（机械电子工程专业论文）蒸汽发生器检修机器人样机研制及其关键技术研究.pdf

会 c l a s s i f i e di n d e x ： u d c ： i i l ll lilli lil l iii iiil y 18 0 9 3 2 7 ad i s s e r t a t i o nf o rt h ed e g r e eo f d e n g r e s e a r c ho n k e yt e c h n o l o g ya n d p r o t o t y p ed e v e l o p m e n t o fs t e a m g e n e r a t o ro v e r h a u lr o b o t c a n d i d a t e ： s u p e r v i s o r ： a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ： s p e c i a l i t y ： d a t eo fs u b m i s s i o n ： d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ： u n i v e r s i t y ： w uj i a m o n g p r o f w a n gl i q u a n d o c t o ro fe n g i n e e r i n g m e c h a n i c a la n de l e c t r i c a le n g i n e e r i n g m a y 2 0 0 9 j u l y 2 0 0 9 h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y ， 营 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用己在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中己注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体己经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 6 。， 作者( 签字) ： 装i t 忿荔一 日期：训年7 月况扫 | 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 口在授予学位后即可母在授予学位1 2 个月后 口解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、 作者( 签字) ：丧f ，包免 日期： 7 年7 月瑚 导师( 签字) 雳7 年7 月啪 娶 _ ，患 譬 v 蒸汽发生器柃修机器人样机研制及关键技术研究 摘要 核能是人类可用能源的重要组成部分，核电年发电量占世界发电总量的 1 7 。随着国家核电中长期发展规划的实施，未来2 0 年我国核电业将持 续快速发展，核电站在役检修需求也将急剧增加。蒸汽发生器( 简称s g ) 是核动力装置中连接一、二回路的关键设备，也是发生故障最多的设备之一。 在核电站在役检修中，s g 检修机器人是一项关键技术。论文的研究工作来 源于“蒸汽发生器一次侧检修机械臂研制”高新工程项目。论文对国内外s g 检修机器人的研究现状进行综述，对s g 检修机器人的总体方案、构型、运 动学建模与碰撞检测、高性能关节等方面的关键技术进行深入研究，研制出 工程实验样机。 为满足多种s g 、多项检修的需要，提出基于虚拟主手的通用s g 检修机 器人总体方案。对s g 检修机器人结构进行模块化设计，由不同尺寸的连杆 和脚部模块组装出适合不同型号s g 的检修机器人。建立以工作站+ c a n 总 线+ 多d s p 控制器为主体的开放式机器人控制系统。针对虚拟主手，提出模 块化的虚拟主手方案。 论文对s g 检修机器人的构型进行分析与综合。基于d h 参数对机器人 构型进行拓扑分类，得到3 2 类三自由度臂部结构。研究位置雅可比与构型奇 异性、构型负载性能之间的关系，区分出1 2 类结构奇异构型和2 0 类非结构 奇异构型，并得出l o 类负载性能较好的非结构奇异构型。编制三自由度臂部 结构分类表，用于指导机器人的构型设计。结合s g 检修的应用要求，设计 可以“手脚互换 的准7 自由度机器人构型。为了论证s g 检修机器人安装 过程的可行性，给出约束工作空间的数学表达式，运用蒙特卡罗法求解约束 工作空间，得出机器人的可行安装区。 针对冗余自由度机器人的逆运动学问题，提出“伪固定关节”逆解方法， 并给出其适用条件。结合s g 检修机器人的运动特点，运用“伪固定关节” 法推导出封闭形式的运动学逆解方程。在基于虚拟主手的主从作业模式下， 适时调整伪固定关节的角度值，得到满足避碰要求的逆解。基于几何建模方 法研究机器人与s g 水室的碰撞检测问题。建立机器人和s g 水室的几何模 型，给出几何体间的距离计算方法，通过求解几何体间的最小距离解决碰撞 检测问题。 研究适合在s g 水室内工作的高性能机器人关节。基于机器人运动误差 哈尔滨t 程大学博士学何论文 的概率模型对s g 检修机器人进行精度设计，推算出关节所需的运动控制精 度。针对单个旋转变压器测量精度不足的问题，提出双旋转变压器信号合成 与高精度谐波减速器相结合的检测策略，实现高精度位置反馈。对关节结构 进行设计，得出满足s g 检修特殊使用要求的机器人关节。 搭建s g 检修机器人实验平台，对关节模块、脚部模块、整体样机进行 实验研究，验证理论分析的正确性与总体方案的合理性。在模拟现场试验条 件下，s g 检修机器人成功实现了自动“堵管 作业。 