淺談核電廠異物的探查和俘獲

1、    淺談核電廠異物的探查和俘獲    彭恭斌張志鵬柯濤王羽翀摘 要核電廠異物的產(chǎn)生將會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)設(shè)備降級(jí)或功能異常，嚴(yán)重時(shí)將直接損壞設(shè)備，導(dǎo)致核安全事故事件發(fā)生，直接威脅核電廠的安全穩(wěn)定運(yùn)行。本文介紹了國(guó)內(nèi)外異物探查和俘獲的一些先進(jìn)技術(shù)，結(jié)合日常工作經(jīng)驗(yàn)和對(duì)幾種主要的異物探查和俘獲方法的分析比對(duì)，歸納總結(jié)了一套行之有效的異物探查和俘獲工序，對(duì)提高核電廠異物探查和俘獲有一定的實(shí)用價(jià)值。關(guān)鍵詞核電廠;異物;探查;俘獲中圖分類號(hào)： tm623                 &#

2、160;    文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： adoi：10.19694/ki.issn2095-2457.2020.11.0540 前言異物是指在核電廠系統(tǒng)、設(shè)備自身以外的，進(jìn)入、遺留或存在于系統(tǒng)設(shè)備中對(duì)系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行和性能造成不利影響的物項(xiàng)。異物在系統(tǒng)和設(shè)備中，會(huì)造成管道的意外磨損，導(dǎo)致設(shè)備降級(jí)或功能異常，嚴(yán)重時(shí)將直接導(dǎo)致設(shè)備損壞。泥沙和沉淀還可能堵塞儀表管，造成錯(cuò)誤顯示，釀成事故。如果異物進(jìn)入到堆芯或一回路系統(tǒng)中，可能導(dǎo)致燃料組件包殼破損，使輻射水平增高以及放射性污染擴(kuò)散，異物還可能破壞邊界（過濾器濾網(wǎng)、化學(xué)處理器），造成系統(tǒng)設(shè)備失效，直接威脅核電廠的安全穩(wěn)定運(yùn)行。核電廠異物來(lái)源主要有

3、以下幾個(gè)方面：首先是在設(shè)備制造、安裝和檢修期間的異物控制不足，防異物措施不到位，使異物進(jìn)入到設(shè)備和系統(tǒng)中;其次在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，設(shè)備磨損、破損、松動(dòng)和脫落都會(huì)產(chǎn)生的異物，系統(tǒng)在高溫和高速流體的沖刷下會(huì)產(chǎn)生磨損，甚至還會(huì)造成設(shè)備內(nèi)部保護(hù)層的脫落，產(chǎn)生大量異物;同時(shí)高溫、弱酸的傳導(dǎo)介質(zhì)會(huì)銹蝕系統(tǒng)設(shè)備，從而產(chǎn)生異物。在停堆大修期間，人因過失也會(huì)產(chǎn)生異物，設(shè)備安裝不可靠，防防脫落措施不完善，造成設(shè)備整體或零部件脫落，會(huì)產(chǎn)生異物。1 核電廠異物現(xiàn)狀1.1 異物的種類異物種類很多，為有針對(duì)性地采取探查和俘獲措施，主要將核電廠的異物按以下幾種方法分類。1）按異物的外廓尺寸和重量分類，可分為：（1）微粒：粉塵

4、、氣溶膠等;（2）顆粒：1-10mm毫米級(jí);（3）小件：外廓尺寸為10mm100mm級(jí)，或重量小于1kg;（4）大件：外廓尺寸大于100mm，或重量超過1kg。2）按異物形態(tài)分類，可分為：（1）氣態(tài)：浮塵、氣溶膠等;（2）液態(tài)：油性、水性等;（3）固態(tài)：粉末狀、泥沙狀、顆粒狀、塊狀等。1.2 異物的產(chǎn)生場(chǎng)所在核電廠停堆大修期間，設(shè)備集中檢修，是異物形成的高發(fā)期，以下是異物的主要產(chǎn)生時(shí)機(jī)和場(chǎng)所：1）容器類設(shè)備開人孔蓋及開封頭檢查;2）池邊、坑邊的各類作業(yè);3）泵類設(shè)備開蓋檢查;4）熱交換器類設(shè)備開人孔蓋、端蓋檢查;5）閥類設(shè)備開閥蓋檢查;6）工藝系統(tǒng)管道內(nèi)部檢查;7）電氣/儀控盤、柜檢修（交叉作

