(中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 海鹽 314300)

反應(yīng)堆壓力容器控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)下部Ω焊縫在使用過程中受到高溫、高壓及高輻射等因素的共同作用，會產(chǎn)生裂紋、機(jī)械損傷、泄漏和外表缺陷(如變色、氧化、沉積物、銹皮或其他明顯污染等)等缺陷，嚴(yán)重影響機(jī)組的安全、經(jīng)濟(jì)、可靠運(yùn)行。

方家山核電站1號機(jī)組安裝期間，控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)現(xiàn)場焊接施工中在焊縫剖口以及母材區(qū)域發(fā)現(xiàn)大量的管座區(qū)域圓形顯示。國家核安全局在對方家山核電站1號機(jī)組役前檢查總報(bào)告的評價意見中提出，在每個換料大修期間，對控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)下部Ω焊縫及附近母材實(shí)施增強(qiáng)型目視檢查。

控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)下部Ω焊縫位于頂蓋上方底部，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以接近?，F(xiàn)有的高清攝像頭只能完成頂蓋邊緣部分檢查；如果采用超聲檢驗(yàn)和渦流檢驗(yàn)等體積檢查方案，需要完全拆除頂蓋上的線圈、電纜及儀表探頭等并研制復(fù)雜的專門檢查設(shè)備，預(yù)計(jì)每一組CRDM的拆裝及檢查時間長達(dá)5 h，需占用大量環(huán)吊和主線時間；同時環(huán)境劑量高和高度落差大，存在高輻射和安全風(fēng)險(xiǎn)。

因此，方家山核電站1號機(jī)組急需開發(fā)一套高清視頻檢查系統(tǒng)，在不拆除頂蓋上的線圈、電纜及儀表探頭等的情況下，對控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)下部Ω焊縫實(shí)施增強(qiáng)型目視檢驗(yàn)。

1 技術(shù)難點(diǎn)分析

1.1 檢查技術(shù)

目前，國內(nèi)視頻技術(shù)主流采用的是傳統(tǒng)的模擬視頻技術(shù)，簡稱CCTV(Close Cycle TV)，最高輸出的模式700TV線，解析和圖像清晰度與高清視頻技術(shù)存在一定差距，暫時沒有針對下部Ω焊縫的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)而開發(fā)的專用運(yùn)載設(shè)備；而增強(qiáng)型目視檢查要求來源于美國聯(lián)邦法規(guī)CFR50.55a要求，需通過高清視頻檢驗(yàn)裝置清晰分辨出0.025 mm細(xì)線。

方家山核電站機(jī)組控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)的下部Ω焊縫包括61根CRDM管座法蘭與控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)密封殼之間的密封焊縫、4根熱電偶組建陰法蘭密封焊縫。下部Ω焊縫結(jié)構(gòu)復(fù)雜，每根控制棒間距小，直徑大、呈現(xiàn)叢林分布，容許通過空間有限，并且每條下部Ω焊縫呈略帶圓弧狀斜向下方(如圖1所示)，檢查時不僅要對焊縫實(shí)施檢驗(yàn)，還需對焊縫周圍的熱影響區(qū)實(shí)施檢驗(yàn)。檢查難點(diǎn)在于頂蓋中間區(qū)域的焊縫難于接近，在檢查實(shí)施中為盡量減少不可達(dá)焊縫數(shù)量，需簡化檢查設(shè)備并縮小其體積。基于上述要求需研制一套集成度高、一體化的裝置對下部Ω焊縫實(shí)現(xiàn)高清視頻檢驗(yàn)。

