸器連接。齒輪箱上 下箱體之間的密封靠箱體凸緣異型槽中塞入 O 型 密封條壓緊實(shí)現(xiàn)。齒輪箱輸出軸安裝有兩個(gè)反裝的 唇形密封圈,防止水進(jìn)入齒輪箱。為保證齒輪箱及 電機(jī)可靠工作,往電機(jī)箱中引入壓縮空氣,并通過電 機(jī)箱與齒輪箱之間的間隙進(jìn)入齒輪箱,起到電機(jī)箱 與齒輪箱雙重防水的作用。 

周向旋轉(zhuǎn)電機(jī)與減速器安裝在周向旋轉(zhuǎn)電機(jī)箱 內(nèi),采用行星齒輪減速器,以提高減速比,降低端部 效應(yīng)器的掃查速度。電機(jī)軸通過聯(lián)軸器同旋轉(zhuǎn)盤相 連,旋轉(zhuǎn)盤上安裝有氣缸。工作時(shí),旋轉(zhuǎn)盤帶動(dòng)氣缸 和端部效應(yīng)器旋轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)自動(dòng)掃查。由于旋轉(zhuǎn)盤與 周向電機(jī)箱之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng),需要?jiǎng)用芊庖员ＷC 電機(jī)箱不進(jìn)水。筆者采用雙 O 型密封圈動(dòng)密封,同 時(shí)在電機(jī)箱內(nèi)通入壓力大于水深壓力的壓縮空氣, 保證電機(jī)箱的防水性。 

為提高檢測(cè)質(zhì)量,減少安裝和調(diào)試時(shí)間,保證檢 測(cè)數(shù)據(jù)真實(shí)可靠,選用伺服電機(jī)作為周向和軸向進(jìn) 給電機(jī)。伺服電機(jī)優(yōu)點(diǎn)為響應(yīng)速度快,無爬行,且電 機(jī)剛度好,定位準(zhǔn)確。

1.3 探頭校驗(yàn)機(jī)構(gòu) 

探頭校驗(yàn)試塊的設(shè)計(jì)要滿足端部效應(yīng)器在軸向 和周向有一定的活動(dòng)空間,以適應(yīng)端部效應(yīng)器上所 有探頭的校驗(yàn)。鑒于探頭校驗(yàn)是在每次檢測(cè)開始前 和每次檢測(cè)結(jié)束后進(jìn)行的,校驗(yàn)頻度較高,故設(shè)計(jì)校 驗(yàn)機(jī)構(gòu)位于檢測(cè)裝置正下方。需要校驗(yàn)時(shí),通過遠(yuǎn) 程控制和視頻監(jiān)控完成在線校驗(yàn)。校驗(yàn)機(jī)構(gòu)如圖2 所示,探頭校驗(yàn)過程流程圖如圖4所示。

由于待測(cè)接管孔徑范圍較大,尤其是在接管內(nèi) 徑較小時(shí),在保證滿足校驗(yàn)要求前提下,試塊進(jìn)入接 管的難度大。因此筆者采用長(zhǎng)氣缸驅(qū)動(dòng),避免了采 用絲杠驅(qū)動(dòng)的龐大體積。試塊采用6點(diǎn)支撐,分別 為齒輪箱安裝板上4點(diǎn),導(dǎo)桿吊架上2點(diǎn),保證試塊 伸出時(shí)校驗(yàn)機(jī)構(gòu)剛度滿足校驗(yàn)需求,同時(shí)減少試塊 前部撓曲變形對(duì)校驗(yàn)精度的影響。 

1.4 輔助機(jī)構(gòu) 

1.4.1 浮力塊裝置

檢測(cè)裝置共 有 7 塊 浮 力 塊,后 部 4 塊,前 部 3 塊。加裝浮力塊的目的是使檢測(cè)裝置在水中時(shí)基本 處于懸浮狀態(tài),驅(qū)動(dòng)螺旋槳只需要很小的力即可推 動(dòng)裝置上下移動(dòng)。浮力塊裝置可以微調(diào),其內(nèi)部被 分割為不同體積的小腔體,腔體內(nèi)填充泡沫。當(dāng)需 要調(diào)整檢測(cè)裝置在水中的平衡角度時(shí),只需增加或 去除小腔體內(nèi)的泡沫即可。

