传热管检查装置现状与发展趋势分析

高厚秀　吴朋　韩捷　吴东栋　辛露

【摘 要】传热管作为蒸汽发生器之中的核心部件，它的正常工作对核电站的运行起到非常重要的作用，传热管在长期的运行中会有腐蚀、减薄、耗损各种不利因素出现，在这种情况下，传热管检查装置应运而生。传热管检查装置的关键在于如何将装置固定在蒸汽发生器上，带动检查工具进行路径规划运动，实现对管板上传热管的100%的全检。文中对国内外研究机构和核电企业开发的传热管检查装置的技术特点进行了归纳，对主要功能进行了介绍，并对各方面性能进行对比分析，同时，对传热管检查技术和装置的发展趋势进行了预测和分析。

【关键词】传热管;检查装置;现状;发展趋势

中图分类号： TH878 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）19-0015-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.19.006

0 引言

近半世纪以来，核电技术快速发展，对于核电的安全性能也在不断提高，蒸汽发生器在核岛内部占有重要的地位，属于关键设备，蒸汽发生器传热管工作过程中要求不允许出现疲劳、腐蚀、减薄等不利情况。[1]为了预防以上现象的发生，必须做到定期检查。传热管检查装置就是用来做此项工作，其基本原理是在蒸发器的内部找到检查装置的固定支点，运载涡流检查探头到达待检传热管管口，再将探头送进传热管通过涡流信号来分析判断传热管是否有损坏，从而完成传热管检查作业。在核电站大修周期内，由于传热管数量多，完成全部检查时间跨度大，而且蒸汽发生器水室属于高辐射区域，所以传热管检查装置的设计和研发要以提高检查速度和减小检查人员受辐射剂量为根本目标。[2]

1 立柱式检查装置

立柱式检修装置是一种远程控制的传热管检查装置，如图1所示，当该装置进入水室之前，伸缩气缸缩回，使得检修装置呈现折叠状态，检修装置进入水室的时候首先固定立柱下端的支撑座，然后安装一个垂直于管板的立柱，该立柱是一个可转动的圆形杆，安装在水室内隔板附近的中心位置，立柱的上端有一个卡爪装置，卡爪上面有一个弹性套筒，通过弹性套筒可以将卡爪与传热管固定住，立柱的下端安装在支撑座上。然后伸縮气缸伸开，使得滑轨与管板平行。探头检查工具固定在滑轨的滑块上，探头检查工具上安装有摄像头，观察探头进出情况。在电机驱动下，滑轨还可以围绕立柱做圆周运动，当滑轨运动到指定位置的时候，滑轨上面的探头检查工具也在电机的驱动下进行移动，将探头送到指定的位置，然后将探头插入传热管执行检查任务。

2 机械臂式检查装置

机械臂检查装置一般基于蒸汽发生器人孔法兰面安装，该型定位装置一般都采用模块化设计，主要由安装座、大臂、连接臂、小臂和工具端等部件组成，具有自由度3至6个不等。安装时首先将安装座与蒸汽发生器人孔法兰端面固定，机械臂各模块折叠收缩沿人孔轴线方向进入水室;接着机械臂可在蒸汽发生器水室内展开，然后由计算机控制精确定位，将探头运载到需要检查的传热管管口。这类装置一般运用到高负载比机构设计技术、笛卡尔空间轨迹规划技术、机器人关节精度控制技术、机器人空间运动仿真技术等来实现蒸汽发生器传热管检查。ZETEC公司的SM系列机器人（如图2），西屋ROSA-III（如图3），Framatome公司ROGER，德国Hans Walischmile公司的TELBOT都属于这一类型。[3]

3 管板式检查装置

立柱式和机械臂式检查装置的不足在于通用性差，一般只能用于一种规格的蒸汽发生器检查;其次设备很重，安装困难，操作人员劳动强度大、工业安全及定位准确性难以得到有效保证。而管板式检查装置则有效解决了以上问题。大部分管板式检查装置共同的特点是将卡爪向上插入管孔，卡爪在管内胀紧固定，将整个装置倒悬于管板上（图4-图6所示），运用机器人路径规划，移动装置将前端的探头导向管精确定位于被检传热管管口正下方。由探头推拔器将探头送入传热管进行涡流信号的采集，信号采集完毕后，涡流采集系统向定位装置控制系统发出采集结束的命令，定位装置将按照检查计划运动到下一个待检传热管孔处，如此循环往复运行，直至检查工作完成。通过更换少量模块、软件模型及配置参数，系统可完成多种类型的蒸发器的无损检测工作。西屋公司的Pegasys、美国捷特公司ZR-100、克罗地亚INETEC公司TSR都属于管板式检修装置。[4]

韩国水力原子力株式会社也开发了一款管板式检修装置，但其是一种手指状夹持检测机器人。这种检测机器人包括前后移动模块，左右移动模块以及检测装置等模块;检测装置模块安装在前后移动模块上。夹持模块包括多个手指状夹持构件，通过其垂直插入热管中，利用这种仿生式结构手指可实现收拢夹持，从而可靠的将设备固定在管板上，随着夹持模块前后移动，左右移动以及转动，检测机器人可优化检测路径，减少检测时间，从而实现传热管检查作业，如图7所示。