5、業(yè)有異物落入的風(fēng)險(xiǎn)時(shí)）。2 異物的探查2.1 異物的探查方法異物俘獲的前提是探查到異物，探查異物的手段主要有目視、射線、聲吶等多種方法，其中目視是最直接有效的方法，目視方法又可分為直接目視和間接目視。直接目視是利用肉眼直接觀察的探查方法，當(dāng)能充分靠近目標(biāo)，眼睛離被檢表面不超過610mm，與被檢表面所成的視角不小于30°時(shí)，則一般可采用直接目視方法，觀察時(shí)可以采用反光鏡來(lái)改善探查角度，并可借助放大鏡來(lái)進(jìn)行探查。間接目視是指借助內(nèi)窺鏡、水下電視檢查系統(tǒng)、爬行器（異物檢查機(jī)器人）等輔助設(shè)備進(jìn)行觀察的目視方法。無(wú)論選擇哪一種目視方法，都應(yīng)該能達(dá)到以下幾個(gè)目的：1）判定出異物的方位和屬性（主要

6、指外廓和重量），以便合理地選用俘獲設(shè)備和俘獲方法;2）判定環(huán)境條件，選擇合理的俘獲時(shí)機(jī);3）在俘獲操作中，給操作人員提供引導(dǎo);4）觀察并評(píng)估異物俘獲后的效果。2.2 異物探查常用設(shè)備間接目視常用的探查設(shè)備主要有工業(yè)電子內(nèi)窺鏡、水下電視檢查系統(tǒng)、爬行器（異物檢查機(jī)器人）等。2.2.1 工業(yè)電子內(nèi)窺鏡工業(yè)電子內(nèi)窺鏡適用于容器內(nèi)部狹小空間的探查，以及壓力管道內(nèi)部異物狀況的快速視頻診斷。工業(yè)電子內(nèi)窺鏡一般可四方向擺頭，運(yùn)動(dòng)靈活，最小的內(nèi)窺鏡直徑只有1.8mm。工業(yè)內(nèi)窺鏡的缺點(diǎn)是視野小，景深?。?0100mm），大面積檢查時(shí)效率低，不適合遠(yuǎn)距離檢查。工業(yè)電子內(nèi)窺鏡一般都具有定量測(cè)量功能，并融合了最新的計(jì)

7、算機(jī)數(shù)字存儲(chǔ)處理技術(shù)。電子內(nèi)窺鏡不是通過光學(xué)鏡頭或光導(dǎo)纖維傳導(dǎo)圖像，而是通過裝在內(nèi)窺鏡前端的光電耦合元件ccd將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，再?jīng)過圖像處理器重建高清晰度圖像顯示在監(jiān)視器屏幕上。國(guó)際主流的工業(yè)電子內(nèi)窺鏡廠家有美國(guó)韋林（everest）、德國(guó)沃勒（whler）、日本奧林巴斯（olympus），以下是兩種具有代表性的內(nèi)窺鏡產(chǎn)品。a）everest xlg3工業(yè)視頻內(nèi)窺鏡系統(tǒng)everest xlg3工業(yè)內(nèi)窺鏡具有40萬(wàn)像素，景深范圍10mm100mm，可迅速識(shí)別和測(cè)量異物，能將檢測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)寫入內(nèi)置dvd/cd，然后連接到因特網(wǎng)通過電子郵件傳輸報(bào)告。everest xlg3工業(yè)內(nèi)窺鏡有精密的影像控制

8、功能，通過亮度調(diào)節(jié)，能在任何探查環(huán)境實(shí)現(xiàn)自動(dòng)或手動(dòng)曝光，系統(tǒng)使用可互換的quickchange探頭，能夠迅速重新配置手持部分的探頭直徑和長(zhǎng)度，以獲得最大檢測(cè)能力。b）德國(guó)韋沃vs600工業(yè)內(nèi)窺鏡德國(guó)韋沃vs600工業(yè)內(nèi)窺鏡外觀如圖1所示。vs600內(nèi)窺鏡具備jvc 彩色工業(yè)控制箱系統(tǒng)、60米硬度推索收放器和具備激光測(cè)量功能的rs02-pl 彩色旋轉(zhuǎn)鏡頭，適用于管徑26mm-600mm管道的內(nèi)部異物的快速視頻診斷和測(cè)量。檢測(cè)長(zhǎng)度為20米和60米，防水標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到ip68，承受壓力為5bar，特別適合壓力容器內(nèi)部、各類核電壓力管道以及水下帶壓探查。2.2.2 水下電視檢查系統(tǒng)（catu 系列產(chǎn)品）ca

