核电站目视检查爬壁装置设计与研究

高厚秀　王俊涛　韩捷　胡浩

【摘 要】对大型容器实施目视检验，如核电站安全壳等，因其受检区域范围跨度大，实施目视检验的环境条件多样，无法搭建脚手架和无法随意拆卸空气导流板等组件，需要采用移动平台搭载适用于受检区域的镜头组来实现大型容器立壁表面的间接目视检验，本文针对此类应用对象，研究了爬壁装置的机械及控制系统，分析了非接触式磁吸附的机理，并以实验进行验证，该装置的应用加强了对核电站的大型容器在使用过程中的状态监测，从而依据检查结果进行预防和维护，有益于保护大型容器立壁表面状态和涂层完整性，从而增加核电站的的整体安全性。

【关键词】大型容器；目视检查；爬壁装置；磁吸附

中图分类号： TP242.2 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）03-0233-003

Design and Research of the wall-climbing Device for Visual inspection of Nuclear Power Plant

GAO Hou-xiu WANG Jun-tao HAN Jie HU hao

（China Nuclear Power Operation Technology Co.，Ltd.，Wuhan 430223，China）

【Abstract】When a large container， such as a Nuclear Power Plant Containment， is carried out in visual inspection， the environmental conditions for visual inspection are varied because of the large span of the inspection area. It is impossible to build scaffolding and disassemble the air guide board and other components. so it is necessary to use indirect visual inspection to carry out the inspection of Containments surface， That need a wall climbing device which can carry the camera group. In this paper， the mechanical and control system of the wall climbing device is studied. And the mechanism of non-contact magnetic adsorption is analyzed. The mechanism is also verified by experiments. The application of this device is helpful for state detection of the containment. According to the results of the inspection， the surface state and coating of the Containment can be prevented and maintained. And it will increase the overall safety of the nuclear power plant.

【Key words】Containment； Visual inspection； Wall-climbing device； Magnetic absorbing

0 引言

目視检查是无损检测的方法之一，目视检查相关执行标准需按照核电站检查大纲要求执行，核电站大型容器目视检查主要是针对大型容器表面外观情况、涂层状态和腐蚀度进行检查，如反应堆安全壳[1]。安全壳实施目视检验，因其受检区域范围跨度大，实施目视检验的环境条件多样，不同的区域需要采用不同的检验手段。对于安全壳立壁部分的目视检验，因为无法搭建脚手架和无法随意拆卸空气导流板等组件，导致人员无法靠近进行直接目视检验；又由于受检区域的空间有限，无法使用大型摄像设备，因此采用爬壁式移动平台搭载小型摄像设备实施间接目视检验。

反应堆安全壳直径约40m，外表面具有涂层及支撑焊缝。被检区域被分割为若干隔断（如图1），检测区域高度超过40m，容器与空气导流板之间距离狭窄仅约0.3m。

目前大部分爬壁式移动平台属于轨道式永磁型，部分超声检查装置采用了非轨道式永磁性爬行平台，但爬行轮为硬质永磁性材料。而在大容器目视检验过程中进行爬壁动作时，考虑到受检区域表面涂层的保护，轨道和硬质永磁性材料的直接接触都不是理想的选择。另外，大型容器实施目视检验的过程中，爬壁式移动平台的爬行动作需要保持竖直状态运动较长的距离，因此在移动过程中需要及时调整偏移的运动方向，而目前的核电站大容器爬壁式移动平台都没有此类功能[2]。因此研究设计了非接触式磁吸附目视检查爬壁装置，在不破坏受检区域表面状态的情况下实施目视检查解决此类问题。

1 爬壁装置的机械系统

1.1 爬壁装置的机械结构设计

爬壁装置主要由车体框架、驱动模块、磁力吸盘、视屏检查模块等组成。为尽量减轻设备的重量，方便现场运输，爬壁装置的底盘等主要承重部件均采用超硬铝合金加工而成。

如图2所示，车体框架由小车外壳、底盘、防尘罩等构成，小车外壳为驱动模块，由磁力吸盘提供保护措施，为了方便线缆安装，设备外壳顶端及两侧开有矩形孔，均以盖板遮盖，并在外壳两端开孔，并采用线缆保护套保护线缆，确保动力和通讯线缆能够顺利通过。爬壁装置底盘是设备主要承重部分，为磁力吸盘提供搭载平台。由于爬壁装置还要经过容器穹顶的弧面，为避免在弧面上运行时，磁力吸盘与被检查容器的弧面接触，磁力吸盘需要安装于车轮轴线附近，因此，底盘呈“H”型，两端缺口为磁力吸盘预留的安装位置，也减轻了底盘的重量。驱动模块采用两台驱动电机提供驱动力，分别带动小车两侧的车轮模块转动，每一侧驱动电机通过联轴器与同步带轮传动，传递给同侧的两只车轮模块。车轮模块由车轮、转轴、安装架、轮毂、轴承等部分构成。另外可以通过更换不同直径的车轮以适应不同直径大小的容器，避免底盘与被测面接触而导致的刮蹭和设备搁浅。其中传动运动同步带轮采用免键超高扭矩型带轮[3]。