1.4.2 螺旋槳驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

由圖2所示,檢測(cè)裝置共有4個(gè)螺旋槳。三個(gè)安 裝在檢測(cè)裝置尾部,其中兩個(gè)水平,一個(gè)豎直;一個(gè)安 裝在檢測(cè)裝置頭部,端部效應(yīng)器周向零位時(shí)豎直。通 過控制兩個(gè)水平螺旋槳、兩個(gè)豎直螺旋槳的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn) 向可以實(shí)現(xiàn)檢測(cè)裝置四個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)(見圖5)。

1.4.3 端部效應(yīng)器機(jī)構(gòu)

檢測(cè)裝置共有兩個(gè)端部效應(yīng)器,其中端部效應(yīng)器1用于缺陷的檢出,端部效應(yīng)器2用于缺陷的定 量。端部效應(yīng)器1不僅安裝有超聲探頭,還安裝有 渦流探頭。渦流探頭用來定位待檢焊縫軸向位置, 進(jìn)而確定掃查的初始位置,提高掃查效率。因?yàn)橐? 次攜帶了缺陷檢出和缺陷定量?jī)蓚€(gè)端部效應(yīng)器進(jìn)入 接管內(nèi)部,所以可一次完成焊縫缺陷檢測(cè)的所有工 作,有效地避免了單個(gè)端部效應(yīng)器二次進(jìn)入接管時(shí) 的重復(fù)定位誤差問題。 

1.4.4 手動(dòng)送入機(jī)構(gòu) 

如圖2所示,檢測(cè)裝置尾部安裝有快接接頭。 當(dāng)螺旋槳出 現(xiàn) 故 障 裝 置 不 能 自 動(dòng) 進(jìn) 入 接 管 時(shí),可 將長(zhǎng)柄工具 與 快 接 接 頭 相 連,操 作 人 員 站 在 移 動(dòng) 臺(tái)架上,通過 水 下 電 視 監(jiān)

 把 檢 測(cè) 裝 置 送 入 接 管 內(nèi)部。 

2 氣路設(shè)計(jì) 

氣路設(shè)計(jì)原理如圖6所示。其低壓回路主要用 于保壓,高壓回路主要用于驅(qū)動(dòng)。所有氣缸工作于 差壓狀態(tài),在工作的任意時(shí)刻,氣缸的兩側(cè)都有壓 力,保證水不會(huì)通過氣缸的動(dòng)密封進(jìn)入氣缸內(nèi)部,導(dǎo) 致氣缸失效。同時(shí),低壓回路還與電機(jī)箱相通,保證 電機(jī)在水下工作時(shí)的可靠性。氣路中共設(shè)置3個(gè)氣 壓表,主要目的分別為監(jiān)測(cè)氣源輸出壓力、驅(qū)動(dòng)壓力 和保壓壓力,氣壓表安裝在控制柜面板上。考慮到 氣缸動(dòng)作時(shí)的排氣問題,低壓氣路中增加了一個(gè)溢 流閥,溢流閥的溢流壓力與低壓氣路壓力一致,溢流 閥的主要作用是增加低壓回路的排氣流量。

前夾緊氣缸和后夾緊氣缸的控制氣路中選用的 是三位五通中封閥,即使在斷氣的情況下,檢測(cè)裝置 依然能夠保持壓緊力,檢測(cè)裝置相對(duì)于接管的位置 不會(huì)發(fā)生改變。氣缸兩端的調(diào)速閥主要用來控制氣 缸進(jìn)給或回退的速度,提高工作效率。電氣比例閥 主要是用來控制探頭壓緊氣缸上的壓緊力,通過計(jì) 算機(jī)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制探頭的壓緊力,保證檢測(cè)數(shù) 據(jù)的真實(shí)性與可靠性。由于探頭校驗(yàn)時(shí)兩個(gè)端部效 應(yīng)器不能同時(shí)校驗(yàn)(以避免發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉),故每個(gè) 端部效應(yīng)器的伸縮氣缸需要單獨(dú)控制,可以用兩個(gè)兩位五通電磁閥實(shí)現(xiàn)。

