白東進(jìn)，劉碩，郭文，官益豪，王子虎，呂元亮

（1.三門核電有限公司，浙江 臺(tái)州 317100；2.國核電站運(yùn)行服務(wù)技術(shù)有限公司，上海 200233）

AP1000 電站在安全殼淹沒事故工況下，淹沒水源通過安全殼再循環(huán)管道進(jìn)入堆芯，為堆芯提供長(zhǎng)期循環(huán)冷卻，維持堆芯的完整性，是核電廠核安全的重要保障設(shè)施。由于安全殼再循環(huán)管道較長(zhǎng)、彎頭較多、布置上下起伏、存在倒U 型設(shè)計(jì)等原因，經(jīng)研究，即使最大化地進(jìn)行分段檢查，也無法用常規(guī)內(nèi)窺鏡技術(shù)完成所有管道檢查，因此開發(fā)一套專用檢查裝置勢(shì)在必行。

1 設(shè)計(jì)依據(jù)

由于安全殼再循環(huán)冷卻水流量對(duì)堆芯安全非常重要，AP1000 電站最終安全分析報(bào)告（FSAR）要求電廠在役期間每10 年對(duì)安全殼再循環(huán)管道進(jìn)行檢查，以確認(rèn)沒有發(fā)生堵塞等影響流道特性的異常發(fā)生。

整體管道通過數(shù)個(gè)可拆卸的閥門，分成多個(gè)需檢查管段，其中較為典型的復(fù)雜工況長(zhǎng)管段如圖1 所示。

圖1

圖1 中整體管段管長(zhǎng)大于22m，整體管線較長(zhǎng)；僅有A、B 兩個(gè)管道入口，且入口處空間較小，A 處可用空間小于2 倍管徑，B 處可用空間長(zhǎng)度小于1 倍管徑，可用空間較小；管道包含10 個(gè)彎頭與2 個(gè)三通，彎頭最小彎曲半徑為1.5 倍管徑（1.5D），彎頭最大彎曲半徑為3 倍管徑（3D），整體工況復(fù)雜。

結(jié)合實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)分析，認(rèn)為將整個(gè)檢查分為3 部分分段可較好地簡(jiǎn)化整體檢查流程，即將A 入口至B 出口作為第一段，A 入口至第一個(gè)三通后的倒U 形管段作為第二段，B 入口至三通后的倒U 形管段作為第三段，本文主要針對(duì)其中最復(fù)雜的A 入口至B 出口段，進(jìn)行分析開發(fā)。

目前，國內(nèi)外針對(duì)管道內(nèi)部腐蝕劃痕的檢查已做了大量研究，開發(fā)了各式各樣的檢測(cè)技術(shù)。管道發(fā)生腐蝕后，通常表現(xiàn)為管道的管壁變薄，出現(xiàn)局部的凹坑和麻點(diǎn)等，目前常用的管道內(nèi)腐蝕檢測(cè)技術(shù)主要是針對(duì)管壁的變化來進(jìn)行檢查和分析，如壓電超聲、電磁超聲、漏磁檢測(cè)、遠(yuǎn)場(chǎng)渦流、CCTV 檢測(cè)等。

渦流檢測(cè)法雖然可適用于多種黑色金屬和有色金屬，例如，探測(cè)蝕孔、裂紋、全面腐蝕和局部腐蝕，但渦流對(duì)于鐵磁材料的穿透力很弱，只能用來檢查表面腐蝕。而且如果在金屬表面的腐蝕產(chǎn)物中有磁性垢層或存在磁性氧化物，就可能給測(cè)量結(jié)果帶來難以避免的誤差。漏磁通法檢測(cè)的基本原理是建立在鐵磁材料的高磁導(dǎo)率這一特性上，檢測(cè)被磁化鋼管表面逸出的漏磁通，就可判斷缺陷是否存在，一般適用于檢測(cè)中小型管道，且只限于材料表面和近表面的檢測(cè)，被測(cè)的管壁不能太厚，抗干擾能力差，空間分辨力低。超聲波檢測(cè)法主要是利用超聲波的脈沖反射原理來測(cè)量管壁腐蝕后的厚度，但受現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)及時(shí)間的限制，無法進(jìn)行有效的檢查。

CCTV 檢測(cè)能直觀地了解管道內(nèi)部現(xiàn)狀，它有著感官直接、定位精度高、檢查速度快等特點(diǎn)，通過軟件和人工對(duì)管道內(nèi)銹層、結(jié)垢、腐蝕、穿孔、裂紋等進(jìn)行判讀，全面了解管道現(xiàn)狀，因此，較為適用于安全殼再循環(huán)的檢查。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

安全殼再循環(huán)管為核級(jí)管道，其防異物要求，定位要求都有著較為嚴(yán)格的規(guī)定，且因整體檢查需安排在大修期間，管段采用冰塞作為封堵方式，整體可用檢查時(shí)間較短，因此整體裝置需同時(shí)滿足速度、精度的要求。

