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

核電廠異物的產生將會導致系統(tǒng)設備降級或功能異常，嚴重時將直接損壞設備，導致核安全事故事件發(fā)生，直接威脅核電廠的安全穩(wěn)定運行。本文介紹了國內外異物探查和俘獲的一些先進技術，結合日常工作經驗和對幾種主要的異物探查和俘獲方法的分析比對，歸納總結了一套行之有效的異物探查和俘獲工序，對提高核電廠異物探查和俘獲有一定的實用價值。

關鍵詞

核電廠;異物;探查;俘獲

中圖分類號： TM623 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.11.054

0 前言

異物是指在核電廠系統(tǒng)、設備自身以外的，進入、遺留或存在于系統(tǒng)設備中對系統(tǒng)設備運行和性能造成不利影響的物項。異物在系統(tǒng)和設備中，會造成管道的意外磨損，導致設備降級或功能異常，嚴重時將直接導致設備損壞。泥沙和沉淀還可能堵塞儀表管，造成錯誤顯示，釀成事故。如果異物進入到堆芯或一回路系統(tǒng)中，可能導致燃料組件包殼破損，使輻射水平增高以及放射性污染擴散，異物還可能破壞邊界（過濾器濾網、化學處理器），造成系統(tǒng)設備失效，直接威脅核電廠的安全穩(wěn)定運行。

核電廠異物來源主要有以下幾個方面：首先是在設備制造、安裝和檢修期間的異物控制不足，防異物措施不到位，使異物進入到設備和系統(tǒng)中;其次在系統(tǒng)運行過程中，設備磨損、破損、松動和脫落都會產生的異物，系統(tǒng)在高溫和高速流體的沖刷下會產生磨損，甚至還會造成設備內部保護層的脫落，產生大量異物;同時高溫、弱酸的傳導介質會銹蝕系統(tǒng)設備，從而產生異物。在停堆大修期間，人因過失也會產生異物，設備安裝不可靠，防防脫落措施不完善，造成設備整體或零部件脫落，會產生異物。

1 核電廠異物現狀

1.1 異物的種類

異物種類很多，為有針對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、氣溶膠等;

（2）顆粒：1-10mm毫米級;

（3）小件：外廓尺寸為10mm～100mm級，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 異物的產生場所

在核電廠停堆大修期間，設備集中檢修，是異物形成的高發(fā)期，以下是異物的主要產生時機和場所：

1）容器類設備開人孔蓋及開封頭檢查;

2）池邊、坑邊的各類作業(yè);

3）泵類設備開蓋檢查;

4）熱交換器類設備開人孔蓋、端蓋檢查;

5）閥類設備開閥蓋檢查;

6）工藝系統(tǒng)管道內部檢查;

7）電氣/儀控盤、柜檢修（交叉作業(yè)有異物落入的風險時）。

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，當能充分靠近目標，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，則一般可采用直接目視方法，觀察時可以采用反光鏡來改善探查角度，并可借助放大鏡來進行探查。間接目視是指借助內窺鏡、水下電視檢查系統(tǒng)、爬行器（異物檢查機器人）等輔助設備進行觀察的目視方法。

無論選擇哪一種目視方法，都應該能達到以下幾個目的：

1）判定出異物的方位和屬性（主要指外廓和重量），以便合理地選用俘獲設備和俘獲方法;

2）判定環(huán)境條件，選擇合理的俘獲時機;

3）在俘獲操作中，給操作人員提供引導;

4）觀察并評估異物俘獲后的效果。

2.2 異物探查常用設備

間接目視常用的探查設備主要有工業(yè)電子內窺鏡、水下電視檢查系統(tǒng)、爬行器（異物檢查機器人）等。

2.2.1 工業(yè)電子內窺鏡

工業(yè)電子內窺鏡適用于容器內部狹小空間的探查，以及壓力管道內部異物狀況的快速視頻診斷。

工業(yè)電子內窺鏡一般可四方向擺頭，運動靈活，最小的內窺鏡直徑只有1.8mm。工業(yè)內窺鏡的缺點是視野小，景深?。?0～100mm），大面積檢查時效率低，不適合遠距離檢查。工業(yè)電子內窺鏡一般都具有定量測量功能，并融合了最新的計算機數字存儲處理技術。電子內窺鏡不是通過光學鏡頭或光導纖維傳導圖像，而是通過裝在內窺鏡前端的光電耦合元件CCD將光能轉變?yōu)殡娔埽俳涍^圖像處理器重建高清晰度圖像顯示在監(jiān)視器屏幕上。

國際主流的工業(yè)電子內窺鏡廠家有美國韋林（Everest）、德國沃勒（Whler）、日本奧林巴斯（OLYMPUS），以下是兩種具有代表性的內窺鏡產品。

a）Everest XLG3工業(yè)視頻內窺鏡系統(tǒng)

Everest XLG3工業(yè)內窺鏡具有40萬像素，景深范圍10mm～100mm，可迅速識別和測量異物，能將檢測數據實時寫入內置DVD/CD，然后連接到因特網通過電子郵件傳輸報告。Everest XLG3工業(yè)內窺鏡有精密的影像控制功能，通過亮度調節(jié)，能在任何探查環(huán)境實現自動或手動曝光，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度，以獲得最大檢測能力。

b）德國韋沃VS600工業(yè)內窺鏡

德國韋沃VS600工業(yè)內窺鏡外觀如圖1所示。VS600內窺鏡具備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量功能的RS02-PL 彩色旋轉鏡頭，適用于管徑26mm-600mm管道的內部異物的快速視頻診斷和測量。檢測長度為20米和60米，防水標準達到IP68，承受壓力為5bar，特別適合壓力容器內部、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 系列產品）

