Ω焊縫自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)定位組件開(kāi)發(fā)

口  張寶軍  嚴(yán)  智  袁光華

(上海核工程研究設(shè)計(jì)院，200233)

        摘  要  Ω焊縫自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)集超聲、渦流和目視檢測(cè)為一體，專用于核電廠反應(yīng)堆    控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與反應(yīng)堆頂蓋杯座之間的連接焊縫檢測(cè)。定位組件是該檢測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分，它由伸縮定位機(jī)構(gòu)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路組成，實(shí)現(xiàn)了該檢測(cè)系統(tǒng)的正確、可靠和自動(dòng)定位。
        關(guān)鍵詞  Ω焊縫 無(wú)損檢測(cè)  自動(dòng)定位 電機(jī)驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路
1  引言
        Ω焊縫是反應(yīng)堆控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與反應(yīng)堆頂蓋杯座之間的連接密封焊縫，是核反應(yīng)堆一回路壓力邊界的特殊密封焊縫。該焊縫的完整性直接關(guān)系到核電站的安全運(yùn)行，一旦泄漏將會(huì)造成巨大的社會(huì)影響和經(jīng)濟(jì)損失。國(guó)內(nèi)某電站就由于焊縫內(nèi)部缺陷的擴(kuò)展破裂而導(dǎo)致兩次反應(yīng)堆緊急停堆。Ω焊縫是半徑小，曲率大，壁厚薄的圓環(huán)形焊縫，環(huán)的布置結(jié)構(gòu)緊湊。以核電站為例，環(huán)外半徑R--lOmm，壁厚T=3mm，焊縫內(nèi)側(cè)可利用的空間僅為4mm，如圖1所示。焊縫位于環(huán)境劑量率達(dá)lOmsv／h的高放射性環(huán)境下，手工探傷會(huì)給檢驗(yàn)人員帶來(lái)很大的放射性危害，而且中間區(qū)域不可達(dá)。因此必須實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢驗(yàn)和數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程采集和存儲(chǔ)，以避免檢測(cè)人員的輻射危害和縮短工作時(shí)間［1］。
        Ω焊縫自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)集超聲、渦流、目視檢測(cè)為一體，依靠自動(dòng)檢測(cè)裝置分別攜載超聲探頭、渦流探頭和CCD攝像頭對(duì)Ω焊縫進(jìn)行內(nèi)部缺陷和表面缺陷檢測(cè)。
自動(dòng)定位組件是Ω焊縫自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分，它由驅(qū)動(dòng)馬達(dá)、機(jī)械定位部件和電機(jī)驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路組成，用于實(shí)現(xiàn)Ω焊縫自動(dòng)檢測(cè)裝置的定位，保證檢測(cè)裝置的順利運(yùn)行。

        本文對(duì)系統(tǒng)及其檢測(cè)運(yùn)行原理做了介紹，  同時(shí)對(duì)自動(dòng)定位組件的機(jī)械定位部件、電機(jī)驅(qū)  動(dòng)保護(hù)電路做了詳細(xì)介紹。
 2  系統(tǒng)及其檢測(cè)運(yùn)行原理
        Ω焊縫自動(dòng)檢測(cè)裝置是一環(huán)狀機(jī)構(gòu)，由裝  置本體和探頭齒輪盤組成，如圖2所示。探頭齒輪盤上分別攜帶6個(gè)不同角度的超聲探頭［2］、4個(gè)渦流探頭和一個(gè)CCD攝像頭。檢測(cè)前，將該裝置從控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)頂端套住控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，逐漸下移至底部Ω焊縫處，然后分別采用超聲、渦流和目視的方法對(duì)Ω焊縫的內(nèi)部、近表面和表面缺陷進(jìn)行檢測(cè)。在檢測(cè)過(guò)程中，為了完成對(duì)整個(gè)焊縫進(jìn)行全面檢測(cè)，探頭齒輪盤需要在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下帶動(dòng)探頭在裝置本體上旋轉(zhuǎn)。然而當(dāng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)探頭齒輪盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，根據(jù)動(dòng)力學(xué)動(dòng)量定理分析以及實(shí)踐證明，裝置本體會(huì)隨著探頭齒輪盤的旋轉(zhuǎn)而反向運(yùn)轉(zhuǎn)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)焊縫的全面檢測(cè)。根據(jù)需要，設(shè)計(jì)了自動(dòng)定位組件以解決以上問(wèn)題。

        定位組件是一伸縮機(jī)構(gòu)，類似于伸縮手臂。它的安裝與運(yùn)行需要一定的空間，依靠伸縮臂支撐相鄰的控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)裝置的定位。系統(tǒng)需要檢測(cè)的Ω焊縫是反應(yīng)堆控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與反應(yīng)堆頂蓋杯座之間的連接密封焊縫。在討論的實(shí)例中，反應(yīng)堆控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖3所示排列，共37套，也就是共有37條焊縫需要檢測(cè)，除中間1套外，每?jī)商卓刂瓢趄?qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)之間在X和Y方向排列均等間距。除中間5套外，控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)在I方向排列等間距。由于在I方向控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)間距很小，當(dāng)Ω焊縫檢測(cè)自動(dòng)裝置安放完畢后，已經(jīng)沒(méi)有空間滿足定位組件的安裝和運(yùn)行。

        利用X或Y方向的交錯(cuò)排列空間如圖4所示，以X方向?yàn)槔?，?dāng)檢測(cè)第i排焊縫時(shí)，利用第i+1或者第i-1排的焊縫的錯(cuò)位空間，以此類推，完成所有37條焊縫的檢測(cè)(對(duì)于中間一條焊縫的檢測(cè)，只要加長(zhǎng)伸縮臂即可)。
3  伸縮定位機(jī)構(gòu)
        根據(jù)以上問(wèn)題的提出，設(shè)計(jì)了如圖5所示的伸縮臂定位機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)由電機(jī)、減速器、傳動(dòng)部分、移動(dòng)螺母和伸縮臂組成。