圖2 為檢查裝置的整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)邏輯圖，裝置由信號(hào)部分、驅(qū)動(dòng)部分、視頻檢查部分、外部輔助部分四部分組成。

圖2

信號(hào)部分：信號(hào)部分由外部的控制信號(hào)發(fā)生器根據(jù)操作員的執(zhí)行發(fā)送運(yùn)動(dòng)指令，通過數(shù)據(jù)線纜傳輸至檢查裝置的信號(hào)編譯模塊，信號(hào)編譯模塊將運(yùn)動(dòng)信號(hào)編譯成脈沖信號(hào)發(fā)送至脈沖驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)前進(jìn)。

驅(qū)動(dòng)部分：步進(jìn)電機(jī)通過傳動(dòng)模塊同時(shí)驅(qū)動(dòng)多組驅(qū)動(dòng)輪，在某一驅(qū)動(dòng)輪懸空時(shí)，可通過其他驅(qū)動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)前進(jìn)；傳動(dòng)裝置上裝有計(jì)步齒，將實(shí)際前進(jìn)的步數(shù)轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)返回至信號(hào)編譯模塊后傳輸回信號(hào)控制模塊。

視頻檢查部分：視頻采集模塊安裝在檢查裝置前端，整體獨(dú)立于驅(qū)動(dòng)部分，通過數(shù)據(jù)線纜將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵獠靠刂破鞯囊曨l解析模塊，通過解析模塊展開平鋪，最后得到最終的檢查視頻。

外部輔助部分：外部輔助裝置由線纜收放模塊與有光電編碼識(shí)別模塊組成，光點(diǎn)編碼模塊通過識(shí)別電纜上的定距離標(biāo)簽來識(shí)別裝置前進(jìn)的實(shí)際距離，與檢查裝置的反饋步數(shù)組成雙層反饋機(jī)制，結(jié)合預(yù)先設(shè)置好的檢查對(duì)象參數(shù)，即可用來修正裝置目前的實(shí)際位置。

3 機(jī)械結(jié)構(gòu)與軟件設(shè)計(jì)

3.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為最大化地模塊化檢查裝置，減少因結(jié)構(gòu)復(fù)雜引起的管道異物風(fēng)險(xiǎn)，爬行檢查裝置設(shè)計(jì)為檢查裝置、外部輔助裝置、控制主機(jī)三部分，三部分通過傳送線纜連接。

控制主機(jī)通過程序控制線纜控制裝置及爬行裝置動(dòng)作，行進(jìn)模式可選勻速模式、手動(dòng)模式及故障回看模式；控制主機(jī)將前端的視頻模塊采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行平鋪及算法處理，處理后的圖像實(shí)時(shí)地顯示在控制主機(jī)上；溫度傳感器、編碼器、線纜控制裝置計(jì)數(shù)器數(shù)據(jù)通過程序處理后，將機(jī)身溫度、行進(jìn)距離顯示在控制主機(jī)上。

外部輔助裝置由光電識(shí)別裝置、牽引電機(jī)、線纜收集盤、控制模塊、把手、箱體等組成，線纜采用玻璃纖維為外皮，外皮上每隔10cm 有一個(gè)2mm 黃色色環(huán)，用于已通過線纜長(zhǎng)度的計(jì)算，線纜內(nèi)含中央高強(qiáng)度細(xì)鋼索、數(shù)據(jù)線纜、供電線纜。通過光電識(shí)別裝置將線纜外皮上的標(biāo)記點(diǎn)反饋給控制主機(jī)以修正行進(jìn)距離，并接受控制主機(jī)的信號(hào)收放電纜；當(dāng)控制主機(jī)識(shí)別出爬行裝置失效后，可給予指令協(xié)助拖拽回收電纜，拖拽爬行裝置離開管道，防止產(chǎn)生異物。

檢查裝置設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖3 所示，包含視頻采集模塊，通過非球形鏡片攝像頭采集高清視頻數(shù)據(jù)；環(huán)狀光源補(bǔ)充模塊，通過環(huán)形LED 提供高亮度光源，保證管道內(nèi)視頻采集區(qū)域亮度大于目視檢查要求，可改裝為可變化強(qiáng)度光源。

圖3

檢查裝置由驅(qū)動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)，通過傳動(dòng)桿與動(dòng)力模塊相連，并將傳動(dòng)桿提供的支撐力轉(zhuǎn)化為摩擦力，驅(qū)使爬行裝置動(dòng)作；裝置內(nèi)含小型舵機(jī)與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)用于調(diào)整推力盤位置，進(jìn)而可以改變車體整體大小，即傳動(dòng)桿外撐程度，進(jìn)而主動(dòng)地適應(yīng)管道管徑變化。推力盤內(nèi)含1 組支撐彈簧，通過彈簧減少裝置行進(jìn)過程中的振動(dòng)，并緩沖管道細(xì)微變化，自適應(yīng)管道小范圍變化。裝置尾端加工了帶鎖定的螺紋結(jié)構(gòu)，防止車體行進(jìn)時(shí)連接裝置脫離，并為數(shù)據(jù)、電力線纜提供連接插座。

