EPR三代核电站核岛辅助管道 焊缝内部打磨机器人的研究与应用
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摘要 核岛安装EM4辅助管道焊缝内部打磨作为epr三代核电站的新要求，可最大程度减少焊缝的应力集中，缓解疲劳灵敏度，为机组60年的设计寿命提供保证，并以此满足焊缝进行UT（超声波探伤）的要求，在机组服役阶段以UT替代RT（射线探伤），降低在役检查工作的人员辐照时间和成本。使用焊缝内部打磨机器人，可以通过远程操作方式，在安装阶段顺利完成不同管径管道中的焊缝内部打磨工作。
中图分类号TM623 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2014）111-0168-03
EPR作为迄今为止设计和技术最为先进的新一代压水堆堆型之一，已成为中国第三代核电站最初的自主化和国产化示范工程。在EPR核电堆型设计中，共有270道二回路辅助管道焊缝需进行内部打磨。
然而在这些设计文件要求内部打磨的焊缝中，除DN750的VVP管道焊缝外，其它管径的焊缝很难以人工方式完成打磨工作，我们在进行了充分的国内外市场调研之后，先后从德国Inspector Systems公司采购了4套适用于不同管径范围的焊缝内部打磨远程操作机器人，包括DN100型、DN150-200型、DN250-350型和DN500型，每套机器人包括1台打磨机器人和1台除尘机器人，另外还配有2套用于操控这4套机器人的控制和配套设备。
由于核岛安装EM4辅助管道焊缝内部打磨工作在国内其他核电项目从未实施开展过，在EPR三代核电建设中尚属首次应用，没有实际工程经验可循。同时，因为打磨方式不同于常规的人工操作打磨机方式，而是采用了国际先进的焊缝内部打磨机器人进行远程操作，不管是在工具采购方面，还是人员培训和实操方面，又或是在打磨工具的日常维护和故障维修方面，都给现场打磨工作的顺利开展增加了相当大的难度。本文从现场使用机器人进行焊缝内部打磨的角度，对机器人的构造和工作原理、机器人打磨的现场实际应用、使用过程中的注意事项与经验反馈、常见故障排查与维修、以及应用前景等五个方面进行了简要分析和探讨，旨在为中国后续核电机组的建设、运行和维护提供经验和参考。
1 机器人构造及原理简介
1.1 机器人本体简介
1.1.1 打磨机器人
以下介绍以DN250-350打磨机器人为例。打磨机器人共包括机头、机身、机尾三个主要部分，如下图：
图1 打磨机器人本体示意图
1）机头
机头是打磨机器人的核心部位，焊缝打磨的绝大多数行动都需要通过机头来实现，如在管道中定位、砂轮片的启停、砂轮片进退刀、砂轮片沿焊缝360°旋转等。机头的主要构成部件有：导向和定中机构、转动机构、径向定位机构、摄像头、打磨电机和砂轮片等。
（1）导向和定中机构
导向和定中机构包括三个部件：导向轮，定位脚和气缸。
导向轮的作用有两点：机器人进入管道时，作为机头的支撑装置，引导机器前进；机器人到达焊缝位置时，作为辅助定中装置，帮助机器尽量定位在管道中心。
定位脚的作用只有一点，使机头固定在管道中心。良好的定中可以为打磨过程节省大量的时间。
气缸负责给定位脚提供足够的压力，以便在打磨的过程中，定位脚能牢牢地卡在管道内部，如果气缸的气密性不足，那么会打磨时机头会出现振动的情况。
（2）转动机构
转动机构安装在两个导向和定中机构之间，该机构的主要作用为，当机器人到达焊缝区域时，通过转动机构的旋转，带动砂轮片沿焊缝360°进行打磨工作。
（3）打磨电机、摄像头和砂轮片
打磨电机是打磨机器人的中心部件。该打磨电机功能特别强大，最高可达9600rpm，转速可变，一般采取粗打磨（9600rpm）和细打磨（6000rpm）两步打磨操作，将焊缝根部打磨至非常平滑的表面（表面粗糙度Ra≤6.3μm）。
（4）径向定位机构
径向定位机构直接装配在打磨电机上。该机构用于控制砂轮片在径向方向上的移动距离，以便在可控状态下对焊缝根部余高进行清除。
2）机身
机身主要由驱动机构、挠性波纹管、信号电缆和气管组成。
（1）驱动机构
DN250-350打磨机器人自带了两个驱动机构，通过挠性波纹管与机头相连。驱动机构的主要作用在于，在管道内部驱动打磨机器人以到达焊缝位置，可顺利通过水平管道、竖直管道、弯头等，也可通过阀门和大小头等特殊部位。
（2）波纹管、信号电缆和气管
信号电缆和气管从控制机柜出来，经过机尾，穿过机身，一直到达机头，负责为电机、转动机构、径向定位机构、驱动机构提供信号输入和动力来源。
