吳東棟 管朝鵬 陳 姝 桂 亮

（核動(dòng)力運(yùn)行研究所，湖北 武漢430223）

0 引言

保護(hù)管組件是VVER型反應(yīng)堆壓力容器的堆芯上部支撐構(gòu)件，是核設(shè)備中最關(guān)鍵的設(shè)備之一，對(duì)核電站的安全運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用[1]。按照相關(guān)法規(guī)，需要對(duì)保護(hù)管組件進(jìn)行定期的視頻檢查。對(duì)保護(hù)管的檢查內(nèi)容主要包括：外筒體多條環(huán)焊縫和底部下格柵表面，如圖1所示。采用的檢查方法為視頻檢查。目前，常用的檢查設(shè)備為俄羅斯的CK54視頻檢查裝置，該檢查裝置結(jié)構(gòu)和重量比較大，調(diào)試和安裝時(shí)都需要吊環(huán)配合?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)施時(shí)，檢查裝置可以控制檢測(cè)攝像頭沿著保護(hù)管組件筒體外表面的軸向，以及底部下格柵表面的徑向移動(dòng)，然后通過(guò)環(huán)吊和專用吊具控制保護(hù)管組件原地旋轉(zhuǎn)，這樣就可以完成外筒體多條環(huán)焊縫和底部下格柵表面的視頻檢查。整個(gè)檢查過(guò)程需要保護(hù)管組件旋轉(zhuǎn)10多圈。由于環(huán)吊在整個(gè)大修為主線，因此，縮短環(huán)吊占用時(shí)間即可縮短大修時(shí)間。本文設(shè)計(jì)了一種浮游式水下機(jī)器人，用于保護(hù)管組件底部下格柵表面的視頻檢查，該設(shè)備在調(diào)試和現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)可完全擺脫環(huán)吊，因此，可大大地節(jié)約整個(gè)大修的主線時(shí)間。

圖1 VVER型反應(yīng)堆保護(hù)管組件

1 工作原理

浮游式水下機(jī)器人是一種能在水下靈活運(yùn)動(dòng)的裝置[2]。工作時(shí)，整個(gè)保護(hù)管組件放置于檢查井內(nèi)，檢查井內(nèi)充滿水。浮游式水下機(jī)器人先游至保護(hù)管組件的下部，固定好深度后，從角上的一個(gè)下格柵表面特征孔開(kāi)始，在水平面上運(yùn)動(dòng)，按照矩形軌跡逐行對(duì)每個(gè)特征孔進(jìn)行視頻檢查，如圖2所示。檢查完畢，將浮游式水下機(jī)器人游動(dòng)至檢查井的表面。

圖2 浮游式水下機(jī)器人工作原理

2 系統(tǒng)組成

浮游式水下機(jī)器人系統(tǒng)主要包括：浮游機(jī)器人本體、浮游機(jī)器人控制箱、遙控手柄、監(jiān)視器和臍帶纜等，如圖3所示。每一部分作用如下：

圖3 浮游式水下機(jī)器人系統(tǒng)組成

1）浮游機(jī)器人本體：整個(gè)系統(tǒng)的執(zhí)行單元，工作時(shí)位于保護(hù)管組件檢查井的水池內(nèi)，水池是高輻射區(qū)。主功功能是能在水中自由運(yùn)動(dòng)，能采集水下環(huán)境視頻信息和機(jī)器人本體信息（例如深度、姿態(tài)等），同時(shí)能夠提供水下輔助照明。

2）浮游機(jī)器人控制箱：整個(gè)系統(tǒng)的控制單元，工作時(shí)放置于水池邊的低輻射區(qū)。用于控制浮游裝置的運(yùn)動(dòng)，顯示浮游裝置運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、運(yùn)動(dòng)姿態(tài)和傳感器信息；控制攝像頭（云臺(tái)、燈光和鏡頭等），顯示攝像頭采集的視頻信息，并能截圖和錄像。

3）遙控手柄：用于方便控制浮游機(jī)器人的水下運(yùn)動(dòng)，也可控制輔助水下燈和攝像頭。

4）監(jiān)視器：用于放大顯示攝像頭的圖像信息。

5）臍帶纜：用于連接浮游機(jī)器人本體和控制箱。

3 浮游機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)

