EPR核电站管道内部焊缝打磨机器人的应用与研究

吴中卫

摘 要：EPR堆型的三代核电站在设计和建造方面，较二代及二代加堆型有了大幅度的优化和改进，部分核岛关键系统的焊缝内部需要进行打磨。受制于管道管径空间限制，部分焊缝在人工打磨操作不可达的情况下，需借助于适用于不同管径的内部焊缝打磨机器人，实现远程操作打磨，并在打磨工作完成后，利用专用清洁机器人完成清扫，保证管道内部清洁度。该项技术在国内核电站建设中首次应用，机器人构造、应用管理、维修维护及相关改进项方面的研究，对中国后续新建核电机组的管道施工具有重要意义。

关键词：管道焊缝；内部；打磨机器人

中图分类号：TG45 文献标志码：A

三代EPR堆型核电站较二代加压水堆堆型，在设计方面有众多的技术优化、改进。对于核岛关键系统的管道内部焊缝打磨工作，在中国核电项目首次应用，无实际经验。广东台山核电站的打磨机器人，覆盖的管道管径为DN100至DN500的范围，能够实现管道内部检查、打磨、清洁。

1 设计要求及范围

EPR核电站RIS（安全注入系统）、VVP（主蒸汽系统）、ARE（主给水系统）、VDA（蒸汽大气排放系统）、RCP（反应堆冷却剂系统）、RCV（化学和容积控制系统）等6个核岛关键系统的部分管道焊缝需要打磨，共277道焊缝。

对核岛管道内部焊缝进行打磨的主要作用如下：

（1）可最大程度地消除流体对于内部焊缝的冲击，减少焊缝的应力集中，缓解焊缝疲劳，提高关键系统管道的使用寿命；（2）使用打磨机器人能发现焊接过程中造成的缺陷（咬边、未融合、焊瘤、凹陷、二次融化等），通过打磨能增加RT（射线探伤）的合格率；（3）焊缝打磨工作结束后，内表面光滑平整，达到焊缝UT（超声波检测）的要求，在核电站运营期间可以用UT代替RT（射线探伤），极大地降低在役检查工作人员的辐照时间和成本；（4）可以用来检查、提高管道内部清洁度。

2 打磨机器人的构造

2.1 打磨机器人

打磨机器人的主体结构分为3个部分，包括打磨机构、驱动部分、线路集合点。

2.2 清洁机器人

清洁机器人的整体构造与打磨机器人类似，主要区别在打磨电机被带摄像头的吸尘软取代，机身接入了吸尘器。

清洁机器人的操作较打磨机器人省去了定中等步骤，只需爬行至需要到达的位置，配合显示器的观察，吸走管道内部的铁屑和杂物。

2.3 波动管专用机器人

波动管专用机器人的整体构造与打磨机器人类似，主要区别在于机头处增加了一个防异物装置，可防止打磨碎屑进入稳压器。

3 打磨机器人的应用

3.1 打磨准备

（1）机器人无法在管道中爬行超过两个90°弯头。因此，开始现场焊缝的打磨工作前，必须通过利用Navisworks三维设计模型软件及相关设计信息，合理安排焊缝打磨顺序，做好打磨规划；（2）打磨机器人必须配置单独的供电线路、配电箱，避免非单独供电时，其他设备对机器人的电磁干扰，以及可能的非正常断电，对机器人造成损伤；（3）打磨机器人必须配置单独的压缩气源，避免非正常断气时，机器人在管道中失去支撑，造成损坏。

3.2 打磨过程

（1）机器人在管道中行走时，遇到弯管时，需緩慢进行，多次调整，确保机器人位于最佳姿态角；（2）每次打磨机器人退出管道，需检查机头上的每一颗螺丝是否还在原位置。因打磨过程中，震动较大，将可能发生螺丝脱落进入管道的情况；（3）在打磨过程中，可在管道的管口处，采用风机送风，达到降温的效果，起到保护设备的作用。

4 常见故障排查与维修

在打磨工作过程中，由于机器人设计缺陷、部件损耗、人员操作不当等原因，机器人出现一些故障和问题，现将部分典型问题进行总结。

4.1 打磨摄像头模糊

维修方法：调整摄像头焦距，检查整体线路，消除电磁干扰项。原因分析：工作时震动较大，螺钉松动导致成像焦距发生改变。定期排查机器人电缆线路，对于存在直接裸露的情况，及时包裹处理，避免对摄像头产生干扰。

4.2 打磨过程中砂轮片停止旋转操作盘故障灯亮起

维修方法：关闭打磨电机，按变频器“FN”。故障原因：打磨过程中“径向行程”伸出量过快以至于电机发热产生的自我保护性停止。

4.3 机器人本体卡在管道中

故障表现：通过控制面板上的控制杆操作机器人，无法在管道中正常前进、后退。维修方法：配合机尾钢丝绳运用适当外力，此时按外力方向启动前进、后退功能，缓慢拉出机器人。如果此种方法仍然不能取出，必要时，需要对所在管道进行切口取出。故障原因：管道内部不规则。

4.4 径向行程运动不流畅

维修方法：在电机下方的径向行程旋转轴导轨处加入润滑油反复多次运动。每次更换砂轮片时，清除灰尘，并加油润滑。故障原因：长时间打磨产生的灰尘散落在旋转轴导轨的橡胶密封圈上，使橡胶圈慢慢的碳化时间长久后会脱落，灰尘进入零部件内阻塞机械部件的运转。加入润滑油会稀释黏在内部的灰尘，润滑机械部件。

5 机器人的改造建议

在核岛管道内部焊缝的打磨工作中，发现打磨机器人部分结构存在设计缺陷，是造成设备易损坏的主要原因。根据台山核电站的施工经验，提出以下改进建议。

5.1 驱动部分增加备用电池

在机器人工作过程中停电会损害内部电子元件，如遇在垂直管道打磨作业时突然停电机器人会急速下坠会卡死在弯头处。为消除突然停电产生的危害建议在驱动部分增加一个备用锂电池，在断电后可以为机器提供一定时间的安全停机时间。

5.2 需增设冗余的钢丝绳

因存在管道卡在管道中无法取出的风险，必须在机尾加设钢丝绳。在极端工况下，配合驱动机构将机器人从管道中取出。

5.3 打磨机头的非电机部分需减小体积

打磨机器人在工作一段时间后发现，机头部分棱角部分磕碰严重，属于在设计时尺寸设计过大造成。建议在后续时，改造机头非电机部分的体积。

5.4 打磨机头内部齿轮带需重新选型

由于打磨环境的原因，在机头内部需选用更高强度的齿轮带，以满足机器人长时间高强度作业要求。台山核电站，出现多次齿轮带断裂的情况。

结语

截至2018年4月，台山核电站两台机组所有相关焊缝的内部打磨工作均已完成，在2号机组的打磨作业中，打磨效率、机器人的维护保养均较1号机组有显著提升。

台山核电站的核岛管道内部打磨工作具有典型性，在后续国内自主化设计和建造核电站的过程中，可充分利用该应用技术以及相关的实践经验，而且在后续设计打磨机器人时，可充分参考台山核电站打磨过程中遇到的疑难杂症，对机器人进行优化改进。

参考文献

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