9、tu水下視頻檢查系統(tǒng)在核電領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛，如反應(yīng)堆壓力容器內(nèi)表面檢查、核燃料外觀及裝料后燃料盤存、燃料破損視頻檢查、乏燃料水池視頻檢查等。水下電視檢查系統(tǒng)catu 系列產(chǎn)品一般具有鏡頭自動(dòng)手動(dòng)變倍、變焦控制功能，手動(dòng)調(diào)光功能，可承受3bar以上的水壓，在清澈的水下，自帶的照明也能清晰地分辨出1800mm以內(nèi)0.4mm的人工傷。catu 系列產(chǎn)品還有一定的耐輻照能力，例如catu160系列一般可在劑量率小于10gy/hr的輻照環(huán)境中正常工作，累積劑量可達(dá)600gy。它還配置了激光器附件，可以對(duì)異物的外形進(jìn)行測(cè)量，為探查人員評(píng)估異物重量提供依據(jù)，以制定俘獲方案。正因如此，catu160水下視頻系

10、統(tǒng)在電視檢查系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于核電廠的異物探查工作中。目前我國(guó)內(nèi)較為成熟的產(chǎn)品是catu160型水下電視檢查系統(tǒng)，其性能參數(shù)見表1。2.2.3 管道爬行器管道爬行器是檢查管道內(nèi)表面的利器，它可以進(jìn)入管道數(shù)百米，有一定的爬坡、越障能力，自身配備定焦攝像頭和照明系統(tǒng)，具有一定的防水功能。目前國(guó)際成熟的產(chǎn)品是rovver系列爬行器，該系列產(chǎn)品主要有rovver400、rovver 600、rovver 900等型號(hào)。以rovver 600為例，其配置的鏡頭為1/2in color ccd，具有38萬(wàn)像素，有效爬行距離為200m，防水深度10m，具體構(gòu)成見圖2。國(guó)內(nèi)爬行器生產(chǎn)廠家也較多，但性能與rovv

11、er系列爬行器相比還有一定差距，在核電行業(yè)內(nèi)應(yīng)用不多。2.2.4 其他輔助設(shè)備除上述設(shè)備外，為了迅速準(zhǔn)確地探查異物，還需要使用輔助照明設(shè)備、輔助監(jiān)視設(shè)備和記錄設(shè)備等。輔助照明設(shè)備主要有強(qiáng)力探照燈、水下燈，輔助監(jiān)視設(shè)備包括各類監(jiān)視器，記錄設(shè)備主要有采集分析計(jì)算機(jī)、各類相機(jī)、錄像機(jī)等。2.3 探查系統(tǒng)的標(biāo)定無(wú)論使用哪種探查系統(tǒng)，在探查前都應(yīng)對(duì)探查系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，確保探查結(jié)果的準(zhǔn)確性，探查系統(tǒng)的標(biāo)定應(yīng)按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。標(biāo)定主要針對(duì)系統(tǒng)靈敏度和激光標(biāo)尺，系統(tǒng)靈敏度的標(biāo)定一般是依據(jù)asme標(biāo)準(zhǔn)，即在反射率為18%的灰度卡至少能分辨出0.8mm的黑線，激光標(biāo)尺的標(biāo)定是保證測(cè)量準(zhǔn)確性的前提，激光標(biāo)尺影響測(cè)量異物

12、大小的準(zhǔn)確性，進(jìn)而影響異物俘獲的方案。3 異物的俘獲探查主要是為了發(fā)現(xiàn)異物從而進(jìn)行分析和判斷異物的性質(zhì)，然而探查到異物并不是最終目的，如何將異物順利俘獲，排除隱患才是最終目的。3.1 異物俘獲的時(shí)機(jī)核電廠換料大修期間會(huì)有大量的開口作業(yè)或池邊、坑邊作業(yè)，同時(shí)有大量的設(shè)備解體，這是異物產(chǎn)生的高發(fā)期，也是需要重點(diǎn)防范的階段，同時(shí)也是異物俘獲的最佳時(shí)機(jī)。3.2 異物俘獲的方法核電廠異物按俘獲方法可以分為吸塵和直接抓取。3.2.1 核設(shè)施的吸塵核設(shè)施的吸塵主要是使用吸塵器對(duì)核設(shè)施的環(huán)境和表面進(jìn)行吸塵，以去除核設(shè)施所處環(huán)境或表面的微粒狀異物或顆粒狀異物。吸塵法按使用環(huán)境又可分為水下吸塵法和水上吸塵器法，吸

