陳嘉杰 孫飛翔 董超群 李 曉

（中廣核研究院有限公司，深圳，518031）

0 引言

輻照會(huì)對(duì)燃料性能造成不良影響，從而威脅電廠運(yùn)行安全。隨著輻照時(shí)間增加，燃料組件的材料強(qiáng)度及延展性會(huì)發(fā)生變化，燃料組件、包殼及格架也會(huì)發(fā)生輻照生長(zhǎng)，繼而影響電廠正常運(yùn)行，因此對(duì)輻照后的燃料組件進(jìn)行傾斜、彎曲、扭轉(zhuǎn)和長(zhǎng)度等性能指標(biāo)的測(cè)量、跟蹤和監(jiān)督，對(duì)保證電廠安全運(yùn)行有重要意義。

本文從核燃料組件變形檢測(cè)機(jī)器人的組成、功能、安裝布置、檢測(cè)原理以及檢測(cè)工藝等方面進(jìn)行系統(tǒng)研究，為核燃料組件變形測(cè)量的安全有效實(shí)施提供保障。

1 系統(tǒng)組成及功能介紹

變形檢測(cè)機(jī)器人的變形檢測(cè)需要3 個(gè)關(guān)鍵系統(tǒng)：變形檢測(cè)機(jī)器人、控制層以及終端數(shù)據(jù)處理層，如圖1 所示。其中，變形檢測(cè)機(jī)器人直接作用于核燃料組件；控制層用于測(cè)量過(guò)程的自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)；終端數(shù)據(jù)處理層對(duì)測(cè)量所得的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選、計(jì)算、處理以得到所需的有效測(cè)量結(jié)果。

圖1 核燃料組件變形檢測(cè)系統(tǒng)

變形檢測(cè)機(jī)器人主要由應(yīng)急工具、水平調(diào)整裝置、支撐組件、底部支撐調(diào)整裝置以及變形檢測(cè)裝置組成，如圖2 所示。機(jī)器人通過(guò)水平調(diào)整裝置和底部支撐調(diào)整裝置對(duì)支撐組件上下兩端進(jìn)行固定、調(diào)平，再通過(guò)變形檢測(cè)裝置中的驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)檢測(cè)裝置沿著燃料組件豎直方向依次對(duì)燃料組件的下管座、組件格架、上管座進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)通過(guò)檢測(cè)裝置上的攝像機(jī)，利用視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)測(cè)量燃料組件的長(zhǎng)度。檢測(cè)裝置的移動(dòng)采用齒輪齒條傳動(dòng)方式，沿著安裝在支撐組件上的導(dǎo)軌進(jìn)行豎直往復(fù)運(yùn)動(dòng)測(cè)量，可獲取整個(gè)燃料組件的參數(shù)信息，再通過(guò)控制層將信號(hào)傳送給終端數(shù)據(jù)處理層，以獲取其他所需參數(shù)。

圖2 變形檢測(cè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)

2 機(jī)器人系統(tǒng)安裝布置

在安裝現(xiàn)場(chǎng)，變形檢測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、燃料組件標(biāo)定樣件、應(yīng)急工具、安裝平臺(tái)和儀控系統(tǒng)5 部分組成。其中，執(zhí)行機(jī)構(gòu)底部安裝在裝灌池底部，上端固定在距離裝灌池高20m 的平臺(tái)上；燃料組件標(biāo)定樣件、安裝平臺(tái)以及儀控系統(tǒng)也安裝在高20m 的平臺(tái)上；應(yīng)急工具通過(guò)工具掛架安裝在裝灌池池邊，具體如圖3 所示。

圖3 變形檢測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)布局

3 變形檢測(cè)原理

變形檢測(cè)機(jī)器人利用線性位移傳感器（LVDT）系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)組件寬度、傾斜、彎曲和扭轉(zhuǎn)的測(cè)量，通過(guò)視覺(jué)檢測(cè)（VT）技術(shù)實(shí)現(xiàn)組件長(zhǎng)度的測(cè)量。

