核电厂海水泵房水下清淤机器人探索研究

孙宇宝

(福建福清核电有限公司，福建 福清 350318)

0 引言

由于核电厂海水泵房系统设备结构复杂、运行环境较为恶劣，为保证设备安全可靠性，及时发现并清理积累在海水泵房鼓网腔室底部的海生物与淤泥，以保证电厂冷源安全可靠运行。泵房鼓网腔室清淤工作处在水平面以下20 m左右，属于密闭空间，人员不易操作，在大修放闸板排水后方可实施清淤作业，一般情况下淤泥厚度约为20～30 cm，每次约需投入20人连续作业1天的时间，并且在清淤过程中可能存在有害气体(如H2S等)，遇到突发情况时人员无法迅速撤离现场，安全风险极高。至今海水泵房的海生物清理任务仍采用人工清理方式，伴随着的是工作环境恶劣、作业风险高、效率低、劳动强度大等问题[1]。

随着智能机器人技术的日渐成熟，以智能机器人替代人工的方式完成复杂恶劣环境中的高强度作业必将是未来核电厂运维作业的方向[2]。本论文针对核电厂海水泵房鼓网底部的作业环境进行研究，通过模拟环境进行试验验证，优化清淤工艺，采用远程监控系统，实现清淤过程的自动化操作，可有效避免人员现场作业风险，提升核电厂冷源应急响应及处置能力。

1 系统方案

1.1 总体思路

清淤机器人系统由水上和水下两部分组成。水上部分包括集中控制平台、液压动力站和动力柜；水下部分即为清淤机器人本体，包括水下控制箱和水下液控箱两大部分[3]。集中控制平台是清淤机器人的核心单元，负责向动力柜和水下控制箱发送控制信号以及接收水下控制箱和液压动力站的反馈信号；液压动力站根据信号指令为机器人提供动力，通过油管与水下液控箱相连，进而控油缸和液压马达；动力柜接收集中控制平台发来的控制信号，为液压动力站提供电能；水下控制箱是机器人水下部分的核心元件，向水下液控箱发送控制信号并接收水下液控箱反馈信号，同时通过以太网实时将机器人水下状态反馈给集中控制平台；水下液控箱直接控制油缸和液压马达，接收水下控制箱的控制信号，将自身状态反馈至水下控制箱[4]。

图1 水下清淤机器人系统组成图Fig.1 Composition of the underwater dredging robot system

1.2 技术方案

鼓网腔室底部清淤机器人可以满足大修抽水过程中开展清淤作业并可进行远程操控，确保鼓网腔室底部平面清理范围全覆盖。在鼓网腔室存在淤泥的情况下，确保清淤机器人能够顺利实现前进、后退、转弯等动作。应根据场地条件，确保鼓网底部清淤机器人能够由设备出入口顺利进入与退出，防止因尺寸过大而影响设备进入与退出时间，耽误施工进程。

在清淤过程中，为确保人员、设备及构筑物安全，水下清淤机器人在系统设计上应确保不会与构筑物发生硬性碰撞，不对构筑物造成损伤，动力系统应安全可靠，避免发生漏电、短路；根据鼓网底部工况，对水下清淤机器人应进行充分的防水密封处理，防止因设备进水而发生漏电、漏液、短路等事故。在设备可靠性方面，应考虑进行防腐蚀设计，避免设备锈蚀及腐蚀；并应设计有故障应急处理措施，确保设备故障情况下能够迅速拖离出水池。

根据以上要求，结合现场实际工作场景，水下清淤机器人在设计上应满足如下条件：

1)可实时显示多个摄像头从不同角度拍摄的作业环境，具备声呐探测功能，可对周围淤泥进行扫描探测；具备线缆自动收放功能；具备操作台可远程控制；淤泥可远距离输送，输送距离不小于30 m；

2)具备前铲和水枪泵可将鼓网水池淤泥进行松动，并可将淤泥往井口方向推进，机器人上不带吸污泵，鼓网水池淤泥靠鼓网检修井底部的吸污泵进行抽吸；

3)设备电缆要考虑水下绝缘，保证设备水下作业安全性；

4)清淤机器人应配备声呐及摄像头，地面配备电缆收放设备。

1.3 硬件方案

1.3.1 控制模块

控制模块主要包括主控制箱、水下控制箱、连接电缆、卷线器等。

主控制箱是整个控制系统的人机交互的枢纽，主要包含有工控机、开关电源、显示器、操作按钮等元件。主控制箱通过网络信号接收摄像头和声呐传输回来的视频信号、温度、压力等参数，能实时显示机器人在水下所处的环境。