13、塵法使用的主要工具有水下工業(yè)吸塵器和水上吸塵器。不論哪種吸塵法，都必須使用直接或間接目視進(jìn)行導(dǎo)引并評(píng)估吸塵效果。3.2.2 異物的直接抓取核電廠異物直接抓取的方法有磁力吸附、機(jī)械抓取、遙控機(jī)器人抓取和真空吸附等。每種俘獲方法均有其適應(yīng)范圍，可以單獨(dú)使用，也可聯(lián)合使用。圖3為美國(guó)韋林（everest）工業(yè)內(nèi)窺鏡配套的專用抓取工具，它適合顆粒和小件異物的抓取。3.2.3 自動(dòng)（半自動(dòng)）抓取自動(dòng)（半自動(dòng)）抓取要是利用自動(dòng)（半自動(dòng)）抓取設(shè)備，在輔助監(jiān)視設(shè)備的引導(dǎo)下，完成異物的抓取工作。自動(dòng)（半自動(dòng)）抓取工具種類很多，按抓取動(dòng)力分可為氣動(dòng)抓取工具和電動(dòng)抓取工具。氣動(dòng)抓取工具抓取動(dòng)力來(lái)自壓縮空氣，控制系統(tǒng)

14、也以氣動(dòng)元件為主，執(zhí)行機(jī)構(gòu)為氣夾、吸盤等，氣夾、吸盤工作原理簡(jiǎn)單，防水性強(qiáng)，便于維修和安裝。電動(dòng)抓取工具抓取動(dòng)力來(lái)自電源，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以電器元件為主，執(zhí)行機(jī)構(gòu)為電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)中又可分為擺動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和直線運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。為達(dá)到滿意的效果，通常將兩種方法組合使用。3.3 典型的異物俘獲工具為達(dá)到最佳抓取效果，一般要將抓取設(shè)備裝載到運(yùn)載設(shè)備或支持設(shè)備上，制成專用的異物俘獲工具，這些設(shè)備主要有管道爬行器、打撈機(jī)械手等。例如rovver 600爬行器（可在水下使用），是目前國(guó)內(nèi)使用較普遍的異物俘獲設(shè)備。該設(shè)備由水下爬行機(jī)、二維云臺(tái)、電視攝像系統(tǒng)、圖像壓縮存儲(chǔ)系統(tǒng)、機(jī)械手和操控器等部分組成。機(jī)械手可

15、以拾取諸如螺絲刀、扳手等大件的異物，打撈異物的重量可達(dá)2kg，該爬行器集光學(xué)、精密機(jī)械、自動(dòng)控制、信息處理技術(shù)和系統(tǒng)集成于一體，具有對(duì)水下目標(biāo)的自動(dòng)識(shí)別、探測(cè)、作業(yè)等能力。3.4 異物取出后的處理異物取出后，應(yīng)逐一登記并拍照，登記內(nèi)容包括異物的材質(zhì)、形狀、尺寸、重量、歸屬等特性，并由參與見證人員簽字。異物若有放射性沾污的可能，應(yīng)首先進(jìn)行放射性活度的測(cè)量，查明情況后，交相關(guān)部門按放射性物品處理，相關(guān)部門對(duì)異物產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，并給出處理意見。若異物是設(shè)備零部件意外脫落，應(yīng)制定相應(yīng)的防松措施。4 結(jié)束語(yǔ)異物直接影響核電廠的穩(wěn)定運(yùn)行，是核安全的重大威脅，因此對(duì)異物進(jìn)行探查和俘獲顯得意義重大。在異物產(chǎn)生后，通過正確的探查方法獲取異物的種類，分析異物產(chǎn)生的原因，從而選擇最合適的異物俘獲工具，制定相應(yīng)的俘獲步驟，對(duì)異物的順利俘獲起著至關(guān)重要的作用。隨著核工業(yè)的發(fā)展，投入運(yùn)行的核電機(jī)組越來(lái)越多，異物的探查和俘獲技術(shù)會(huì)得到更加廣闊的應(yīng)用，但是從根本上來(lái)說(shuō)，對(duì)于異物事件的控制，將異物事