圖1 下部Ω焊縫結(jié)構(gòu)圖

1.2 接近方式分析

研究下部Ω焊縫結(jié)構(gòu)特點(diǎn)后，確定在不拆除頂蓋上的圍板、電纜及儀表探頭等的情況下，檢查設(shè)備只能從上方或者側(cè)面進(jìn)入實(shí)施檢查。從上方進(jìn)入檢查即檢查設(shè)備從圍板邊緣上方(中部Ω焊縫附近)垂直進(jìn)入，待到達(dá)下部放至下部Ω焊縫處，通過檢查裝置的俯仰、旋轉(zhuǎn)等實(shí)施檢查；從側(cè)面進(jìn)入檢查即通過圍板側(cè)面的4個觀察窗口將設(shè)備深入至下部Ω焊縫處，通過檢查裝置的俯仰、旋轉(zhuǎn)等實(shí)施檢查。

1.2.1 檢查設(shè)備從頂蓋上方進(jìn)入

如不拆電纜及儀表探頭等設(shè)備，控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)間的間隙很窄，只能采用小尺寸的內(nèi)窺鏡探頭加載專用特殊裝置，在中部Ω焊縫之間行走、定位，并向下深入到達(dá)下部Ω焊縫，通過內(nèi)窺鏡探頭的旋轉(zhuǎn)、俯仰實(shí)現(xiàn)高清視頻檢查，控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)實(shí)際情況如圖2所示。

圖2 控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)現(xiàn)場實(shí)物圖

調(diào)研國內(nèi)外先進(jìn)的內(nèi)窺鏡探頭發(fā)現(xiàn)小角度(50°)探頭雖然景深大，但視角有限，會使檢查耗時相當(dāng)漫長；大角度(120°)探頭雖然視角變大，但景深小，無法滿足下部Ω焊縫的全覆蓋及靈敏度要求，并且由于控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)的叢林分布，位于頂蓋中間區(qū)域的Ω焊縫很難實(shí)現(xiàn)檢查，會存在大量不可達(dá)。因此檢查設(shè)備從上方實(shí)施檢查，設(shè)備復(fù)雜、不確定度大，存在很多不可達(dá)情況，工期漫長且難度大。

1.2.2 檢查設(shè)備從頂蓋側(cè)面進(jìn)入

檢查設(shè)備從側(cè)面進(jìn)入，到達(dá)下部Ω焊縫附近，使檢查裝置處于焊縫的水平區(qū)域或水平偏下區(qū)域，通過視頻裝置的旋轉(zhuǎn)、俯仰實(shí)現(xiàn)高清視頻檢查，由于控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)間的間隙很窄，可通過間隙之間的通道采用小尺寸視頻檢查裝置用運(yùn)載工具搭載攝像頭實(shí)現(xiàn)檢查。

調(diào)研國內(nèi)外小尺寸攝像頭，將攝像頭的外徑尺寸控制在控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)之間最小間隙尺寸一半以內(nèi)，可保證攝像頭在間隙內(nèi)自如的旋轉(zhuǎn)及俯仰，檢查裝置通過通道到達(dá)下部Ω焊縫附近，攝像頭的視角及景深均比內(nèi)窺鏡大很多，這樣的視角可擴(kuò)大焊縫的單次覆蓋范圍，大大縮短檢查時間，并且在近距離情況下可滿足檢查的靈敏度要求。

充分考慮了檢查時間、檢查環(huán)境、檢查位置、檢查設(shè)備及搭載工具研制等綜合因素，檢查設(shè)備從上方實(shí)施檢查，拆除線圈等設(shè)備占用主線時間長，存在高劑量照射風(fēng)險(xiǎn)和高空風(fēng)險(xiǎn)；增強(qiáng)型目視檢查設(shè)備從下方觀察窗口進(jìn)入是最為有效、可靠的方法。

2 檢查技術(shù)開發(fā)

2.1 檢查方案設(shè)計(jì)