不锈钢波纹管一方面为其中的信号电缆和气管提供保护，另一方面也为机器人通过弯头等管道部位时，提供伸缩弯曲等必要条件。
3）机尾
机尾作为控制机柜和机头机身的中转站，主要为各信号电缆和气管提供了必要的接口和布线空间。
1.1.2除尘机器人
除尘机器人的整体构造与打磨机器人类似，主要区别在于将机头处的打磨电机换成了带摄像头的吸尘软管，机尾后接吸尘器，如下图：
图2除尘机器人本体示意图
除尘机器人的操作由于省去了定中环节，比打磨机器人要简单许多，只需要将除尘机器人驱动至打磨完的焊缝前后，利用吸尘管口附近的摄像头找到并吸走焊缝打磨后产生的铁屑和杂物，通过显示器目检清洁度合格即可。
1.2机器人控制和配套设备简介
除了上述的打磨机器人本体外，整套打磨设备还包括必要的电源机柜、控制机柜、控制面板和显示器等控制和配套设备，它们用于执行打磨过程中所需的一切指令、显示信息并传达故障。
电源机柜，其中安装有负载设备，如变频器、隔离变压器、保险丝、断路器、供电装置、供气装置等；
控制机柜，其中安装有控制装置（如PLC、驱动器和继电器的控制主板等）；
控制面板，上面有所有需要的操作和监控部件，如操作员触控面板、控制杆、开关、指示灯和应急制动钮；
显示器/DVD。
此外，还有各个机柜之间的连接电缆、控制面板和显示器之间的连接电缆以及一条连接控制机柜和打磨机器人的30m长的电缆。
2机器人的现场实际应用
下面，本文将结合台山核电站1号机组所使用的DN250-350打磨机器人，简单介绍一下现场的实际应用情况。
2.1打磨准备
准备工作分为两个方面，一方面是文件体系上的，另一方面是现场施工上的。
2.1.1 文件体系
现场工作开展前应完成以下文件工作：完成工艺评定，并出版工艺评定报告；《焊缝内部打磨》典型质量计划，详细列明现场打磨的各项操作步骤，并在各关键施工步骤上设立停工待检点和见证点；设计《焊缝内部打磨记录单》，并应用于每道需要内部打磨的焊缝，确保每道焊缝的打磨工作都有据可查。
2.1.2 现场施工
现场施工方面，首先应确保打磨机器人工作所必须的电源、气源、人员操作平台、游标卡尺等专用工具等齐全。
2.1.3 打磨前的检查
在打磨前应当首先对打磨机器人进行全面检查，以确定打磨机器人完好，适宜进行打磨操作。
2.1.4 调节打磨参数
打开电源，根据打磨机器人类型的不同，在电源机柜侧面的变频器上调节砂轮机的转速以及相关参数。当需对焊缝进行粗打磨时，建议调节转速到160Hz；当细打磨时，建议调节转速到100Hz。
2.1.5 定中调节
定中调节即是将打磨机器人的中心定位于管道中心，以便砂轮片能够360°全方位旋转打磨焊缝，一是可以节省打磨时间，二是能较好地确保打磨质量。
2.2 打磨过程
打磨过程主要分为粗打磨、细打磨以及打磨后除尘三个阶段。
2.2.1 粗打磨
进行粗打磨时需遵循以下步骤：
将新的粗磨砂轮片安装在打磨电机轴上，检查是否安装牢固；
根据需打磨管道的内径预先调整定位脚；
变频器设定至160Hz（9600rpm）；
将砂轮片的径向行程归0mm；
确保打磨电机的冷却气管内空气供应连续，且气压在6bar~8bar；确保驱动机构的压缩空气供应连续，且气压在5bar~6bar；
将打磨机器人放入管道内，注意避免碰撞；
使用固定在机头上的前置摄像头和打磨摄像头，找到所需打磨的焊缝，并尽量保证砂轮片中心对准焊缝中心；
撑开定位脚固定打磨机器人，尽量保证定中；
试着将转动机构旋转一周，找到焊缝根部的最高点（砂轮片与焊缝的距离最接近时），并记录该位置，以便正式打磨时从该处开始；
开启打磨电机，接触最高点，在焊缝周围完全地绕一圈，以保证这是焊缝的最高点；
以较慢的速度向焊缝根部移动径向定位机构，并来回旋转转动机构，直到将焊缝根部余高打磨到与管道的内部目视无差别为止；
撤回定位脚，驱动机器人向前或向后移动，重复以上四步，打磨焊缝的左右边缘，使焊缝根部整体与管道齐平。
图3粗打磨实拍图
2.2.2细打磨
细打磨的操作步骤与粗打磨类似，需注意更换细砂轮片，并调节变频器参数为100Hz（6000rpm）。
图4细打磨实拍图
2.2.3 除尘清洁
打磨完成后，在管道内会留下大量的铁屑及絮状金属磨削团，因此必须进行清除，防止对于管道连接的设备、阀门等造成损伤。清洁前，应将与打磨机器人配套的除尘机器人的线路与控制机柜连接好，同时设定正确的参数，并应调节除尘机器人机头尽可能的与管道进行定中。调节好机器人后，将除尘机器人送入管道进行除尘。
2.2.4 打磨结果验证
现场打磨结果的验证主要通过目检及超声测厚的方法完成。
焊缝根部的目检可以在完成除尘的时候通过摄像头进行现场检查，同时可以顺便检查打磨后的管道内清洁度情况。目检的要点在于表面光滑无明显凸起，粗打磨的痕迹得到抛光，焊缝熔合线被完全去除。
