彭恭斌　張志鵬　柯濤　王羽翀

摘 要

核電廠異物的產(chǎn)生將會導(dǎo)致系統(tǒng)設(shè)備降級或功能異常，嚴(yán)重時將直接損壞設(shè)備，導(dǎo)致核安全事故事件發(fā)生，直接威脅核電廠的安全穩(wěn)定運行。本文介紹了國內(nèi)外異物探查和俘獲的一些先進(jìn)技術(shù)，結(jié)合日常工作經(jīng)驗和對幾種主要的異物探查和俘獲方法的分析比對，歸納總結(jié)了一套行之有效的異物探查和俘獲工序，對提高核電廠異物探查和俘獲有一定的實用價值。

關(guān)鍵詞

核電廠;異物;探查;俘獲

中圖分類號： TM623 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.11.054

0 前言

異物是指在核電廠系統(tǒng)、設(shè)備自身以外的，進(jìn)入、遺留或存在于系統(tǒng)設(shè)備中對系統(tǒng)設(shè)備運行和性能造成不利影響的物項。異物在系統(tǒng)和設(shè)備中，會造成管道的意外磨損，導(dǎo)致設(shè)備降級或功能異常，嚴(yán)重時將直接導(dǎo)致設(shè)備損壞。泥沙和沉淀還可能堵塞儀表管，造成錯誤顯示，釀成事故。如果異物進(jìn)入到堆芯或一回路系統(tǒng)中，可能導(dǎo)致燃料組件包殼破損，使輻射水平增高以及放射性污染擴(kuò)散，異物還可能破壞邊界（過濾器濾網(wǎng)、化學(xué)處理器），造成系統(tǒng)設(shè)備失效，直接威脅核電廠的安全穩(wěn)定運行。

核電廠異物來源主要有以下幾個方面：首先是在設(shè)備制造、安裝和檢修期間的異物控制不足，防異物措施不到位，使異物進(jìn)入到設(shè)備和系統(tǒng)中;其次在系統(tǒng)運行過程中，設(shè)備磨損、破損、松動和脫落都會產(chǎn)生的異物，系統(tǒng)在高溫和高速流體的沖刷下會產(chǎn)生磨損，甚至還會造成設(shè)備內(nèi)部保護(hù)層的脫落，產(chǎn)生大量異物;同時高溫、弱酸的傳導(dǎo)介質(zhì)會銹蝕系統(tǒng)設(shè)備，從而產(chǎn)生異物。在停堆大修期間，人因過失也會產(chǎn)生異物，設(shè)備安裝不可靠，防防脫落措施不完善，造成設(shè)備整體或零部件脫落，會產(chǎn)生異物。

1 核電廠異物現(xiàn)狀

1.1 異物的種類

異物種類很多，為有針對性地采取探查和俘獲措施，主要將核電廠的異物按以下幾種方法分類。

1）按異物的外廓尺寸和重量分類，可分為：

（1）微粒：粉塵、氣溶膠等;

（2）顆粒：1-10mm毫米級;

（3）小件：外廓尺寸為10mm～100mm級，或重量小于1kg;

（4）大件：外廓尺寸大于100mm，或重量超過1kg。

2）按異物形態(tài)分類，可分為：

（1）氣態(tài)：浮塵、氣溶膠等;

（2）液態(tài)：油性、水性等;

（3）固態(tài)：粉末狀、泥沙狀、顆粒狀、塊狀等。

1.2 異物的產(chǎn)生場所

在核電廠停堆大修期間，設(shè)備集中檢修，是異物形成的高發(fā)期，以下是異物的主要產(chǎn)生時機(jī)和場所：

1）容器類設(shè)備開人孔蓋及開封頭檢查;

2）池邊、坑邊的各類作業(yè);

3）泵類設(shè)備開蓋檢查;

4）熱交換器類設(shè)備開人孔蓋、端蓋檢查;

5）閥類設(shè)備開閥蓋檢查;

6）工藝系統(tǒng)管道內(nèi)部檢查;