关键词：蒸汽发生器；机器人；构型；逆运动学；关节 _ 枣 i 蒸汽发生器检修机器人样机研制及关键技术研究 a b s t r a c t n u c l e a rp o w e ri sa ni m p o r t a n tp a r to fh u m a n sa p p l i e de n e r g y , a n dn u c l e a r p o w e rg e n e r a t i o na c c o u n t sf o r17 o ft h ew o r l de l e c t r i c i t yg e n e r a t i o n w i t ht h e i m p l e m e n t a t i o no f c h i n a sm i dl o n gt e r md e v e l o p m e n tp l a no fn u c l e a r p o w e r c h i n a sn u c l e a rp o w e ri n d u s t r yw i l lm a i n t a i nas u s t a i n e da n dr a p i d d e v e l o p m e n ti nt h en e x t2 0y e a r s ，a n dt h ed e m a n do fn u c l e a rp o w e rp l a n t i 1 1 一s e r v i c eo v e r h a u lw i l li n c r e a s ed r a m a t i c a l l y s t e a mg e n e r a t o r ( s g ) i sak e y e q u i p m e n to ft h en u c l e a rp o w e rd e v i c e s ，w h i c hc o n n e c t st h ep r i m a r yl o o pa n d s e c o n d a r yl o o p a n di ti sa l s oo n eo ft h ee q u i p m e n t sw h i c ha r eu s u a l l yi nf a u l t s g o v e r h a u lr o b o ti sa k e yt e c h n o l o g ya m o n gi n s e r v i c ei n s p e c t i o na n dm a i n t e n a n c e o fn u c l e a rp o w e rs t a t i o n t h er e s e a r c hw o r ki sf r o mt h ep r o j e c to f “d e v e l o p m e n t o fm a n i p u l a t o ra r n lf o ri n s e r v i c eo v e r h a u lo fs t e a mg e n e r a t o rp r i m a r ys i d e ” w h i c hi s s u p p o r t e db yt h ep r o j e c to f t h eg o v e r n m e n tf i n a n c i a l f o rh i g h t e c h p r o j e c t s ”t h ep 印e rr e v i e w st h ep r e s e n ts i t u a t i o no fs go v e r h a u lr o b o t ，f u r t h e r s t u d i e ss y s t e ms c h e m e ，c o n f i g u r a t i o n ，k i n e m a t i c sm o d e l i n g ，c o l l i s i o nd e t e c t i n g ， h i g h p e r f o r m a n c ei o i n t sa n ds oo nk e yt e c h n i q u e so ft h es go v e r h a u lr o b o t ，a n d d e v e l o p se n g m e e n n gp r o t o t y p e i no r d e rt om e e tt h en e e d so fd i f f e r e n ts ga n dv a r i o u si n s p e c t i o n sa n d m a i n t e n a n c es c h e d u l i n g au n i v e r s a ls go v e r h a u lr o b o ts c h e m eb a s e do nv i r t u a l m a s t e ri sp r o p o s e d t h em o d u l a rs t r u c t u r eo ft h er o b o ti sd e s i g n e d a n dd i f f e r e n t s i z e so fl i n k a g e sa n df o o tm o d u l ec a na s s e m b l et os u i t a b l er o b o tf o rs p e c i a ls g t h ew o r k s t a t i o n + c a nb u s 斗1 n u t i l d s pb a s e do p e na r c h i t e c t u r ec o n t r o ls y s t e mi s b u i l