頂蓋圍板上有4個帶有一定斜度的觀察窗口，尺寸約為600 mm ×460 mm，分別分布在頂蓋的0°、90°、180°、270°方位之間，通過觀察窗口測得控制棒間水平間距最小約為110 mm，下部Ω焊縫距下部保溫間距約為400 mm(如圖3～圖5所示)，由于觀察窗口很小，在不拆除圍板的情況下設(shè)備只能通過觀察窗口進(jìn)行，并且由于下部Ω焊縫之間的距離很小，檢查設(shè)備不能發(fā)生轉(zhuǎn)彎，只能通過攝像頭自身的俯仰及旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)檢查。

圖3 觀察窗口實(shí)物圖

圖4 控制棒間水平間距

圖5 下部Ω焊縫距保溫間距

將4個觀察窗口的位置依次命名為1號(位于頂蓋270°～360°)，2號(位于頂蓋0°～90°)，3號(位于頂蓋90°～180°)，4號(位于頂蓋180°～270°)，并且4個觀察窗口與0°～180°或90°～270°的連線約成45°。

根據(jù)這些特定條件采用檢查設(shè)備直進(jìn)直出和斜進(jìn)斜出方式進(jìn)行檢驗(yàn)。與0°～180°或90°～270°方向平行進(jìn)出檢驗(yàn)稱為直進(jìn)直出檢驗(yàn)；與0°～180°或90°～270°方向成45°進(jìn)出檢驗(yàn)稱為斜進(jìn)斜出檢驗(yàn)(如圖6所示)。

圖6 檢查窗口及控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)坐標(biāo)

攝像頭安裝在長桿運(yùn)載工具上通過4個觀察窗口從兩個相鄰控制棒中間位置往內(nèi)部運(yùn)送，在每個觀察孔之間檢查時，以每個檢查通道最近端視點(diǎn)為檢查起始點(diǎn)，由近及遠(yuǎn)逐個檢查通道內(nèi)一側(cè)的Ω焊縫，待一側(cè)檢查完成后，將設(shè)備視角旋轉(zhuǎn)180°由遠(yuǎn)及近逐個檢查通道內(nèi)另一側(cè)的Ω焊縫，通過直進(jìn)直出和斜進(jìn)斜出方式完成所有檢查通道實(shí)現(xiàn)所有下部Ω焊縫的全部檢查。

2.2 檢查裝置開發(fā)

控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)下部Ω焊縫視頻檢驗(yàn)系統(tǒng)主要包括攝像設(shè)備、運(yùn)載工具、錄像系統(tǒng)及照明設(shè)備等組成，針對叢林結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)出一套簡易輕便的搭載裝置，最后進(jìn)行聯(lián)合統(tǒng)一調(diào)試。

視頻檢查設(shè)備采用高清技術(shù)，可進(jìn)行多角度觀察和縮放觀察、水平旋轉(zhuǎn)和垂直俯仰功能，并自帶照明系統(tǒng)，設(shè)備能分辨出0.025 mm的人工傷或細(xì)線。

根據(jù)控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)間的間隙，設(shè)計(jì)加工專用運(yùn)載工具，用于運(yùn)載攝像設(shè)備到達(dá)指定檢驗(yàn)區(qū)域，包括長桿和軟片。長桿用于檢驗(yàn)中間區(qū)域，長度為2 m左右，且長桿一端可連接攝像頭，另一端有固定把手以便檢驗(yàn)人員操控長桿；軟片用于檢驗(yàn)四周與圍板相鄰區(qū)域，軟片應(yīng)有一定硬度，長度為2 m左右。

連接好的視頻檢查系統(tǒng)，測試攝像頭系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)、俯仰等功能，視頻采集、錄像、刻錄等功能正常后，將經(jīng)校驗(yàn)并在有效期內(nèi)的標(biāo)定試板模擬現(xiàn)場檢查環(huán)境放在模擬體的下部Ω焊縫附近，使用研制好的視頻檢查裝置對檢查系統(tǒng)進(jìn)行功能校驗(yàn)，結(jié)果視頻檢查系統(tǒng)在70 mm處能清晰的分辨出試板上0.025 mm的細(xì)線，靈敏度校驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 0.025 mm試板標(biāo)定截圖(75 mm處)