CATU水下視頻檢查系統(tǒng)在核電領域應用十分廣泛，如反應堆壓力容器內表面檢查、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 系列產品一般具有鏡頭自動手動變倍、變焦控制功能，手動調光功能，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0.4mm的人工傷。CATU 系列產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600Gy。它還配置了激光器附件，可以對異物的外形進行測量，為探查人員評估異物重量提供依據，以制定俘獲方案。正因如此，CATU160水下視頻系統(tǒng)在電視檢查系統(tǒng)被廣泛應用于核電廠的異物探查工作中。

目前我國內較為成熟的產品是CATU160型水下電視檢查系統(tǒng)，其性能參數見表1。

2.2.3 管道爬行器

管道爬行器是檢查管道內表面的利器，它可以進入管道數百米，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。

目前國際成熟的產品是ROVVER系列爬行器，該系列產品主要有ROVVER400、ROVVER 600、ROVVER 900等型號。以ROVVER 600為例，其配置的鏡頭為1/2in color CCD，具有38萬像素，有效爬行距離為200m，防水深度10m，具體構成見圖2。

國內爬行器生產廠家也較多，但性能與ROVVER系列爬行器相比還有一定差距，在核電行業(yè)內應用不多。

2.2.4 其他輔助設備

除上述設備外，為了迅速準確地探查異物，還需要使用輔助照明設備、輔助監(jiān)視設備和記錄設備等。輔助照明設備主要有強力探照燈、水下燈，輔助監(jiān)視設備包括各類監(jiān)視器，記錄設備主要有采集分析計算機、各類相機、錄像機等。

2.3 探查系統(tǒng)的標定

無論使用哪種探查系統(tǒng)，在探查前都應對探查系統(tǒng)進行標定，確保探查結果的準確性，探查系統(tǒng)的標定應按相關標準執(zhí)行。標定主要針對系統(tǒng)靈敏度和激光標尺，系統(tǒng)靈敏度的標定一般是依據ASME標準，即在反射率為18%的灰度卡至少能分辨出0.8mm的黑線，激光標尺的標定是保證測量準確性的前提，激光標尺影響測量異物大小的準確性，進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)現異物從而進行分析和判斷異物的性質，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 異物俘獲的時機

核電廠換料大修期間會有大量的開口作業(yè)或池邊、坑邊作業(yè)，同時有大量的設備解體，這是異物產生的高發(fā)期，也是需要重點防范的階段，同時也是異物俘獲的最佳時機。

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 核設施的吸塵

核設施的吸塵主要是使用吸塵器對核設施的環(huán)境和表面進行吸塵，以去除核設施所處環(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行導引并評估吸塵效果。

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、機械抓取、遙控機器人抓取和真空吸附等。每種俘獲方法均有其適應范圍，可以單獨使用，也可聯合使用。圖3為美國韋林（Everest）工業(yè)內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（半自動）抓取

自動（半自動）抓取要是利用自動（半自動）抓取設備，在輔助監(jiān)視設備的引導下，完成異物的抓取工作。自動（半自動）抓取工具種類很多，按抓取動力分可為氣動抓取工具和電動抓取工具。氣動抓取工具抓取動力來自壓縮空氣，控制系統(tǒng)也以氣動元件為主，執(zhí)行機構為氣夾、吸盤等，氣夾、吸盤工作原理簡單，防水性強，便于維修和安裝。電動抓取工具抓取動力來自電源，驅動系統(tǒng)以電器元件為主，執(zhí)行機構為電動執(zhí)行機構，電動執(zhí)行機構中又可分為擺動執(zhí)行機構和直線運動執(zhí)行機構。為達到滿意的效果，通常將兩種方法組合使用。

3.3 典型的異物俘獲工具

為達到最佳抓取效果，一般要將抓取設備裝載到運載設備或支持設備上，制成專用的異物俘獲工具，這些設備主要有管道爬行器、打撈機械手等。

例如ROVVER 600爬行器（可在水下使用），是目前國內使用較普遍的異物俘獲設備。該設備由水下爬行機、二維云臺、電視攝像系統(tǒng)、圖像壓縮存儲系統(tǒng)、機械手和操控器等部分組成。機械手可以拾取諸如螺絲刀、扳手等大件的異物，打撈異物的重量可達2kg，該爬行器集光學、精密機械、自動控制、信息處理技術和系統(tǒng)集成于一體，具有對水下目標的自動識別、探測、作業(yè)等能力。

3.4 異物取出后的處理

異物取出后，應逐一登記并拍照，登記內容包括異物的材質、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，應首先進行放射性活度的測量，查明情況后，交相關部門按放射性物品處理，相關部門對異物產生的原因進行分析，并給出處理意見。若異物是設備零部件意外脫落，應制定相應的防松措施。

4 結束語

異物直接影響核電廠的穩(wěn)定運行，是核安全的重大威脅，因此對異物進行探查和俘獲顯得意義重大。在異物產生后，通過正確的探查方法獲取異物的種類，分析異物產生的原因，從而選擇最合適的異物俘獲工具，制定相應的俘獲步驟，對異物的順利俘獲起著至關重要的作用。隨著核工業(yè)的發(fā)展，投入運行的核電機組越來越多，異物的探查和俘獲技術會得到更加廣闊的應用，但是從根本上來說，對于異物事件的控制，將異物事件的產生的概率降到最低，是核電廠運行過程中更需要關注的問題。

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