水下控制箱主要集成有液控元件、开关电源等元器件。主要是接收主控制箱的控制命令，实现清淤机器人的移动、举铲、落铲、渣浆泵起停等功能。

1.3.2 动力模块

因鼓网底部清淤机器人在水下主要是进行淤泥的稠化和转移推进，其承受的阻力比较大，即底盘需要提供比较大的扭矩，因此选用对单位质量功率大、无极调速范围广、工况平稳的液压驱动底盘。动力系统采用液压方式[5]，位于地面的液压站通过油管将液压油泵入液压马达，驱动液压马达产生转矩，液压马达轴上套装有液压履带。液压履带底盘选择定制液压履带底盘，长宽高820 mm×800 mm×340 mm，重量约180 kg，底盘有两个液压马达与减速机一体的行走装置，由双排量轴向柱塞液压马达与行走减速器组成，马达内置平衡阀、制动器及高低速切换装。输入流量为25 L/min，额定工作压力为25 MPa，单个马达理论输出扭矩为2 503 Nm，马达排量为9/15 mL/r，理论输出转速为66/39 r/min，减速比为41.929。底盘最大行走速度为5 m/min。

底盘单个马达扭矩F=2 503 N·m，底盘轮子半径为0.17 m，因此单个马达牵引力为

F1=F/r=2 503/0.17=14 723.5 N，两个马达牵引力为2F1=29 447 N。

清淤机器人整机质量约750 kg，滚动摩擦因数0.15，底盘的滚动摩擦阻力：

F2=μmg=0.15/0.324×750×9.8=3 402.8 N

检修井底部距离鼓网水池最远处约30 m，必然在经底部有30 m的吸污管，吸污管直径按照100 mm计算，泥浆含泥量按照10%(密度约为水的2倍)。

30 m吸污管中泥浆质量为G=3.14×0.05×0.05×30×2 000=471 kg，加上吸污管自重，按照600 kg计算，摩擦因数取0.8，得出吸污管的摩擦阻力：

F=μmg=0.8×600×9.8=4 704 N

清淤机器人牵引力29 447 N大于清淤机器人总阻力3 402.8+4 704=8 106.8 N。因此该底盘能够满足清淤机器人使用要求。

清淤机器人的爬坡能力，在忽略传动系数、水泥阻力等因数影响下，其受力分析如图2，其中牵引力F由液压马达扭矩M产生，其大小应大于机器人重力mg对斜面的正压力乘以摩擦系数，计算公式为：

图2 清淤机器人爬坡力分析Fig.2 Analysis of the dredging robot climbing force

图3 清淤机器人水下部分设计结构图Fig.3 The design structure of the underwater part of the dredging robot

图4 水下清淤机器人试验模拟体Fig.4 Underwater experiment simulation of the dredging robot

图5 清淤机器人远程监控主界面图Fig.5 The remote monitoring main interface of the dredging robot

F=mgcosα×μ≥mgsinα+fr+f0

其中fr、f0分别为滚动摩擦阻力和吸污管阻力，其中橡胶履带与混凝土地面摩擦系数μ参照取0.6，当不计fr、f0时，tanα≤0.6，即α≤31°，所以清淤机器人的最大爬坡角度为31°。

1.3.3 视觉模块

视觉模块为清淤机器人提供视觉信息，包括距离其他物体的距离，可用于导航和目标物识别等。视觉模块由声纳和摄像头组成，在水下光线良好的情况下，依靠摄像头提供视觉信息，弱光时声呐负责成像并反馈到上位机。