t f o rt h ev i r t u a lm a s t e rm a n i p u l a t o r , t h em o d u l a rv i r t u a lm a s t e rs c h e m ei s p u t t e df o r w a r d t h ep a p e rr e s e a r c h e st h ec o n f i g u r a t i o no ft h es go v e r h a u lr o b o t a c c o r d i n g t ot o p o l o g i c a lc l a s s i f i c a t i o nb a s e do nd hl i n kp a r a m e t e r s 3 2c a t e g o r i e s3 一d o f r e g i o n a ls t r u c t u r ea r ec o n e l u d e d 。a n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h er e g i o n a l j a c o b i a na n dc o n f i g u r a t i o ns i n g u l a r i t i e s ，a sw e l la sc o n f i g u r a t i o nl o a dc a p a c i t y a r es t u d i e d t h e p a p e rd i s t i n g u i s h e s 12 c a t e g o r i e s o fs t r u c t u r a l s i n g u l a r c o n f i g u r a t i o n sa n d2 0c a t e g o r i e so fn o n - s t r u c t u r a ls i n g u l a rc o n f i g u r a t i o n s ，a n d i d e n t i f i e s10c a t e g o r i e so fn o n s t r u c t u r a ls i n g u l a rc o n f i g u r a t i o n sw h i c hh a v e b e t t e rc o n f i g u r a t i o nl o a dc a p a c i t y t h er e s u l t so fc o n f i g u r a t i o nc l a s s i f i c a t i o na r e l i s t e di naf o r mt h a tc a nb eu s e dt og u i d et h ed e s i g nw o r ko fr o b o tc o n f i g u r a t i o n c o m b i n e dw i t ht h ea p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n t so fs go v e r h a u l aq u a s i7 d o f 哈尔滨t 程大学博十学伊论文 c o n f i g u r a t i o nw i t ht h ef e a t u r eo f “e x c h a n g eh a n da n df o o t ”i sd e s i g n e d t op r o v e t h e f e a s i b i l i t yo ft h er o b o ti n s t a l l i n g ，t h ep a p e rp u t sf o r w a r dt h ee x p r e s s i o no f c o n s t r a i n e dw o r k s p a c e ，s o l v e st h ec o n s t r a i n e dw o r k s p a c eb ym o n t ec a r l om e t h o d ， a n dt h e no b t a i n st h ef e a s i b l es e t t i n ga r e ao ft h er o b o t f o rt h ei n v e r s ek i n e m a t i c sp r o b l e mo fr e d u n d a n tr o b o t ，an o v e li n v e r s e s o l u t i o nm e t h o do f p s e u d o - f i x e dj o i n t s ”i sp r o p o s e d ，a n di t s a p p l i c a t i o n c o n d i t i o n sa r e p r e s e n t e da c c o r d i n g l y c o m b i n e dw i t h t h em o v e m e n t c h a r a c t e r i s t i c so ft h er o b o t ，t h ec l o s e d f o r mi n v e r s ek i n e m a t i c se q u a t i o n sa r e e s t a b l i s h e db yu s i n gt h e p s e u d o - f i x e dj o i n t s ”m e t h o d u n d e rt h eo p e r a t i o nm o d e o fv i r t u a