2.3 檢查實(shí)施方案

頂蓋上觀察窗口打開后，檢驗(yàn)人員通過專用工具將高清視頻檢驗(yàn)設(shè)備送到檢驗(yàn)視點(diǎn)，通過調(diào)整攝像頭俯仰、旋轉(zhuǎn)、放大、縮小、聚焦等功能實(shí)施視點(diǎn)周邊所有下部Ω焊縫的高清視頻檢驗(yàn)，檢驗(yàn)通道由左到右，檢驗(yàn)視點(diǎn)進(jìn)入時由近到遠(yuǎn)，撤出時由遠(yuǎn)到近。

每個檢查窗口有4個直通道，面向觀察窗口從右到左定義為Z0、Z1、Z2和Z3，每個小方框中心位置定義為1個觀察視點(diǎn)，4個檢驗(yàn)直通道視點(diǎn)由遠(yuǎn)及近定義為Z0-1～Z0-4、Z1-1～Z1-7、Z2-1～Z2-11和Z3-1～Z3-9；每個觀察窗口有2個斜通道，面向觀察窗口從右到左定義為通道X1和X2，檢查通道上行與列交叉位置定義為1個觀察視點(diǎn)，行號加列號定義該視點(diǎn)。

每個通道進(jìn)入時，觀察通道右邊一排控制棒下部Ω焊縫，退出時，觀察通道左邊一排控制棒下部Ω焊縫。

(1)斜通道檢驗(yàn)

攝像頭被安裝在長桿運(yùn)載工具上通過4個觀察窗口后從兩個相鄰控制棒斜邊中間位置進(jìn)出，進(jìn)入時由近及遠(yuǎn)依次通過每個視點(diǎn)，到達(dá)每個視點(diǎn)后通過攝像頭控制器調(diào)整攝像頭俯仰、旋轉(zhuǎn)、放大、縮小、聚焦等功能實(shí)施該視點(diǎn)右側(cè)周圍所有能觀察到的控制棒下部Ω焊縫的電視檢驗(yàn)，該視點(diǎn)周圍焊縫檢驗(yàn)完成后緩慢向內(nèi)移動至下一視點(diǎn)，依次完成該通道所有視點(diǎn)右側(cè)檢驗(yàn)，當(dāng)完成每個通道最前端視點(diǎn)檢驗(yàn)時，旋轉(zhuǎn)攝像頭進(jìn)行該通道左側(cè)下部Ω焊縫檢驗(yàn)，完成該視點(diǎn)后緩慢向外移動至下一視點(diǎn)，依次完成該通道所有視點(diǎn)左側(cè)檢驗(yàn)，如圖8所示。

圖8 斜進(jìn)斜出檢查通道示意

(2)直通道檢驗(yàn)

攝像頭被安裝在長桿運(yùn)載工具上通過4個觀察窗口后從兩個相鄰控制棒中間位置進(jìn)出，進(jìn)入時由近及遠(yuǎn)依次通過每個視點(diǎn)，到達(dá)每個視點(diǎn)后通過攝像頭控制器調(diào)整攝像頭俯仰、旋轉(zhuǎn)、放大、縮小、聚焦等功能實(shí)施該視點(diǎn)右側(cè)周圍所有能觀察到的控制棒下部Ω焊縫的電視檢驗(yàn)，該視點(diǎn)周圍焊縫檢驗(yàn)完成后緩慢向內(nèi)移動至下一視點(diǎn)，依次完成該通道所有視點(diǎn)右側(cè)檢驗(yàn)，當(dāng)完成每個通道最前端視點(diǎn)檢驗(yàn)時，旋轉(zhuǎn)攝像頭進(jìn)行該通道左側(cè)下部Ω焊縫檢驗(yàn)，完成該視點(diǎn)后緩慢向外移動至下一視點(diǎn)，依次完成該通道所有視點(diǎn)左側(cè)檢驗(yàn)，如圖9所示。