完成焊缝根部目检后，检查焊缝外表面是否打磨平整光滑，是否满足焊缝表面目检要求，如无问题则进行焊缝的超声波测厚，以所测数值来量化判断焊缝根部是否打磨过深或焊缝余高是否满足RCC-M 2007准则中“焊缝余高不应超过公称厚度的10%”这一标准要求。测厚通常取8个测量点，并应测量取点焊缝两边的母材厚度作为判断参考，如下图：
图4 UT测厚示意图
焊缝根部目检和测厚完成后，内部打磨的质量计划即可关闭。最后我们对每条焊缝都进行了射线探伤，确保焊缝整体质量。
3机器人使用经验反馈
在台山核电站1号机组核岛辅助管道的焊缝内部打磨过程中，我们逐步学习、逐步探索，不仅完全掌握了使用机器人进行焊缝内部打磨的方法，也在打磨过程中形成了对后续工作具有指导意义的经验反馈。
3.1 打磨准备
开始现场焊缝的打磨工作前，须提前做好施工逻辑安排；
使用单独的供电线路和配电箱；
使用单独的压缩气源；
开始第一次现场打磨前注意砂轮片的转向，及时调整电源相位；
打磨工作需多人配合。
3.2 打磨过程
打磨时应结合显示屏的画面和打磨发出的声音，密切监督工作过程有无异常；
操作人员必须时刻关注显示屏上的参数，即显示屏上的砂轮片进刀量读数和转动机构转动角度读数；
一般情况下，在正式开始粗打磨前，需要用径向定位机构控制砂轮片前后移动，测出焊缝的最高点，以便正式打磨时从焊缝余高最高处开始；
当有阀门和管道相连接的焊缝需要打磨时，尤其需要注意对阀门本体以及内部清洁度的保护工作；
当管线上有大小头的焊缝需要进行打磨时应注意，在安排施工逻辑时，机器人只能从大管一侧向小管一侧行走。
3.3 现场防护
现场施工环境复杂多变，应注意采取必要措施对机器人及相关设备进行保护，我们在车间专门制作了一套保护装置，在运输和施工的过程中，对控制机柜、主供机柜、显示屏以及刻录机进行防护，尽量避免意外伤害的发生。
4机器人常见故障排查与维修
在使用打磨机器人对台山核电站1号机组DN250-350管道焊缝内部打磨的过程中，由于机器人设计缺陷、部件损耗、人员操作不当、管道管件内径变化不规则等原因，我们遇到了各种各样的故障和问题，我们或是在供应商的协助下、或是自行研究摸索，对这些问题逐一进行了排查和维修，现将这部分内容进行简单叙述，以供后续使用参考。
在常见的机械故障中，机头转动机构齿轮带的断裂是最容易发生的。在我们使用机器人的过程中，主动轮齿轮带断裂过4次，从动轮齿轮带断裂过1次。
故障表现：控制面板上的“rotation stoke”控制杆失效，转动机构无法通过控制杆旋转，但是耳朵贴近机头，在拨动控制杆时可以听到转动电机转动的声音。最为关键的是，可以通过手轻易拨转转动机构。
故障解决：拆开机头，更换齿轮带。
改进建议：选用更高强度的齿轮带，以满足机器人长时间高强度作业要求。
另外一种常见的故障为，由于转动机构的旋转，机头处的电缆、气管等线路如果布置不当，容易与砂轮片接触，当砂轮片旋转时，很快就可将接触到的线路切断。
故障表现：打磨电机不工作、转动电机不工作、径向定位电机不工作、定位脚无法撑开等等，目视可直接发现线路损坏或断裂。
故障解决：重新连接电缆或气管、使用绑扎带对受影响线路加以固定，来回旋转机头360°，确保砂轮片不会接触到各线路。
改进建议：在机器人出厂前，尝试机器人的各种运行工况，使用绑扎带将电缆和气管固定在不受砂轮片影响的特定位置。
5应用前景
截至2013年12月底，台山EPR核电站1号机组已使用打磨机器人完成了包括RIS安全注入系统和RCV化学和容积控制系统在内的44道焊缝的内部打磨工作，并以此为基础顺利完成了中压安装箱排放试验，使台山核电站1号机组成为了世界首个给一回路进水的EPR机组。
在后续国内自主化设计和建造核电站的过程中，可充分利用焊缝内部打磨的方法，提高机组服役寿命，降低运维成本。
参考文献
[1]Design and construction rules for mechanical components of PWR Nuclear islands，RCC-M 2007 edition [S].
[2]AREVA NP，TSN-EM4-Technical Requirements Installation and Prefabrication of Piping and Associated Supports.
[3]Inspector Systems，User’s ManualGRDN250-350Rev1.
[4]Inspector Systems，User’sManualEHDN250-350Rev0.