2 软件方案

2.1 主体程序

主体程序功能包含以下几个方面：

1)视频采集与显示：将采集的摄像头的视频信号处理后显示；

2)摄像头云台控制：软件界面中设置有摄像头云台运动控制控件，用户可根据需要在软件界面上进行云台控制；

3)声呐信号采集：将采集到的声呐信号解析后显示；

4)声呐云台控制：软件界面中设置有声呐云台运动控制控件，用户可根据需要在软件界面上进行云台控制；

5)清淤机器人运动控制：通过操作软件对全向移动平台进行运动控制，包括前进、后退、旋转以及运动速度控制；

6)辅助定位：主控软件将采集的清淤机器人姿态、位置信息进行整合，并以3D模型的形式实时显示；

7)状态信息显示：包括硬件连接状态以及设备运行状态显示；

8)视频存储功能：视频数据进行存储，方便用户后续查看。

水下清淤机器人软件主界面由菜单栏、信息显示窗口、操作栏、消息日志窗口、状态栏、摄像显示窗口六部分组成。

1)菜单栏：用于进行相应的设置操作，包括“连接”“设置”“状态信息界面”“声呐界面”“三维显示界面”和“帮助”，点击“菜单栏按钮会弹出相应的子界面；

2)信息显示窗口：显示当前硬件连接状态以及设备运行状态；

3)操作栏：包括云台控制和小车控制操作，云台控制总共有四个方向，即前进、后退、左转、右转，小车控制总共有七个操作，包括小车的前进、后退、左旋转、右旋转、挡位选择、活塞杆伸出、活塞杆缩回；

4)消息日志窗口：设备运行日志信息窗口，显示设备在运行过程中用户的各项操作和操作；

5)状态栏：显示水下清淤机器人当前状态和时间；

6)摄像显示窗口：显示水下清淤机器人上摄像头捕捉到的图像信息。

水下清淤机器人的主体程序首先对陀螺仪、摄像头、声呐等进行初始化。然后进入待机模式，等待上位机的控制指令[6]，判断运行模式。运动包括前进、后退、左右移动等。而在遥控模式时，系统通过接收遥控装置传来的控制指令，手动控制机器人的行走。

2.2 导航定位程序

机器人通过惯性导航、陀螺仪及编码器进行机器人轨迹计算，其原理是利用加速度计与时间进行积分，可以得到机器人行走速度，计算行走距离。由于履带存在打滑，此算法会存在累计误差，通过声呐进行周围测距，得到机器人的绝对坐标，并进行机器人轨迹修正。

导航定位为清淤机器人提供精准的水底二维平面上位置信息。摄像头和声呐获取的图像传输到上位机，结合图像识别技术，识别出机器人距离墙壁的距离，进而生成二维坐标点，再将当前时刻生成的坐标点与上一时刻坐标点用光滑的曲线连接，生成机器人运动轨迹。由于机器人在清淤过程中运动速度较慢，速度为3～5 cm/s，可将图像采集频率适当放慢，以提高程序运行流畅度。

3 试验过程与结果

根据设计方案，对机器人通信、运动、导航定位和清淤功能进行陆地和水下试验。

3.1 陆地试验

机器人下水前先进性陆地功能测试。首先，上位机发送液压泵开启信号、循环泵开启信号，保证机器人获取充足稳定的油源；其次，测试运动能，分别测试机器人直线前进、直线后退、左转、右转时的速度是否稳定；最后，测试导航定位功能，对比计算轨迹是否与实际轨迹存在偏差。测试结果：上位机与通信可以实时通信，发送命令和接受反馈响应迅速；机器人直线运动过程中速度平稳，无走偏现象，转弯时轨迹为圆弧形；导航定位轨迹与实际轨迹近似重合，测试结果均符合设计规范。

3.2 水下试验

3.2.1 水下试验模拟体制作

试验模拟体主要模拟验证现场的接口环境，清淤机器人可否通过现场的检修井并行走至鼓网水池底部，以及可否顺利退出检修井。模拟体采用Q235材料，矩形管焊接，表面涂漆，总高2 m，检修井门洞高1.5 m，并往鼓网水池方向开45°通道，走廊宽1 m、长3 m。

3.2.2 模拟涵洞通过及爬坡试验

清淤机器人进出涵洞工艺测试：通过小型龙门吊将清淤机器人吊装至模拟体井底支架上，模拟清淤机器人进出涵洞的完整工艺流程，整个运行过程顺畅，清淤机器人行走不与模拟体发生碰撞，未出现其他异常现象。