圖9 直進(jìn)直出檢查通道示意

3 實(shí)施效果

方家山核電站1號機(jī)組QF-OT101大修期間，采用研究設(shè)計(jì)的控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)下部Ω焊縫增強(qiáng)型目視檢查技術(shù)對所有受檢對象完成100%目視檢查。

檢查開始前，首先對檢驗(yàn)設(shè)備系統(tǒng)進(jìn)行了分辨率校驗(yàn)，確定檢驗(yàn)系統(tǒng)能清晰分辨出高分辨試板上0.025 mm的細(xì)線后再開始實(shí)施檢查。按照創(chuàng)新設(shè)計(jì)的檢查方案，完成了61根CRDM管座法蘭與控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)密封殼之間的密封焊縫、4根熱電偶組建陰法蘭密封焊縫的全部檢查工作，所有受檢部位均清晰可見，無不可達(dá)區(qū)域，如圖10所示。

圖10 下部Ω焊縫檢查截圖

根據(jù)檢查結(jié)果，控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)下部Ω焊縫所有受檢區(qū)域均無任何異常顯示，圓滿完成了國家核安全局提出的檢查要求，證明方家山核電站1號機(jī)組控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)下部Ω焊縫經(jīng)過首個燃料循環(huán)后并無任何失效跡象，為下個燃料循環(huán)的安全運(yùn)行提供保障。

創(chuàng)新的檢查技術(shù)在方家山核電站1號機(jī)組QF-OT101大修成功運(yùn)用后，已推廣到方家山核電站2號機(jī)組QF-OT201大修、秦山第二核電廠Q2-OT211大修等秦山地區(qū)M310機(jī)組的多次大修中使用，各次大修中的控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)下部Ω焊縫增強(qiáng)型目視檢查均取得了良好效果。

4 結(jié)論

針對國家核安全局提出控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)下部Ω焊縫增強(qiáng)型目視檢查的要求，通過對受檢對象、檢查技術(shù)、接近方式等關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)一套創(chuàng)新的檢查方案與技術(shù)并成功應(yīng)用于方家山現(xiàn)場，取得了以下成果：

1)國內(nèi)首次開發(fā)出分辨力達(dá)到0.025 mm的人工傷或細(xì)線的視頻檢查技術(shù)。常用方法一般要求能分辨出0.8 mm的人工傷或細(xì)線，此次開發(fā)的增強(qiáng)型目視檢查技術(shù)的分辨力高于國內(nèi)一般使用分辨率試板(最高的分辨能力0.2 mm)，0.025 mm分辨率已經(jīng)達(dá)到目前國內(nèi)視頻技術(shù)分辨的最高標(biāo)準(zhǔn)。

2)國內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)從通風(fēng)板完成CRDM下部Ω焊縫檢查，在不降低檢查效果的前提下，簡約工作流程。相比從頂蓋上方進(jìn)入的傳統(tǒng)檢查方式，控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)下部Ω焊縫增強(qiáng)型目視檢查技術(shù)只需打開圍板的觀察孔，節(jié)約大量的大修關(guān)鍵路徑時間。

3)國內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)CRDM下部Ω焊縫100%全覆蓋高清視頻檢查。與常用的直接目視方法相比，擴(kuò)大檢查范圍，提高檢查的穩(wěn)定性，且高清視頻數(shù)據(jù)具備可重復(fù)分析的能力。

4)通過該檢查技術(shù)在中核運(yùn)行的成功應(yīng)用，證明增強(qiáng)型目視檢查技術(shù)在核電無損檢驗(yàn)中可以作為一些部件無法實(shí)施體積檢驗(yàn)方法的替代手段，輔助評價設(shè)備安全性，應(yīng)用前景廣闊，可推廣至其他壓水堆機(jī)組應(yīng)用。