浮游機(jī)器人本體是整個(gè)系統(tǒng)的執(zhí)行單元，在結(jié)構(gòu)上主要包括：機(jī)架組件、浮塊組件、推進(jìn)器、電子艙、攝像頭和輔助水下燈[3]，如圖4所示。其中，機(jī)架組件是浮游機(jī)器人本體的安裝基礎(chǔ)。浮塊組件的作用為浮游機(jī)器人本體提供浮力，使整個(gè)浮游機(jī)器人在水下為零重力狀態(tài)。推進(jìn)器為浮游機(jī)器人的水下運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力，共6個(gè)，垂直方向2個(gè)，水平方向4個(gè)。攝像頭為一個(gè)帶兩軸云臺(tái)的攝像頭，用于保護(hù)管組件底部下格柵表面的視頻檢查，位于機(jī)器人的中間，垂直安裝，攝像頭的方向朝上，可以沿機(jī)器人前后擺動(dòng)。輔助水下燈共兩個(gè)，為浮游機(jī)器人提供額外的照明，以保證攝像頭的圖像采集質(zhì)量。電子艙組件是浮游機(jī)器人控制系統(tǒng)電的下位機(jī)，用于控制攝像頭、水下燈等，同時(shí)安裝各種傳感器，用于檢測(cè)浮游機(jī)器人的姿態(tài)和深度等信息[4，5]。

圖4 浮游機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)

4 調(diào)試及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

浮游機(jī)器人裝配后，在模擬水池進(jìn)行了調(diào)試并應(yīng)用于VVER型反應(yīng)堆保護(hù)管組件底部下格柵表面的視頻檢查?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)施中，浮游機(jī)器人可以在保護(hù)管組件檢查井的水池內(nèi)靈活運(yùn)動(dòng)，下水定深可靠，可沿著特征孔進(jìn)行矩形掃查，攝像頭進(jìn)行視頻采集質(zhì)量可靠。整個(gè)檢查過(guò)程完全不占用環(huán)吊，可大大地節(jié)約主線時(shí)間，如圖5所示。

圖5 浮游機(jī)器人現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

1）布置場(chǎng)地，連接浮游式底部配合面檢查裝置和長(zhǎng)桿攝像頭系統(tǒng)，并接線進(jìn)行岸上調(diào)試；

2）通過(guò)吊裝長(zhǎng)桿將浮游裝置吊到保護(hù)管組件檢查井的開(kāi)槽中，然后脫鉤；

3）控制浮游裝置浮到水表面時(shí)讀深度傳感器的值，測(cè)量水深，計(jì)算出浮游裝置相對(duì)于保護(hù)管組件的高度位置；

4）控制浮游裝置下潛到保護(hù)管組件的底部，使浮游裝置的上表面與保護(hù)管組件的底部相差1 m，打開(kāi)定深開(kāi)關(guān)；

5）控制浮游裝置水平運(yùn)動(dòng)，將浮游裝置游到保護(hù)管組件的下方；

6）把長(zhǎng)桿攝像頭沿著保護(hù)管組件檢查井的開(kāi)槽下落到底部附近，同時(shí)調(diào)整云臺(tái)，保證能看到浮游裝置和保護(hù)管組件的底部；

7）配合長(zhǎng)桿攝像頭觀察，控制浮游裝置進(jìn)行水平運(yùn)動(dòng)，使浮游裝置的攝像頭看到檢查的開(kāi)始孔，控制浮游裝置旋轉(zhuǎn)，并打開(kāi)定航向功能，航向與將要檢查的路徑垂直；

8）控制浮游裝置橫向運(yùn)動(dòng)，開(kāi)始對(duì)本排孔的檢查；

9）檢查完畢，控制浮游裝置后退，對(duì)準(zhǔn)下一排的孔，再進(jìn)行橫向運(yùn)動(dòng)，完成本排孔的檢查；

10）依照此辦法，對(duì)剩下的孔進(jìn)行檢查，直到檢查完畢。