國核電站運(yùn)行技術(shù)服務(wù)有限公司 于 巖

蒸汽發(fā)生器是核電站運(yùn)行中發(fā)生故障最多的設(shè)備之一，蒸汽發(fā)生器傳熱管檢查技術(shù)是核電無損檢測的關(guān)鍵技術(shù)[1]。目前核電站蒸汽發(fā)生器傳熱管檢測方式中，基于渦流檢測是傳熱管缺陷檢測最有效也是現(xiàn)有最常見的無損檢測手段[2-3]，需要將渦流探頭深入傳熱管并經(jīng)過每一處位置，同時渦流探頭需要連接三根導(dǎo)線，一般將導(dǎo)線放入中空尼龍管內(nèi)，推動尼龍管可將探頭在傳熱管內(nèi)進(jìn)行伸長和縮回運(yùn)動。

由于存在輻射性，機(jī)器人攜帶探頭進(jìn)行自動檢測作業(yè)是當(dāng)前主要的作業(yè)方式。目前，國際上從事熱交換管檢測機(jī)器人研制的企業(yè)主要包括美國的ZETEC 公司[4]和西屋電氣公司[5]、法國的Framatome 公司[6]、德國的Hans Walischmille 公司等。國內(nèi)核電企業(yè)如中廣核、核動力運(yùn)行研究所、中核、中電投（國核運(yùn)行）等在引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，相繼開展了傳熱管檢測機(jī)器人的仿制，如中廣核以西屋公司的Pegasys 為基礎(chǔ)提了檢測機(jī)器人方案，國核電站運(yùn)行服務(wù)技術(shù)有限公司提出了基于ZETEC ZR100機(jī)器人的機(jī)械足方案，核動力運(yùn)行研究所與哈爾濱工業(yè)大學(xué)聯(lián)合研制了檢修機(jī)器人平臺。

機(jī)器人自動檢測技術(shù)提高了檢測效率和可靠性，但對于小型蒸發(fā)器傳熱管進(jìn)口空間較小，機(jī)器人難以進(jìn)入，且傳熱管數(shù)量少，機(jī)器人作業(yè)效率反而降低，需要設(shè)計一套方便人工遠(yuǎn)端操作、可適用于小口徑進(jìn)口的輔助對管裝置，在降低人員風(fēng)險的同時提高作業(yè)效率。

1 設(shè)計需求分析

輔助對管工具功能要求：攜帶傳熱管渦流探頭對準(zhǔn)管板上需要檢測的傳熱管內(nèi)孔，將探頭及導(dǎo)管送入管板上的傳熱管孔。根據(jù)蒸發(fā)器傳熱管檢測的任務(wù)需求，輔助對管工具需要滿足以下性能：末端與管口的準(zhǔn)確對準(zhǔn)，精度優(yōu)于±0.1mm；末端與管口對準(zhǔn)后壓緊密封，需要工具末固定于管板上。由于管板為多孔的平面，為實現(xiàn)末端與管板的固定，需利用管板上的孔設(shè)計夾持裝置，夾持裝置可深入到孔內(nèi)，與孔內(nèi)壁壓緊實現(xiàn)緊固，為保證緊固的可靠性，需要多個夾持末端與多個管孔夾持緊固，末端工具需要空間6自由度的調(diào)整實現(xiàn)裝置上多個夾持裝置與管孔的對準(zhǔn)，即輔助對管工具機(jī)構(gòu)至少需要具備空間6自由度運(yùn)動功能。

根據(jù)外口深度、密封壓緊、管板直徑、管板高度等因素，計算輔助對管工具的性能需求：密封壓緊力大于50N；夾持緊固軸承承載大于150N；輔助對管裝置Z 軸（豎直方向）行程±150mm；X 軸（前后方向）行程200mm；Y 軸（左右方向）行程±150mm；俯仰角行程（Y 軸）±10°；方位角行程（Z 軸）±10°；滾轉(zhuǎn)角行程（X 軸）±180°。