3.1 組件格架寬度測(cè)量

通過(guò)氣動(dòng)方式將裝有LVDT 探頭的活動(dòng)夾具夾住燃料組件格架兩側(cè)，LVDT 探頭獲取信號(hào)，再通過(guò)上位PC 機(jī)處理獲取的信號(hào)，從而得到格架寬度，如圖4 所示。

圖4 組件格架寬度測(cè)量

3.2 組件格架傾斜、彎曲和扭轉(zhuǎn)測(cè)量

組件格架傾斜、彎曲和扭轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)的測(cè)量是基于格架寬度測(cè)量數(shù)據(jù)，測(cè)量模塊通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，分別對(duì)組件10 層格架進(jìn)行測(cè)量，并對(duì)這10 組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出燃料組件的傾斜值、彎曲值和扭轉(zhuǎn)值，如圖5 所示。

圖5 組件變形測(cè)量

3.3 組件長(zhǎng)度輻照生長(zhǎng)測(cè)量

利用相機(jī)和旋轉(zhuǎn)編碼器對(duì)燃料組件標(biāo)定塊進(jìn)行測(cè)量，得出標(biāo)定塊測(cè)量數(shù)據(jù)，然后再對(duì)目標(biāo)組件進(jìn)行測(cè)量，將得出的目標(biāo)組件測(cè)量數(shù)據(jù)與標(biāo)定塊測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比，得出組件長(zhǎng)度輻照生長(zhǎng)測(cè)量參數(shù)。

4 變形檢測(cè)工藝流程

在對(duì)燃料組件進(jìn)行變形檢測(cè)前，首先按照上述安裝布置要求將各個(gè)系統(tǒng)部件安裝在指定位置，其次對(duì)機(jī)器人控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試以及功能測(cè)試，待確定機(jī)器人所有功能都正常后，將經(jīng)過(guò)第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)檢測(cè)合格的組件標(biāo)定樣件吊運(yùn)至機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)，對(duì)標(biāo)定樣件進(jìn)行全流程檢測(cè)，包括其寬度、高度等；然后，將出堆待測(cè)的燃料組件吊運(yùn)至執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)進(jìn)行組件寬度和高度的測(cè)量；最后，待所有檢測(cè)程序完成后，將核燃料組件調(diào)離執(zhí)行機(jī)構(gòu)至指定存放位置，后處理程序?qū)y(cè)量結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，對(duì)比得出需要的測(cè)量結(jié)果。變形檢測(cè)實(shí)施過(guò)程如圖6 所示。

圖6 燃料組件變形測(cè)量工藝流程圖

5 創(chuàng)新

根據(jù)國(guó)內(nèi)外燃料組件變形測(cè)量設(shè)備調(diào)研情況，本文主要對(duì)標(biāo)西班牙某項(xiàng)目、法國(guó)某項(xiàng)目和秦山二期的設(shè)備進(jìn)行測(cè)量，對(duì)比結(jié)果表明，該方案具有功能齊全、抗干擾能力強(qiáng)、測(cè)試數(shù)據(jù)可靠等優(yōu)點(diǎn)。具體技術(shù)性能對(duì)比如表1 所示。

表1 國(guó)內(nèi)外技術(shù)對(duì)比

6 結(jié)論

本文從核燃料組件變形檢測(cè)機(jī)器人的組成、功能、安裝布置、檢測(cè)原理以及檢測(cè)工藝等方面，對(duì)變形檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)闡述，通過(guò)計(jì)算測(cè)量結(jié)果對(duì)比，該項(xiàng)檢測(cè)技術(shù)在設(shè)備安裝位置、變形檢測(cè)方式和方向等方面優(yōu)于國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有技術(shù)，而且測(cè)量數(shù)據(jù)更全面、測(cè)量精度更高。