可计算得到电机驱动爬壁装置需提供的功率值，其中P为功率，η为有用功效率，F为驱动力，N为转速，d为轮径。

1.2 爬壁装置的磁吸附结构

磁力吸盘由永磁铁、旋转轴、弹簧柱销、屏蔽框，钢套，吸盘扳手等组成（图3所示）。屏蔽框通过旋转轴、弹簧柱销安装于底盘之上。永磁铁套在屏蔽框内，最外层由钢套保护。基于此结构的磁力吸盘除裸露于外的磁极所在面磁力有所增强以外，磁铁其他包覆面磁力均大幅降低，增加了爬壁装置的安全性。进行工作状态的切换时，扳动吸盘扳手，永磁铁绕旋转轴转动，永磁铁相对于底盘平行时，通过弹簧柱销进行限位保护，此时永磁铁与被检面产生磁力线闭合，产生正压吸力，产生了大于爬壁裝置自身重力的摩擦力，因此爬壁装置不会下坠。当扳动吸盘扳手，永磁铁相对于底盘竖起时，磁力线远离被检面，无法形成回路，不会产生吸力，增强了爬壁装置使用及运动过程中的安全保障[4]，如图4所示。

对不同形状及结构的磁铁进行隔空吸力测试实验，将磁铁置于垫板上，磁铁连接上拉力机，启动拉力机直至磁铁拉脱临界值，并改变隔空间隙距离从而获得吸力实验数据，如表1所示。综合磁铁气隙、重量、吸力的关系，根据实验结果，得出在使用包覆层厚度5mm的100×50×20mm自制锅磁，气隙10mm时磁力到达272.9N，比较适合该设备使用。

2 爬壁装置的控制系统

控制系统采取两个驱动器直接控制电机的方式来实现运动控制，两个驱动器均内置PLC，通过内置软件让驱动器随手柄操作器动作而驱动电机动作，驱动器和手柄操作器之间采取CAN总线通讯连接控制，手柄操作器实时读取两个驱动的速度和负载等状态信息，并通过摇杆的前后左右拨动来控制爬壁装置的前后运动和转向，从而带动视频检查模块的摄像头进行目视

检查。其控制系统原理图如图5所示。

爬壁装置通电，检测电气信号正常之后，将防坠装置安装于容器穹顶，穹顶操作人员将防坠装置绳索放下至容器底部，底部操作人员将爬壁装置与防坠装置连接牢固，将爬壁装置贴于被检测面容器壁（图6所示），翻转吸盘扳手将磁力吸盘吸附于检测容器壁上，通过调整摄像头的位置，寻找最佳视频检查范围，操作设备开始向上运行，同时观察显示器上的实时视频图像，如发现爬壁装置路线偏移，可进行爬壁装置姿态调整。爬壁装置到达顶部后，即完成一个区域的检查，控制爬壁装置下行至容器壁底部，断电，翻转磁铁，取下爬壁装置。转移至下一区域检测，直至所有容器壁检测完毕。其控制流程图如图7示

3 结论

通过各项试验验证，该装置可成功应用于核电站反应堆安全壳的目视检查，具备磁吸附功能的爬壁装置在大型容器壁上运行情况良好，通过爬壁装置所携带的网络摄像头视频信号能正常传输到操作平台的监视器上，从而协助无损检测人员开展目视检查作业。该装置非接触式吸附保护了大型容器立壁表面状态和涂层完整性，镜头组视野范围符合核电站目视检查要求[5]，加强了对核电站的大型容器在使用过程中的状态检测，从而可以根据检查结果进行预防和维护，增加核电站的的整体安全性。

【参考文献】

[1]夏祖讽，王明弹，黄小林，等.百万千瓦级核电厂安全壳结构设计与试验研究[J].核动力工程，2002，123-129.

[2]肖力，等.爬壁机器人的现状与发展[J].自动化博览，2005，36-38.

[3]（美）克来格（Craig，J.J）.机器人学导论[M].北京：机械工业出版社，2006，90-98.

[4]王军波，陈强，孙振国.爬壁机器人变磁力吸附单元的优化设计[J].清华大学学报（自然科学 版），2003，43（2）：214-217.

[5]刘淑霞，王 炎，徐殿国，等.爬壁机器人技术的应用 [J].机 器人，1999，21（2）.148-155.