3.2 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

因管道檢查有及時(shí)性要求，控制軟件采用實(shí)時(shí)通訊的方式，保證現(xiàn)場(chǎng)檢查的及時(shí)性；視頻采集模塊為最大限度地增加視頻視角寬度采用了魚眼攝像頭的形式，因此采集的原始圖像存在一定的變形，通過控制器且內(nèi)置的視頻畸變矯正算法，實(shí)時(shí)計(jì)算出對(duì)應(yīng)的平鋪圖，實(shí)時(shí)顯示在控制器上。

視頻采集模塊采集到的視頻數(shù)據(jù)，會(huì)自動(dòng)在外部的控制器中進(jìn)行保存，采用先入先出的保存模式，基于存儲(chǔ)空間的大小可保存2 ～3 小時(shí)的數(shù)據(jù)；在控制器上預(yù)留了外部存儲(chǔ)插口，當(dāng)開始數(shù)據(jù)保存時(shí)，可將原始數(shù)據(jù)與平鋪數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)保存至外部存儲(chǔ)器上。

根據(jù)以上設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)控制軟件界面如圖4 所示，裝置可通過界面上按鈕直接操作行進(jìn)，且具備調(diào)節(jié)亮度、速度的功能，并將實(shí)時(shí)原始圖像與畸變矯正后的實(shí)時(shí)圖像同時(shí)顯示，圖像的右上角會(huì)將計(jì)算好的距離直接顯示在屏幕上，便于檢查時(shí)及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障區(qū)域并進(jìn)行定位。

圖4

4 功能測(cè)試與數(shù)據(jù)分析

檢查裝置的爬行定位精度是檢查時(shí)至關(guān)重要的一個(gè)參數(shù)，通過測(cè)試裝置通過已知彎頭、直管的爬行距離可驗(yàn)證爬行定位精度。

測(cè)試1 采用2m 長(zhǎng)直徑為200mm 的垂直亞克力管作為爬行管道，僅采用計(jì)步齒計(jì)算檢查距離，測(cè)試數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1

測(cè)試2 采用2m 長(zhǎng)直徑為200mm 的水平亞克力管作為爬行管道，僅采用計(jì)步齒計(jì)算檢查距離，測(cè)試數(shù)據(jù)下表2 所示。

表2

根據(jù)以上測(cè)試數(shù)據(jù)分析認(rèn)為，當(dāng)檢查裝置在直管段爬行時(shí)定位精度在2%～3%，且誤差比率不隨著距離增加而增大。

測(cè)試3 采用直徑為180mm 的標(biāo)準(zhǔn)1.5D 彎頭作為爬行管道，僅采用計(jì)步齒計(jì)算檢查距離，測(cè)試數(shù)據(jù)如表3 所示。

表3

測(cè)試4 采用直徑為280mm 的標(biāo)準(zhǔn)1.5D 彎頭作為爬行管道，僅采用計(jì)步齒計(jì)算檢查距離，測(cè)試數(shù)據(jù)如表4所示。

表4

根據(jù)以上測(cè)試數(shù)據(jù)分析認(rèn)為，當(dāng)檢查裝置在彎管段爬行時(shí)，長(zhǎng)半徑編碼器的定位精度在3%～5%，短半徑編碼器的定位精度在10%～11%，因此，編碼器數(shù)據(jù)采用將長(zhǎng)距離數(shù)據(jù)及時(shí)對(duì)比覆蓋至短距離數(shù)據(jù)寄存器的方式較為合理。

結(jié)合A 入口至B 出口段情況可知，檢查管段總長(zhǎng)13306mm，其中彎頭占總長(zhǎng)比40.6%，因此，預(yù)計(jì)整體最大誤差約為507mm，其誤差相對(duì)較大，無法滿足精確定位的要求；根據(jù)已有的圖紙，以每段彎管作為分段起始點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記后分段識(shí)別缺陷，最大單段誤差約為98mm，滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施要求。

5 結(jié)語

本文基于AP1000 電站最終安全分析報(bào)告（FSAR）要求，設(shè)計(jì)了一種基于視頻檢查的專用管道檢查裝置，實(shí)現(xiàn)了在非破壞檢查方式下，在極短的時(shí)間內(nèi)對(duì)管道缺陷進(jìn)行準(zhǔn)確的定位，為實(shí)現(xiàn)管道內(nèi)部缺陷快速檢查提供了一種具體的檢查思路，在提高試驗(yàn)人員工作效率的同時(shí)，降低了現(xiàn)場(chǎng)人員的放射性風(fēng)險(xiǎn)；本裝置的開發(fā)，也為國內(nèi)所有核電站的管道內(nèi)部檢查提供了一種全新的技術(shù)服務(wù)方案。