浅谈核电厂异物的探查和俘获

彭恭斌　张志鹏　柯涛　王羽翀

摘 要

核电厂异物的产生将会导致系统设备降级或功能异常，严重时将直接损坏设备，导致核安全事故事件发生，直接威胁核电厂的安全稳定运行。本文介绍了国内外异物探查和俘获的一些先进技术，结合日常工作经验和对几种主要的异物探查和俘获方法的分析比对，归纳总结了一套行之有效的异物探查和俘获工序，对提高核电厂异物探查和俘获有一定的实用价值。

关键词

核电厂;异物;探查;俘获

中图分类号： TM623                      文献标识码： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.11.054

0 前言

异物是指在核电厂系统、设备自身以外的，进入、遗留或存在于系统设备中对系统设备运行和性能造成不利影响的物项。异物在系统和设备中，会造成管道的意外磨损，导致设备降级或功能异常，严重时将直接导致设备损坏。泥沙和沉淀还可能堵塞仪表管，造成错误显示，酿成事故。如果异物进入到堆芯或一回路系统中，可能导致燃料组件包壳破损，使辐射水平增高以及放射性污染扩散，异物还可能破坏边界（过滤器滤网、化学处理器），造成系统设备失效，直接威胁核电厂的安全稳定运行。

核电厂异物来源主要有以下几个方面：首先是在设备制造、安装和检修期间的异物控制不足，防异物措施不到位，使异物进入到设备和系统中;其次在系统运行过程中，设备磨损、破损、松动和脱落都会产生的异物，系统在高温和高速流体的冲刷下会产生磨损，甚至还会造成设备内部保护层的脱落，产生大量异物;同时高温、弱酸的传导介质会锈蚀系统设备，从而产生异物。在停堆大修期间，人因过失也会产生异物，设备安装不可靠，防防脱落措施不完善，造成设备整体或零部件脱落，会产生异物。

1 核电厂异物现状

1.1 异物的种类

异物种类很多，为有针对性地采取探查和俘获措施，主要将核电厂的异物按以下几种方法分类。

1）按异物的外廓尺寸和重量分类，可分为：

（1）微粒：粉尘、气溶胶等;

（2）颗粒：1-10mm毫米级;

（3）小件：外廓尺寸为10mm～100mm级，或重量小于1kg;

（4）大件：外廓尺寸大于100mm，或重量超过1kg。

2）按异物形态分类，可分为：

（1）气态：浮尘、气溶胶等;

（2）液态：油性、水性等;

（3）固态：粉末状、泥沙状、颗粒状、块状等。

1.2 异物的产生场所

在核电厂停堆大修期间，设备集中检修，是异物形成的高发期，以下是异物的主要产生时机和场所：

1）容器类设备开人孔盖及开封头检查;

2）池边、坑边的各类作业;

3）泵类设备开盖检查;

4）热交换器类设备开人孔盖、端盖检查;

5）阀类设备开阀盖检查;

6）工艺系统管道内部检查;

7）电气/仪控盘、柜检修（交叉作业有异物落入的风险时）。

2 异物的探查

2.1 異物的探查方法

异物俘获的前提是探查到异物，探查异物的手段主要有目视、射线、声呐等多种方法，其中目视是最直接有效的方法，目视方法又可分为直接目视和间接目视。直接目视是利用肉眼直接观察的探查方法，当能充分靠近目标，眼睛离被检表面不超过610mm，与被检表面所成的视角不小于30°时，则一般可采用直接目视方法，观察时可以采用反光镜来改善探查角度，并可借助放大镜来进行探查。间接目视是指借助内窥镜、水下电视检查系统、爬行器（异物检查机器人）等辅助设备进行观察的目视方法。

无论选择哪一种目视方法，都应该能达到以下几个目的：

1）判定出异物的方位和属性（主要指外廓和重量），以便合理地选用俘获设备和俘获方法;

2）判定环境条件，选择合理的俘获时机;

3）在俘获操作中，给操作人员提供引导;