7）電氣/儀控盤、柜檢修（交叉作業(yè)有異物落入的風(fēng)險時）。

2 異物的探查

2.1 異物的探查方法

異物俘獲的前提是探查到異物，探查異物的手段主要有目視、射線、聲吶等多種方法，其中目視是最直接有效的方法，目視方法又可分為直接目視和間接目視。直接目視是利用肉眼直接觀察的探查方法，當(dāng)能充分靠近目標(biāo)，眼睛離被檢表面不超過610mm，與被檢表面所成的視角不小于30°時，則一般可采用直接目視方法，觀察時可以采用反光鏡來改善探查角度，并可借助放大鏡來進(jìn)行探查。間接目視是指借助內(nèi)窺鏡、水下電視檢查系統(tǒng)、爬行器（異物檢查機(jī)器人）等輔助設(shè)備進(jìn)行觀察的目視方法。

無論選擇哪一種目視方法，都應(yīng)該能達(dá)到以下幾個目的：

1）判定出異物的方位和屬性（主要指外廓和重量），以便合理地選用俘獲設(shè)備和俘獲方法;

2）判定環(huán)境條件，選擇合理的俘獲時機(jī);

3）在俘獲操作中，給操作人員提供引導(dǎo);

4）觀察并評估異物俘獲后的效果。

2.2 異物探查常用設(shè)備

間接目視常用的探查設(shè)備主要有工業(yè)電子內(nèi)窺鏡、水下電視檢查系統(tǒng)、爬行器（異物檢查機(jī)器人）等。

2.2.1 工業(yè)電子內(nèi)窺鏡

工業(yè)電子內(nèi)窺鏡適用于容器內(nèi)部狹小空間的探查，以及壓力管道內(nèi)部異物狀況的快速視頻診斷。

工業(yè)電子內(nèi)窺鏡一般可四方向擺頭，運動靈活，最小的內(nèi)窺鏡直徑只有1.8mm。工業(yè)內(nèi)窺鏡的缺點是視野小，景深?。?0～100mm），大面積檢查時效率低，不適合遠(yuǎn)距離檢查。工業(yè)電子內(nèi)窺鏡一般都具有定量測量功能，并融合了最新的計算機(jī)數(shù)字存儲處理技術(shù)。電子內(nèi)窺鏡不是通過光學(xué)鏡頭或光導(dǎo)纖維傳導(dǎo)圖像，而是通過裝在內(nèi)窺鏡前端的光電耦合元件CCD將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，再?jīng)過圖像處理器重建高清晰度圖像顯示在監(jiān)視器屏幕上。

國際主流的工業(yè)電子內(nèi)窺鏡廠家有美國韋林（Everest）、德國沃勒（Whler）、日本奧林巴斯（OLYMPUS），以下是兩種具有代表性的內(nèi)窺鏡產(chǎn)品。

a）Everest XLG3工業(yè)視頻內(nèi)窺鏡系統(tǒng)

Everest XLG3工業(yè)內(nèi)窺鏡具有40萬像素，景深范圍10mm～100mm，可迅速識別和測量異物，能將檢測數(shù)據(jù)實時寫入內(nèi)置DVD/CD，然后連接到因特網(wǎng)通過電子郵件傳輸報告。Everest XLG3工業(yè)內(nèi)窺鏡有精密的影像控制功能，通過亮度調(diào)節(jié)，能在任何探查環(huán)境實現(xiàn)自動或手動曝光，系統(tǒng)使用可互換的QuickChange探頭，能夠迅速重新配置手持部分的探頭直徑和長度，以獲得最大檢測能力。

b）德國韋沃VS600工業(yè)內(nèi)窺鏡

德國韋沃VS600工業(yè)內(nèi)窺鏡外觀如圖1所示。VS600內(nèi)窺鏡具備JVC 彩色工業(yè)控制箱系統(tǒng)、60米硬度推索收放器和具備激光測量功能的RS02-PL 彩色旋轉(zhuǎn)鏡頭，適用于管徑26mm-600mm管道的內(nèi)部異物的快速視頻診斷和測量。檢測長度為20米和60米，防水標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到IP68，承受壓力為5bar，特別適合壓力容器內(nèi)部、各類核電壓力管道以及水下帶壓探查。

2.2.2 水下電視檢查系統(tǒng)（CATU 系列產(chǎn)品）

CATU水下視頻檢查系統(tǒng)在核電領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛，如反應(yīng)堆壓力容器內(nèi)表面檢查、核燃料外觀及裝料后燃料盤存、燃料破損視頻檢查、乏燃料水池視頻檢查等。