lm a s t e r - s l a v e ，t h ei n v e r s es o l u t i o n so fc o l l i s i o na v o i d a n c ea r eo b t a i n e d b ym o d i f y i n gt h ea n g l ev a l u eo ff i x e dj o i n tt i m e l y b a s e do ng e o m e t r ym o d e l i n g m e t h o d c o l l i s i o nd e t e c t i o nb e t w e e nt h er o b o ta n ds gi sr e s e a r c h e d t h eg e o m e t r y m o d e lo fr o b o ta n ds gc h a m b e ri sb u i l t t h ed i s t a n c ea l g o f i t h mo fg e o m e t r y m o d e li sd e d u c e d ，a n dt h ep r o b l e mo fr o b o t sc o l l i s i o nd e t e c t i o ni ss o l v e db y c a l c u l a t i n gt h em i n i m u md i s t a n c eb e t w e e ng e o m e t r ym o d e l s t h eh i l ；1 1 p e r f o r m a n c er o b o ti o i n tt h a ti ss u i t a b l ef o rw o r k i n gi nt h es gw a t e r c h a m b e ri sr e s e a r c h e d t h er o b o t s a c c u r a c yi sd e s i g n e db a s e do ne r r o r p r o b a b i l i t ym o d e l ，a n dt h es e r v op r e c i s i o no ft h er o b o t i cj o i n t si sf i g u r e do u t a i m i n ga tt h ep r o b l e mt h a ts i n g l er e s o l v e ri sl a c ko fm e a s u r e m e n ta c c u r a c y a s p e c i a ld e t e c t i o ns t r a t e g yt h a tu s e ss i g n a lc o m b i n a t i o no fd u a lr e s o l v e ra n dh i g h p r e c i s i o nh a r m o n i cr e d u c e ri sp r o p o s e d ，a n dh i g hp r e c i s i o np o s i t i o nf e e d b a c ki s a c h i e v e d q u a l i f i e dj o i n tt h a tm e e t st h es p e c i a lr e q u i r e m e n to fs go v e r h a u li s d e s i g n e d t h ee x p e r i m e n t a lp l a t f o r mi n c l u d i n gs go v e r h a u lr o b o ti sp u tu p j o i n t m o d u l e ，f o o tm o d u l e ，a n dt h ew h o l ep r o t o t y p ea r es t u d i e de x p e r i m e n t a l l yt o v e r i f yt h ec o r r e c t n e s so ft h e o r ya n a l y s i sa n do v e r a l ls c h e m e t h er o b o tp r o t o t y p e h a sc o m p l e t e dt h et a s ko fa u t o m a t i c “m e c h a n i c a lp l u g g i n g i nt h es i m u l a t e df i e l d s u c c e s s f u l l y k e y w o r d s ：s t e a mg e n e r a t o r ；r o b o t ；c o n f i g u r a t i o n ；i n v e r s ek i n e m a t i c s ；j o i n t ， ， 蒸汽发生器检修机器人样机研制及关键技术研究 目录 第1 章绪论1 1 1 课题的来源1 1 2 课题研究的背景和意义1 1 2 1 核电站在役检修应用背景1 1 2 2 核电站s g 水室在役检修应用背景2 1 2 3 课题的目的和意义5 1 3 核电站s g 检修机器人研究概况5 1 3 1 美国的研究概况5 1 3 2 法国的研究概况9 1 3 3 日本的研究概况1 0 1 3 4 其它国家的研究概况1 1 1 3 5 国内的研究概况1 4 1 3 6s g 检修机器人的发展趋势1 4 1 4 论文主要研究内容15 第2 章基于虚拟主手的s g 检修机器人总体方案研究1 7 2 1s g 检修机器人系统的总体作业方案1 