日本日立公司的足式检测机器人由一个基座，外加四个具有旋转，伸缩功能的可独立运动的足部组成。足部主要通过4个卡爪的协同动作，使探头导管定位到待检的传热管下。如图8所示。这种检查装置最大的优势就是不更换模块即可可适应不同管间距的蒸发器型号的检查，只需在传热管管径不一样时更换一下不同直径的卡爪即可。

4 发展趋势分析

国外传热管检查装置技术研究起步早，技术成熟。目前国外已从机械臂式向管板式装置过渡，ZETEC等公司都已开发出了不同的管板式装置，这种类型的检查装置高度集成化，控制系统不同程度的嵌入在结构中，并已实现产品化并应用于现场。[5]国内还没有完全自主研制的传热管检查装置。我国承担民用核设施在役检查的单位主要为核动力运行研究所和中广核检测技术有限公司。国内检查装置的发展初期，一般采用机械臂式，但机械臂重量比较重，需要多人操作。核动力运行研究所早期引进了美国ZETEC公司的涡流检查设备及SM系列定位机械手，积累了较为丰富的蒸汽发生器传热管定位的应用经验，近年来，又通过引进美国西屋公司的Pegasys定位机器人技术，国产化了定位检查机器人。国内目前的主流传热管检测装置一般由控制计算机、岛外控制箱、岛内控制箱以及机器人本体构成，采用岛外控制箱和岛内控制箱设计，依靠中间电缆和通讯电缆连接，使系统便于管理和使用，如图9所示。

隨着AP1000等技术引进国内并实现运营，国内外核电技术进一步交流，相应的传热管检查技术和装置结构也在不断改进和优化，未来将主要在多卡爪、多自由度的小型机器人方向上进行研究，自动化程度将会进一步提高，只需一个人即可实现安装、控制和拆卸等操作，在核岛外即可观察检查装置的状态。除此以外，其他领域的机器人未来也可应用于核电蒸汽发生器检查。[6]

第一种是蛇形机器人，其设计思路来源于特斯拉的充电装置。该充电装置可以根据汽车的实际停车位置寻找充电接口，从而自动定位到该位置进行充电，此理论可以用来定位待检传热管。比如挪威也研发过蛇形水下机器人Eelume，可进行水下设备的检查，维修。

第二种是蠕虫式机器人，其机构细小，自带涡流探头和信号存储功能。可在传热管中通过蠕动等方式进行运动。其在传热管中通过之后将信号存储下来，在一个专用的信号提取平台上讲信号导入分析软件。由于其体积小，可以数十个或者上百个虫式机器人同时进行检查，效率会极大提高。此方案最大难点在于单独运动的虫式机器人供电问题是个难点。

第三种是壁虎仿生机器人，范德华力是中性分子彼此距离非常近时产生的一种微弱电磁引力。壁虎爬行的原理就是利用这种范德华力。科学家发现如果壁虎脚上650万根细毛全部附着在物体表面上时，可吸附住质量为13千克的物体。壁虎实际上只使用一个脚，就能够支持整个身体。从壁虎脚大附着力得到启示，这种技术可用于检查装置在管板上的固定。国内目前有南京航天航空大学、中科院等单位在进行相关的仿生研究，脚掌材料采用聚氨醋硅橡胶材料，其单位面积粘着最大力可达到8mN每平方毫米，但是实际情况脚掌不可能完全理想的贴合在壁面上，所以实际产生的吸附力略小一些。用直径为25mm大小的脚掌进行实验证明，此时四个脚掌贴壁能产生的最大理想吸附力为15.7N。因此，增加一定数量脚掌或者增大脚掌面积，即可达到传热管检修机器人的负载要求。

5 结论

在众多在役检查技术中，传热管检查技术是核电无损检测的关键技术，传热管检查装置主要以人员操作方便，避免受到更多的辐射剂量为研发目标，结合国内外科研机构研制的传热管检查装置，以及对相关技术进行对比分析，从安装方式、运动方式和卡爪固定方式等方面对当前传热管检查装置的现状做了阐述，并从提高检查装置的灵活性和多样性的角度，对未来该领域的技术发展趋势提出构想。

【参考文献】

[1]彭俊，俞军.世界核电现状和发展趋势简介.核安全.2007，28（4）：56-58.

[2]王庆武.核电厂在役检查探讨，中国核电.2008，1（2）：156-167.

[3]丁训慎.蒸汽发生器的维修技术与工具.核电工程与技术.2004，Z（3）：23-27.

[4]吴根华，阎建芳，许遵言.核电站蒸汽发生器的无损检测.无损检测.2005，27（10）：547-550.

[5]杨宝初.我国核蒸汽发生器传热管在役检测现状.无损检测.2000，22（5）：215-218.

[6]张学荣，霍利，孙锐.核电站蒸汽发生器及其质量监督.电力建设，2007，28（8）：53-55.