视频功能测试：视频画面清晰，能通过远程视频操作龙门吊将清淤机器人抓取及释放。

爬坡测试：通过远程控制系统操作清淤机器人平稳驶上30°斜坡直达试验模拟体平台，将清淤机器人从试验模拟体平台上通过30°斜坡行驶至地面，整个过程机器人未出现异常情况。

3.2.3 区域覆盖试验

主要验证清淤机器人行走轨迹是否能够覆盖水池工作范围，在宽6.5 m、长10 m的工作区域内沿预定轨迹行走，未驶出划定区域，机器人驶入退出过程，覆盖整个工作区域，管路及电缆未出现扭曲打结，未出现异常情况。

3.2.4 转弯半径试验

验证机器人在水平地面转弯半径≤1.5 m，使机器人底盘处于连续转弯行走状态，画出机器人底盘离转向中心最远点形成的轨迹圆，在互相垂直的两个方向测量轨迹圆直径，取算数平均值，试验测得转弯半径为0.65 m，满足要求。

3.2.5 水下功能验证

主要包括通过控制系统摇杆控制清淤机器人运行和通过界面控制声呐、摄像头及云台，同时反馈显示清淤机器人的状态信息是声呐、摄像头的图像信息。通过声呐、陀螺仪等元器件，判断清淤机器人所处的位置及行走轨迹。

1)摄像头、声呐及云台动作测试：经测试，摄像头以及声呐云台动作流畅，可以按照控制命令进行动作；摄像头在水下摄像能看清距离机器人0.2 m以上范围。

2)运动控制测试：分别设置速度为1.2、3和5 m/min，测试机器人可平稳行驶，变速响应快速及时。

3)转向控制测试：通过控制系统摇杆操作机器人转向，机器人可以根据操作杆指令相应改变状态，转向功能正常。

4)急停功能测试：通过控制系统摇杆使清淤机器人运动，并保持速度稳定后，按下急停按钮，观察清淤机器人能正常停止动作。急停按钮复位后，清淤机器人处于停止状态，未自行动作。

5)前铲升降测试：通过控制系统操控清淤机器人前铲升降，升降过程流畅、无卡涩。

3.2.6 整体性能测试

主要验证清淤机器人吸污能力以及吸污效果，以及清淤机器人水下作业综合性能。对此分别模拟100 mm及500 mm厚度淤泥两种现场工况下清淤机器人的性能。经测试，在这两种工况下，清淤机器人可持续进行清淤，清淤处理完成后小车可以正常行走，整个过程排污管无堵塞，清淤性能正常。设备连续作业12 h，试验过程中各项参数正常，具备良好的连续作业性能。

3.3 清淤能力测算

1)污水泵流量为40 m3/h，实际工作效率按照理想效率的90%计算；

2)污水泵清淤效率为40×0.9=36 m3/h；

3)其中淤泥含量约为10%，为3.6 m3/h；

4)按照实际淤泥分布情况，淤泥方量按照30 m3计算；

5)污泥清理时间为30/3.6=8.3 h；

6)底盘最大行走速度为5 m/min，实际按照1.5 m/min计算，鼓网水池长25 m，宽6.5 m，机器人前铲宽度0.9 m，理论上机器人行走距离为25×(6.5/0.9)=180 m；

7)机器人行走时间为180/1.5=120 min，即2 h；

8)因此清淤机器人清淤总时间估计为8.3+2=10.3 h。

大修期间下闸板及鼓网腔室排水时间约需24 h，因此水下清淤机器人可在鼓网腔室排水期间完成清淤工作，时间裕量充足。

综上，水下清淤机器人陆上及水下试验结果满足要求，清淤能力测算满足大修窗口要求。

4 结束语

本文设计的适用于福清核电海水泵房的水下清淤机器人，通过在水上和水下通信、运动控制、导航定位和清淤的功能测试，各项参数满足技术要求。试验结果表明，该水下清淤机器人系统工作稳定，实现了操作人员对机器人的远程监视与控制，可以提高清淤效率、降低工作人员安全风险，从而保证海水泵房的稳定运行，提高机组冷源可靠性，满足预期要求，后续通过现场试验并持续优化后投入使用。水下清淤机器人作为新型智能化、自动化工具，在核电领域值得广泛应用和推广。