3 控制系統(tǒng)

 控制系統(tǒng)的總體框圖如圖7所示。

主控控制 系 統(tǒng) 安 裝 在 集 裝 箱 內(nèi),現(xiàn) 場(chǎng) 安 裝 完 畢后,操作人 員 遠(yuǎn) 程 控 制 檢 測(cè) 裝 置 在 接 管 內(nèi) 的 動(dòng) 作。使用螺 旋 槳 安 裝 定 位 時(shí),主 控 制 系 統(tǒng) 向 控 制 螺旋槳的電 機(jī) 發(fā) 送 指 令,驅(qū) 動(dòng) 螺 旋 槳 將 檢 測(cè) 裝 置 推入接管。當(dāng)安裝在檢測(cè)裝置上的兩個(gè)限位開關(guān) 同時(shí)觸發(fā)時(shí),主控系統(tǒng)打開夾緊氣缸的電磁閥,完 成定位。 

檢測(cè)裝置機(jī)架上安裝有兩個(gè)霍爾傳感器用來 確定端部效應(yīng)器的軸向零位和周向零位。掃查缺 陷前,需 首 先 對(duì) 探 頭 做 校 驗(yàn) 記 錄,檢 查 系 統(tǒng) 靈 敏 度。端部效 應(yīng) 器 上 安 裝 有 一 小 型 攝 像 頭,可 以 觀 察到端部效 應(yīng) 器 氣 缸 的 伸 縮 狀 態(tài),監(jiān) 測(cè) 探頭運(yùn)動(dòng)過程。 

在焊縫缺陷檢測(cè)過程中,需要首先檢出缺陷,而 后再確定缺陷的大小即定量。缺陷檢出過程中,檢 測(cè)裝置的掃查速度很快,而缺陷定量過程中,檢測(cè)裝 置的掃查速度很慢。為提高檢測(cè)效率,節(jié)約檢測(cè)時(shí) 間,通過試驗(yàn)摸索,筆者確定了缺陷檢出和定量最合 理的運(yùn)動(dòng)參數(shù),并內(nèi)置到主控軟件模塊中。操作者 只需點(diǎn)擊缺陷檢出模式或定量模式,檢測(cè)裝置會(huì)按 照預(yù)定的最佳掃查速度運(yùn)動(dòng)。 

4 檢測(cè)試驗(yàn) 

所研制的接管安全端焊縫缺陷檢測(cè)裝置樣機(jī)實(shí)物 如圖8所示,主控制系統(tǒng)完成檢測(cè)裝置在接管外部及 內(nèi)部位姿調(diào)整動(dòng)作,實(shí)現(xiàn)裝置管內(nèi)快速定位功能;檢測(cè) 過程中,通過預(yù)設(shè)缺陷檢出與缺陷定量運(yùn)動(dòng)參數(shù),能有 效提高檢測(cè)效率且保證檢測(cè)質(zhì)量。筆者通過檢測(cè)試驗(yàn) 驗(yàn)證了接管安全端焊縫缺陷檢測(cè)裝置缺陷檢出工藝過 程設(shè)置合理,運(yùn)動(dòng)過程及機(jī)械結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠。

5 結(jié)語(yǔ) 

(1)研制了一種輕便型接管安全端焊縫缺陷檢 測(cè)裝置樣機(jī),為解決國(guó)內(nèi)核電站該焊縫缺陷檢測(cè)設(shè) 備結(jié)構(gòu)龐大、安裝困難、操作復(fù)雜等問題提供了一定 參考,有效提高了接管安全端焊縫缺陷的檢測(cè)效率。 

(2)該設(shè)備可靠的定位機(jī)構(gòu),合理的校驗(yàn)機(jī)構(gòu), 完善的周向和軸向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)可為同類設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 提供參考。 

(3)該設(shè)備采用高壓驅(qū)動(dòng)低壓保壓的氣路控制 模式,有效降低了水下工作時(shí)驅(qū)動(dòng)部件的故障率。

<文章來源 > 材料與測(cè)試網(wǎng)> 期刊論文 > 無損檢測(cè) > 44卷 > 6期 (pp:10-14)>