水下電視檢查系統(tǒng)CATU 系列產(chǎn)品一般具有鏡頭自動手動變倍、變焦控制功能，手動調(diào)光功能，可承受3bar以上的水壓，在清澈的水下，自帶的照明也能清晰地分辨出1800mm以內(nèi)0.4mm的人工傷。CATU 系列產(chǎn)品還有一定的耐輻照能力，例如CATU160系列一般可在劑量率小于10Gy/hr的輻照環(huán)境中正常工作，累積劑量可達(dá)600Gy。它還配置了激光器附件，可以對異物的外形進(jìn)行測量，為探查人員評估異物重量提供依據(jù)，以制定俘獲方案。正因如此，CATU160水下視頻系統(tǒng)在電視檢查系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于核電廠的異物探查工作中。

目前我國內(nèi)較為成熟的產(chǎn)品是CATU160型水下電視檢查系統(tǒng)，其性能參數(shù)見表1。

2.2.3 管道爬行器

管道爬行器是檢查管道內(nèi)表面的利器，它可以進(jìn)入管道數(shù)百米，有一定的爬坡、越障能力，自身配備定焦攝像頭和照明系統(tǒng)，具有一定的防水功能。

目前國際成熟的產(chǎn)品是ROVVER系列爬行器，該系列產(chǎn)品主要有ROVVER400、ROVVER 600、ROVVER 900等型號。以ROVVER 600為例，其配置的鏡頭為1/2in color CCD，具有38萬像素，有效爬行距離為200m，防水深度10m，具體構(gòu)成見圖2。

國內(nèi)爬行器生產(chǎn)廠家也較多，但性能與ROVVER系列爬行器相比還有一定差距，在核電行業(yè)內(nèi)應(yīng)用不多。

2.2.4 其他輔助設(shè)備

除上述設(shè)備外，為了迅速準(zhǔn)確地探查異物，還需要使用輔助照明設(shè)備、輔助監(jiān)視設(shè)備和記錄設(shè)備等。輔助照明設(shè)備主要有強(qiáng)力探照燈、水下燈，輔助監(jiān)視設(shè)備包括各類監(jiān)視器，記錄設(shè)備主要有采集分析計算機(jī)、各類相機(jī)、錄像機(jī)等。

2.3 探查系統(tǒng)的標(biāo)定

無論使用哪種探查系統(tǒng)，在探查前都應(yīng)對探查系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，確保探查結(jié)果的準(zhǔn)確性，探查系統(tǒng)的標(biāo)定應(yīng)按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。標(biāo)定主要針對系統(tǒng)靈敏度和激光標(biāo)尺，系統(tǒng)靈敏度的標(biāo)定一般是依據(jù)ASME標(biāo)準(zhǔn)，即在反射率為18%的灰度卡至少能分辨出0.8mm的黑線，激光標(biāo)尺的標(biāo)定是保證測量準(zhǔn)確性的前提，激光標(biāo)尺影響測量異物大小的準(zhǔn)確性，進(jìn)而影響異物俘獲的方案。

3 異物的俘獲

探查主要是為了發(fā)現(xiàn)異物從而進(jìn)行分析和判斷異物的性質(zhì)，然而探查到異物并不是最終目的，如何將異物順利俘獲，排除隱患才是最終目的。

3.1 異物俘獲的時機(jī)

核電廠換料大修期間會有大量的開口作業(yè)或池邊、坑邊作業(yè)，同時有大量的設(shè)備解體，這是異物產(chǎn)生的高發(fā)期，也是需要重點防范的階段，同時也是異物俘獲的最佳時機(jī)。

3.2 異物俘獲的方法

核電廠異物按俘獲方法可以分為吸塵和直接抓取。

3.2.1 核設(shè)施的吸塵

核設(shè)施的吸塵主要是使用吸塵器對核設(shè)施的環(huán)境和表面進(jìn)行吸塵，以去除核設(shè)施所處環(huán)境或表面的微粒狀異物或顆粒狀異物。吸塵法按使用環(huán)境又可分為水下吸塵法和水上吸塵器法，吸塵法使用的主要工具有水下工業(yè)吸塵器和水上吸塵器。不論哪種吸塵法，都必須使用直接或間接目視進(jìn)行導(dǎo)引并評估吸塵效果。