2 對管裝置方案設(shè)計

2.1 操作機(jī)構(gòu)設(shè)計

末端夾持與對管裝置需要借助多個孔實現(xiàn)精準(zhǔn)的對管，需要同時對多個孔進(jìn)行對準(zhǔn)，因此前端操作機(jī)構(gòu)需要具備至少6個運(yùn)動自由度，即空間三個方向的移動自由度及三個方向的轉(zhuǎn)動自由度，考慮核電作業(yè)現(xiàn)場空間狹窄及人工手動操作的便利性，需要末端運(yùn)動有對應(yīng)的驅(qū)動實軸如數(shù)，因此需要盡量避免采用并聯(lián)機(jī)構(gòu)或串并混聯(lián)機(jī)構(gòu)，即采用具有實軸對應(yīng)的串聯(lián)機(jī)構(gòu)是有效的解決方案，串聯(lián)6自由度機(jī)構(gòu)中的純轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)型機(jī)構(gòu)如通用工業(yè)機(jī)械臂，其末端三個轉(zhuǎn)動與腕部三個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)對應(yīng)，但平移運(yùn)動也無實軸對應(yīng)，人工操作不便。

3移動關(guān)節(jié)+3轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的串聯(lián)型機(jī)構(gòu)有實軸對應(yīng)，為手動對管裝置機(jī)構(gòu)類型的最佳方案，這類機(jī)構(gòu)中包含了轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)和移動關(guān)節(jié)的不同排列組合形式（如PPPRRR、PPRRRP、PRPRRP、RRRPPP 等，R 代表轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，P 代表移動關(guān)節(jié)），根據(jù)支鏈關(guān)節(jié)順序與末端運(yùn)動特征關(guān)系，由于存在三個移動關(guān)節(jié)，任意的組合形式都可以實現(xiàn)末端繞空間任一點(diǎn)的轉(zhuǎn)動運(yùn)動，因此其關(guān)節(jié)的任意排列形式均可以作為對管裝置的機(jī)構(gòu)方案。表1為對管操作機(jī)構(gòu)構(gòu)型對比。

表1 對管操作機(jī)構(gòu)構(gòu)型對比

考慮對管作業(yè)中存在插入夾持裝置插入管孔的動作，需要一個移動驅(qū)動軸線與管孔平行，又考慮需要多個管孔同時對準(zhǔn)，因此最后兩個關(guān)節(jié)應(yīng)為PR或RP 的關(guān)節(jié)組合，即P 副驅(qū)動實現(xiàn)插入操作，R副驅(qū)動實現(xiàn)相位對準(zhǔn)。在靠近根部端的四個關(guān)節(jié)中，雖然不同組合均可實現(xiàn)末端的繞空間任意點(diǎn)轉(zhuǎn)動，但根部關(guān)節(jié)為轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)時，實現(xiàn)繞遠(yuǎn)端點(diǎn)的轉(zhuǎn)動需要轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)和移動關(guān)節(jié)的聯(lián)動作業(yè)，操作不便，因此最佳方案應(yīng)將移動關(guān)節(jié)靠近基座，根據(jù)上述分析，可用的機(jī)構(gòu)構(gòu)型方案為PPRRPR 或者PPRRRP，如圖1所示。

圖1 對管操作機(jī)構(gòu)方案（左PPRRPR 構(gòu)型、右PPRRRP 構(gòu)型）

綜合考慮占地空間、人工可操作性、工作空間等因素，選擇串聯(lián)機(jī)構(gòu)構(gòu)型的PPRRPR 構(gòu)型，第一移動關(guān)節(jié)為Z 軸方向（豎直方向），第二移動關(guān)節(jié)為Y 軸方向（左右方向），后續(xù)的兩個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)分別為回轉(zhuǎn)軸（Z 軸轉(zhuǎn)動）與俯仰軸（Y 軸轉(zhuǎn)動），第三移動關(guān)節(jié)為前后移動軸（X 軸），最后的轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)為翻滾軸（X 軸）。同時，由于人工操作帶來的誤差，為增加適應(yīng)性采用帶有柔性的聚氨酯棒料，在末端連接處增加柔性的被動等效球關(guān)節(jié)，最終的機(jī)構(gòu)方案如圖2所示。