       當(dāng)系統(tǒng)不工作時(shí)，左右兩個(gè)移動(dòng)螺母和伸縮臂分別縮進(jìn)到初始位置。當(dāng)系統(tǒng)工作時(shí)，啟動(dòng)電機(jī)，經(jīng)過(guò)減速器減速和帶傳動(dòng)，驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)軸旋  轉(zhuǎn)。兩個(gè)旋向相反的移動(dòng)螺母與機(jī)架通過(guò)導(dǎo)向槽聯(lián)結(jié)，相對(duì)于機(jī)架只能移動(dòng)，不能轉(zhuǎn)動(dòng)。移動(dòng)螺母與傳動(dòng)軸為羅紋聯(lián)結(jié)。當(dāng)傳動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過(guò)螺旋運(yùn)動(dòng)和機(jī)架導(dǎo)向作用使得移動(dòng)螺母(旋向相反)分別向外移動(dòng)，帶動(dòng)兩個(gè)支撐臂向外伸出，頂住與被檢測(cè)控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)相鄰的兩個(gè)控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(參見(jiàn)圖4)，同時(shí)關(guān)閉直流電機(jī)電源，利用機(jī)械自鎖使Ω焊縫自動(dòng)檢測(cè)裝置的裝置本體被固定，完成自動(dòng)檢測(cè)裝置本體的定位。

4  電機(jī)驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路
        整個(gè)Ω焊縫自動(dòng)檢測(cè)裝置的安裝、使用以及檢測(cè)在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行?，F(xiàn)場(chǎng)環(huán)境輻射劑量較大，對(duì)人體的危害較大，為保證檢測(cè)人員的安全，檢測(cè)過(guò)程的數(shù)據(jù)采集、裝置運(yùn)行控制是在遠(yuǎn)離現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境下進(jìn)行的。對(duì)于上節(jié)所述的定位機(jī)構(gòu)，當(dāng)對(duì)某個(gè)Ω焊縫進(jìn)行檢測(cè)定位時(shí)，伸縮臂伸長(zhǎng)定位，抵至兩側(cè)的控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，為防止直流電機(jī)堵轉(zhuǎn)，控制人員必須靠手動(dòng)關(guān)斷電源。但是實(shí)際操作時(shí)，操作人員經(jīng)常由于失誤、環(huán)境影響或者難以把握關(guān)斷電源時(shí)機(jī)而導(dǎo)致直流電機(jī)經(jīng)常處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，電機(jī)通電電流過(guò)大而燒毀電機(jī)。
        為克服以上不足，自行設(shè)計(jì)了一個(gè)直流電機(jī)保護(hù)電路，如圖6所示。電路由控制開(kāi)關(guān)、采壓電阻、繼電器組成?？刂崎_(kāi)關(guān)由電源開(kāi)關(guān)和轉(zhuǎn)向開(kāi)關(guān)組成，用來(lái)控制電機(jī)的通、斷電和正、反向運(yùn)轉(zhuǎn)。采壓電阻由三個(gè)1歐姆的電阻組成，當(dāng)電機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)，用于采集線路的電壓。繼電器控制電路由兩個(gè)5VDC繼電器組成，用于電路的自動(dòng)切斷。

        我們選用的直流電機(jī)為永磁式直流齒輪減速電機(jī)，額定電壓為12V，額定電流為1．2A，經(jīng)試驗(yàn)測(cè)得堵轉(zhuǎn)電流為4A。當(dāng)定位機(jī)構(gòu)的伸縮臂伸出和縮進(jìn)時(shí)，電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，采壓電阻兩端的壓降為1．8V，不足以啟動(dòng)繼電器。當(dāng)定位機(jī)構(gòu)的伸縮臂伸出或縮進(jìn)至極限位置，即處于定位狀態(tài)或初始狀態(tài)時(shí)，電機(jī)堵轉(zhuǎn)，此時(shí)堵轉(zhuǎn)電流達(dá)到4A，采壓電阻兩端電壓最高達(dá)6V，繼電器1動(dòng)作，繼而啟動(dòng)繼電器2，斷開(kāi)電機(jī)電流，保護(hù)電機(jī)。其中繼電器2主要起電路維持的作用。該保護(hù)電路，利用直流電機(jī)的堵轉(zhuǎn)特性，一方面實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)定位的自動(dòng)化，同時(shí)對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行了過(guò)載保護(hù)，并與定位機(jī)構(gòu)共同作用，實(shí)現(xiàn)了Ω焊縫自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的自動(dòng)定位。
5  結(jié)束語(yǔ)
        啟動(dòng)定位裝置和電機(jī)保護(hù)電路的開(kāi)發(fā)，是Ω焊縫自動(dòng)檢測(cè)改進(jìn)項(xiàng)目中的一個(gè)重要組成部分。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，完全達(dá)到了它的預(yù)期功能，運(yùn)行安全可靠，使得原有的自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)更完善、更可靠。該系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于秦山一期R8和R9大修Ω焊縫在役檢測(cè)中，運(yùn)行狀態(tài)良好。
參考文獻(xiàn)
        [1]嚴(yán)智．壓水堆控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)下部Ω焊縫自動(dòng)在役無(wú)損檢驗(yàn)技術(shù)開(kāi)發(fā)報(bào)告，2003
        [2]胡天明等．超聲波探傷．中國(guó)鍋爐壓力容器安全雜志社，1995