4）观察并评估异物俘获后的效果。

2.2 异物探查常用设备

间接目视常用的探查设备主要有工业电子内窥镜、水下电视检查系统、爬行器（异物检查机器人）等。

2.2.1 工业电子内窥镜

工业电子内窥镜适用于容器内部狭小空间的探查，以及压力管道内部异物状况的快速视频诊断。

工业电子内窥镜一般可四方向摆头，运动灵活，最小的内窥镜直径只有1.8mm。工业内窥镜的缺点是视野小，景深小（10～100mm），大面积检查时效率低，不适合远距离检查。工业电子内窥镜一般都具有定量测量功能，并融合了最新的计算机数字存储处理技术。电子内窥镜不是通过光学镜头或光导纤维传导图像，而是通过装在内窥镜前端的光电耦合元件CCD将光能转变为电能，再经过图像处理器重建高清晰度图像显示在监视器屏幕上。

国际主流的工业电子内窥镜厂家有美国韦林（Everest）、德国沃勒（Whler）、日本奥林巴斯（OLYMPUS），以下是两种具有代表性的内窥镜产品。

a）Everest XLG3工业视频内窥镜系统

Everest XLG3工业内窥镜具有40万像素，景深范围10mm～100mm，可迅速识别和测量异物，能将检测数据实时写入内置DVD/CD，然后连接到因特网通过电子邮件传输报告。Everest XLG3工业内窥镜有精密的影像控制功能，通过亮度调节，能在任何探查环境实现自动或手动曝光，系统使用可互换的QuickChange探头，能够迅速重新配置手持部分的探头直径和长度，以获得最大检测能力。

b）德国韦沃VS600工业内窥镜

德国韦沃VS600工业内窥镜外观如图1所示。VS600内窥镜具备JVC 彩色工业控制箱系统、60米硬度推索收放器和具备激光测量功能的RS02-PL 彩色旋转镜头，适用于管径26mm-600mm管道的内部异物的快速视频诊断和测量。检测长度为20米和60米，防水标准达到IP68，承受压力为5bar，特别适合压力容器内部、各类核电压力管道以及水下带压探查。

2.2.2 水下电视检查系统（CATU 系列产品）

CATU水下视频检查系统在核电领域应用十分广泛，如反应堆压力容器内表面检查、核燃料外观及装料后燃料盘存、燃料破损视频检查、乏燃料水池视频检查等。

水下电视检查系统CATU 系列产品一般具有镜头自动手动变倍、变焦控制功能，手动调光功能，可承受3bar以上的水压，在清澈的水下，自带的照明也能清晰地分辨出1800mm以内0.4mm的人工伤。CATU 系列产品还有一定的耐辐照能力，例如CATU160系列一般可在剂量率小于10Gy/hr的辐照环境中正常工作，累积剂量可达600Gy。它还配置了激光器附件，可以对异物的外形进行测量，为探查人员评估异物重量提供依据，以制定俘获方案。正因如此，CATU160水下视频系统在电视检查系统被广泛应用于核电厂的异物探查工作中。

目前我国内较为成熟的产品是CATU160型水下电视检查系统，其性能参数见表1。

2.2.3 管道爬行器

管道爬行器是检查管道内表面的利器，它可以进入管道数百米，有一定的爬坡、越障能力，自身配备定焦摄像头和照明系统，具有一定的防水功能。

目前国际成熟的产品是ROVVER系列爬行器，该系列产品主要有ROVVER400、ROVVER 600、ROVVER 900等型号。以ROVVER 600为例，其配置的镜头为1/2in color CCD，具有38万像素，有效爬行距离为200m，防水深度10m，具体构成见图2。

国内爬行器生产厂家也较多，但性能与ROVVER系列爬行器相比还有一定差距，在核电行业内应用不多。

2.2.4 其他辅助设备

除上述设备外，为了迅速准确地探查异物，还需要使用辅助照明设备、辅助监视设备和记录设备等。辅助照明设备主要有强力探照灯、水下灯，辅助监视设备包括各类监视器，记录设备主要有采集分析计算机、各类相机、录像机等。

2.3 探查系统的标定

无论使用哪种探查系统，在探查前都应对探查系统进行标定，确保探查结果的准确性，探查系统的标定应按相关标准执行。标定主要针对系统灵敏度和激光标尺，系统灵敏度的标定一般是依据ASME标准，即在反射率为18%的灰度卡至少能分辨出0.8mm的黑线，激光标尺的标定是保证测量准确性的前提，激光标尺影响测量异物大小的准确性，进而影响异物俘获的方案。