3.2.2 異物的直接抓取

核電廠異物直接抓取的方法有磁力吸附、機(jī)械抓取、遙控機(jī)器人抓取和真空吸附等。每種俘獲方法均有其適應(yīng)范圍，可以單獨使用，也可聯(lián)合使用。圖3為美國韋林（Everest）工業(yè)內(nèi)窺鏡配套的專用抓取工具，它適合顆粒和小件異物的抓取。

3.2.3 自動（半自動）抓取

自動（半自動）抓取要是利用自動（半自動）抓取設(shè)備，在輔助監(jiān)視設(shè)備的引導(dǎo)下，完成異物的抓取工作。自動（半自動）抓取工具種類很多，按抓取動力分可為氣動抓取工具和電動抓取工具。氣動抓取工具抓取動力來自壓縮空氣，控制系統(tǒng)也以氣動元件為主，執(zhí)行機(jī)構(gòu)為氣夾、吸盤等，氣夾、吸盤工作原理簡單，防水性強(qiáng)，便于維修和安裝。電動抓取工具抓取動力來自電源，驅(qū)動系統(tǒng)以電器元件為主，執(zhí)行機(jī)構(gòu)為電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)中又可分為擺動執(zhí)行機(jī)構(gòu)和直線運動執(zhí)行機(jī)構(gòu)。為達(dá)到滿意的效果，通常將兩種方法組合使用。

3.3 典型的異物俘獲工具

為達(dá)到最佳抓取效果，一般要將抓取設(shè)備裝載到運載設(shè)備或支持設(shè)備上，制成專用的異物俘獲工具，這些設(shè)備主要有管道爬行器、打撈機(jī)械手等。

例如ROVVER 600爬行器（可在水下使用），是目前國內(nèi)使用較普遍的異物俘獲設(shè)備。該設(shè)備由水下爬行機(jī)、二維云臺、電視攝像系統(tǒng)、圖像壓縮存儲系統(tǒng)、機(jī)械手和操控器等部分組成。機(jī)械手可以拾取諸如螺絲刀、扳手等大件的異物，打撈異物的重量可達(dá)2kg，該爬行器集光學(xué)、精密機(jī)械、自動控制、信息處理技術(shù)和系統(tǒng)集成于一體，具有對水下目標(biāo)的自動識別、探測、作業(yè)等能力。

3.4 異物取出后的處理

異物取出后，應(yīng)逐一登記并拍照，登記內(nèi)容包括異物的材質(zhì)、形狀、尺寸、重量、歸屬等特性，并由參與見證人員簽字。異物若有放射性沾污的可能，應(yīng)首先進(jìn)行放射性活度的測量，查明情況后，交相關(guān)部門按放射性物品處理，相關(guān)部門對異物產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，并給出處理意見。若異物是設(shè)備零部件意外脫落，應(yīng)制定相應(yīng)的防松措施。

4 結(jié)束語

異物直接影響核電廠的穩(wěn)定運行，是核安全的重大威脅，因此對異物進(jìn)行探查和俘獲顯得意義重大。在異物產(chǎn)生后，通過正確的探查方法獲取異物的種類，分析異物產(chǎn)生的原因，從而選擇最合適的異物俘獲工具，制定相應(yīng)的俘獲步驟，對異物的順利俘獲起著至關(guān)重要的作用。隨著核工業(yè)的發(fā)展，投入運行的核電機(jī)組越來越多，異物的探查和俘獲技術(shù)會得到更加廣闊的應(yīng)用，但是從根本上來說，對于異物事件的控制，將異物事件的產(chǎn)生的概率降到最低，是核電廠運行過程中更需要關(guān)注的問題。

參考文獻(xiàn)

[1]核電廠維修（1993年修訂）HAD103/08.

[2]秦山核電廠下部堆內(nèi)構(gòu)件修復(fù)程EN2.7.1—CQIN—1，（EN2.7.1—CQIN-1： Qinshan Unit I Lower Internals Recovery）.

[3]防止核電廠重大事故的重點要求，中國核工業(yè)集團(tuán)公司.

[4]《防異物宣傳手冊》大亞灣核電營運管理有限責(zé)任公司維修部，2008年10月.

[5]異物排除 江蘇核電有限公司，2008/11/24.