圖2 對管操作機(jī)構(gòu)最終方案機(jī)構(gòu)簡圖與三維模型

根據(jù)對管機(jī)構(gòu)的性能要求，末端采用延長桿深入法蘭孔內(nèi)靠近管板，考慮空間約束設(shè)計延長桿長度為1000mm，設(shè)計各個驅(qū)動行程如下：移動（Z軸）±250mm、 移動（Y 軸）±250mm、 轉(zhuǎn)動（Z 軸）±30°、轉(zhuǎn)動（Y 軸）±30°、移動（X 軸）300mm、轉(zhuǎn)動（X 軸）±180°。

2.2 末端夾持與壓緊裝置設(shè)計

2.2.1 末端壓緊方案

末端需要實現(xiàn)對管口的壓緊且壓緊裝置為中空結(jié)構(gòu)，可使渦流探頭及導(dǎo)引管通過，壓緊動作驅(qū)動由氣缸實現(xiàn)，如圖3和圖4所示，采用具有中空活塞桿結(jié)構(gòu)的氣缸，活塞桿前端采用密封槽接頭和壓蓋實現(xiàn)對密封橡膠的固定，當(dāng)氣缸軸線與被檢測氣孔軸線對準(zhǔn)時，氣缸推動活塞前進(jìn)，將密封橡膠壓緊至傳熱管管口并保持氣缸壓力，實現(xiàn)與管口的密封。

2.2.2 夾持緊固方案

圖3 氣動壓緊密封裝置方案

圖4 末端壓緊氣缸結(jié)構(gòu)圖

夾持緊固裝置實現(xiàn)末端與管板的精準(zhǔn)夾持定位，夾持機(jī)構(gòu)為花瓣型漲緊腳趾，如圖5所示，腳趾深入管孔內(nèi)，通過氣體驅(qū)動實現(xiàn)腳趾與管孔內(nèi)壁的壓緊，同時配合導(dǎo)向定位銷，實現(xiàn)與管板的精準(zhǔn)定位，夾持緊固裝置通過連接頭與多自由度對管操作機(jī)構(gòu)連接，如圖6所示，考慮被動球鉸，連接件采用帶有彈性的聚氨酯軟棒。由于管孔內(nèi)徑較?。é?mm），夾持緊固裝置需要具備緊湊性的特點(diǎn)，設(shè)計采用花瓣漲開型緊固腳趾，采用帶錐形末端的活塞桿，活塞桿在氣缸驅(qū)動下前伸，錐面推動花瓣型卡爪漲開，使卡爪與管孔內(nèi)壁壓緊，并配合導(dǎo)向銷實現(xiàn)末端與管板的精準(zhǔn)可靠緊固定位。

圖5 夾持緊固裝置方案整體結(jié)構(gòu)圖（左）與緊固腳趾-探頭通道-導(dǎo)向銷分布圖（右）

圖6 夾持緊固裝置結(jié)構(gòu)方案

對管操作方案如圖7所示，根據(jù)管板上的管孔分布，設(shè)計固定漲緊腳、氣缸探頭通道及導(dǎo)向銷的幾何位置尺寸，按照如圖7所示的對管方案，可實現(xiàn)探頭對所有管孔的對準(zhǔn)。

圖7 管孔對管操作方案示意圖

3 實驗驗證

樣機(jī)研制。根據(jù)上述設(shè)計方案進(jìn)行研制研制和測試，如圖8、圖9所示，螺旋傳熱管規(guī)格為管孔內(nèi)徑φ9mm，螺旋管包絡(luò)直徑φ300mm，螺旋管總長10m，傳熱管一端與模擬管板上的管孔相連，人工通過多自由度柔性對管裝置進(jìn)行管板上各個管孔的對準(zhǔn)操作，氣源采用0.7Mpa，同時供給壓緊氣缸、夾持緊固腳趾及氣體驅(qū)動探頭導(dǎo)引裝置，壓緊氣缸和夾持緊固腳趾的氣路分別由手動開關(guān)獨(dú)立控制。操作多自由度對管裝置，將壓緊氣缸的中空軸探頭通路與每個管孔，探頭通過引導(dǎo)管進(jìn)入模擬管板上的管孔，并進(jìn)入螺旋傳熱管，經(jīng)過測試每個管孔都可通過對管裝置實現(xiàn)精準(zhǔn)的緊固對準(zhǔn)，驗證了此設(shè)計方案的有效性。

圖8 緊固定位末端裝置