3 异物的俘获

探查主要是为了发现异物从而进行分析和判断异物的性质，然而探查到异物并不是最终目的，如何将异物顺利俘获，排除隐患才是最终目的。

3.1 异物俘获的时机

核电厂换料大修期间会有大量的开口作业或池边、坑边作业，同时有大量的设备解体，这是异物产生的高发期，也是需要重点防范的阶段，同时也是异物俘获的最佳时机。

3.2 异物俘获的方法

核电厂异物按俘获方法可以分为吸尘和直接抓取。

3.2.1 核设施的吸尘

核设施的吸尘主要是使用吸尘器对核设施的环境和表面进行吸尘，以去除核设施所处环境或表面的微粒状异物或颗粒状异物。吸尘法按使用环境又可分为水下吸尘法和水上吸尘器法，吸尘法使用的主要工具有水下工业吸尘器和水上吸尘器。不论哪种吸尘法，都必须使用直接或间接目视进行导引并评估吸尘效果。

3.2.2 异物的直接抓取

核电厂异物直接抓取的方法有磁力吸附、机械抓取、遥控机器人抓取和真空吸附等。每种俘获方法均有其适应范围，可以单独使用，也可联合使用。图3为美国韦林（Everest）工业内窥镜配套的专用抓取工具，它适合颗粒和小件异物的抓取。

3.2.3 自动（半自动）抓取

自动（半自动）抓取要是利用自动（半自动）抓取设备，在辅助监视设备的引导下，完成异物的抓取工作。自动（半自动）抓取工具种类很多，按抓取动力分可为气动抓取工具和电动抓取工具。气动抓取工具抓取动力来自压缩空气，控制系统也以气动元件为主，执行机构为气夹、吸盘等，气夹、吸盘工作原理简单，防水性强，便于维修和安装。电动抓取工具抓取动力来自电源，驱动系统以电器元件为主，执行机构为电动执行机构，电动执行机构中又可分为摆动执行机构和直线运动执行机构。为达到满意的效果，通常将两种方法组合使用。

3.3 典型的异物俘获工具

为达到最佳抓取效果，一般要将抓取设备装载到运载设备或支持设备上，制成专用的异物俘获工具，这些设备主要有管道爬行器、打捞机械手等。

例如ROVVER 600爬行器（可在水下使用），是目前国内使用较普遍的异物俘获设备。该设备由水下爬行机、二维云台、電视摄像系统、图像压缩存储系统、机械手和操控器等部分组成。机械手可以拾取诸如螺丝刀、扳手等大件的异物，打捞异物的重量可达2kg，该爬行器集光学、精密机械、自动控制、信息处理技术和系统集成于一体，具有对水下目标的自动识别、探测、作业等能力。

3.4 异物取出后的处理

异物取出后，应逐一登记并拍照，登记内容包括异物的材质、形状、尺寸、重量、归属等特性，并由参与见证人员签字。异物若有放射性沾污的可能，应首先进行放射性活度的测量，查明情况后，交相关部门按放射性物品处理，相关部门对异物产生的原因进行分析，并给出处理意见。若异物是设备零部件意外脱落，应制定相应的防松措施。

4 结束语

异物直接影响核电厂的稳定运行，是核安全的重大威胁，因此对异物进行探查和俘获显得意义重大。在异物产生后，通过正确的探查方法获取异物的种类，分析异物产生的原因，从而选择最合适的异物俘获工具，制定相应的俘获步骤，对异物的顺利俘获起着至关重要的作用。随着核工业的发展，投入运行的核电机组越来越多，异物的探查和俘获技术会得到更加广阔的应用，但是从根本上来说，对于异物事件的控制，将异物事件的产生的概率降到最低，是核电厂运行过程中更需要关注的问题。

参考文献

[1]核电厂维修（1993年修订）HAD103/08.

[2]秦山核电厂下部堆内构件修复程EN2.7.1—CQIN—1，（EN2.7.1—CQIN-1： Qinshan Unit I Lower Internals Recovery）.

[3]防止核电厂重大事故的重点要求，中国核工业集团公司.

[4]《防异物宣传手册》大亚湾核电营运管理有限责任公司维修部，2008年10月.

[5]异物排除 江苏核电有限公司，2008/11/24.