7 2 1 1s g 检修机器人系统的作业模式1 8 2 1 2s g 检修机器人系统的组成1 9 2 1 3s g 检修机器人系统的功能2 0 2 2s g 检修机器人的从手方案设计2 1 2 2 1 从手的结构方案2 l 2 2 2 从手的控制方案2 2 2 3s g 检修机器人的虚拟主手方案设计2 4 2 3 1 虚拟主手的功能2 4 2 3 2 虚拟主手的结构2 5 2 3 3 虚拟主手关键问题的解决方案2 6 2 4s g 检修机器人总体方案的主要特点3 0 2 5 本章小结3 0 第3 章s g 检修机器人的构型分析与综合3 1 哈尔滨_ 程人学博十学位论文 3 1 机器人构型设计基础3 1 3 1 1 机器人的位姿描述3 1 3 1 2 机器人的结构奇异和运动奇异3 2 3 1 3 机器人构型设计方法概述3 2 3 2 机器人臂部结构分析3 4 3 2 1 建立连杆坐标系的d h 方法3 4 3 2 2 基于d h 参数的臂部结构分类3 4 3 2 3 位置雅可比矩阵3 5 3 2 4 臂部结构的奇异性分析3 6 3 2 5 臂部结构的负载能力分析3 8 3 3 机器人腕部结构分析4 4 3 3 1 姿态雅可比矩阵4 4 3 3 2 腕部结构的奇异性分析4 4 3 4s g 检修机器人构型设计4 6 3 4 1s g 检修机器人的构型设计原则4 6 3 4 2s g 检修机器人构型的拟定4 7 3 4 3s g 检修机器人的连杆参数设计4 8 3 4 4s g 检修机器人的构型转换4 9 3 5s g 检修机器人可行安装区分析5 0 3 5 1 引言5 0 3 5 2 约束工作空间的数学描述5 0 3 5 3 求解约束工作空间的蒙特卡罗法5 2 3 5 4 可行安装区分析5 3 3 6 本章小结5 6 第4 章s g 检修机器人运动学建模与碰撞检测研究5 8 4 1s g 检修机器人运动学模型的建立5 8 4 1 1 引言5 8 4 1 2 冗余逆运动学问题的伪固定关节方法5 9 4 1 3s g 检修机器人非冗余状态运动学分析6 0 4 1 4s g 检修机器人冗余状态运动学分析6 3 4 1 5s g 检修机器人手脚互换的运动学分析6 4 蒸汽发生器检修机器人样机研制及关键技术研究 4 2s g 检修机器人的碰撞检测建模6 5 4 2 1 引言6 5 4 2 2s g 检修机器人的碰撞情况分析6 5 4 2 3s g 检修机器人的几何建模6 6 4 2 4s g 检修机器人的碰撞检测算法6 7 4 2 5s g 检修机器人碰撞检测的系统实现7 2 4 3s g 检修机器人运动学仿真分析7 3 4 3 1 运动学正解结果的检验7 3 4 3 2 运动学逆解结果的检验7 4 4 3 3 笛卡尔空间轨迹规划的仿真分析7 5 4 4 本章小结7 6 第5 章s g 检修机器人关节关键技术研究7 7 5 1s g 检修机器人关节的精度设计7 7 5 1 1 机器人的运动误差因素7 7 5 1 2 机器人的概率精度7 7 5 1 3 机器人概率精度的模拟实验方法7 8 5 1 4s g 检修机器人关节运动控制精度的确定8 2 5 2s g 检修机器人关节的结构设计8 5 5 2 1 关节的驱动和检测方案8 5 5 2 2 关节的检测策略与合成算法8 6 5 2 3 关节的结构组成8 9 5 2 4 关节的虚拟装配分析9 0 5 3 本章小结9 1 第6 章s g 检修机器人样机与实验研究9 2 6 1s g 检修实验平台的构成9 2 6 2s g 检修机器人工程实验样机的研制9 4 6 2 1 实验样机的结构设计概述9 4 6 2 2 实验样机的控制系统硬件设计概述1 0 2 6 2 3 实验样机的虚拟主手软件设计概述1 0 3 6 3s g 检修机器人的样机实验1 0 4 6 3 1 脚部模块实验1 0 4 哈尔滨工程大学博士学位论文 6 3 2 关节模块实验1 0 5 6 3 3 实验样机的基本功能实验1 0 9 6 3 4 实验样机的性能实验1 l1 6 4s g 检修机器人的现场“堵管”试验11 5 6 4 1 堵管工具系统1 15 6 4 2 堵管实验过程及结果1 1 6 6 5 本章小结1 1 8 结论1 19 参考文献1 21 攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果1 2 9 致 射1 3 0 附录a 131 ， 第1 章绪论 1 1 课题的来源 第1 章绪论 本论文的研究工作来源于哈尔滨工程大学和核动力运行研究所的合作研 究项目“蒸汽发生器( s g ) 一次侧检修机械臂研制”。 1 2 课题研究的背景和意义 1 2 1 核电站在役检修应用背景 随着能源和环境问题的日益突出，核电以其清洁、环保和相对安全的实 际运行业绩受到世界各国的广泛重视。根据国际原子能机构2 0 0 5 年1 0 月发 布的数据，全世界正在运行的核电机组共有4 4 2 台，其中：压水堆占6 0 ， 沸水堆占2 1 ，重水堆占9 ，石墨堆等其它堆型占1 0 。这些核电机组已 累计运行超过1 力堆年。全世界核电总装机容量为3 6 9 亿千瓦，分布在3 1 个国家和地区，核电年发电量占世界发电总量的1 7 。其中，法国核电装机 占总装机的7 8 ，日本核电装机占总装机的3 6 ，美国核电装机占总装机的 2 0 ，韩国核电装机占总装机的4 2 ，而在中国大陆仅占1 6 t 。 近年许多国家正在实施或制定大规模的核电扩展计划，有数据表明世界 核电已经复苏并正迅速发展【2 ，3 】。美国计划在2 0 2 0 年增加6 0 g w 的核电装机 容量，使其核电的份额保持在2 0 。日本计划到2 0 1 4 年要增加1 0 个机组并 网，使核电份额超过4 0 。韩国预计2 0 1 5 年核电份额将占4 6 左右。印度 计划到2 0 2 2 年要将其核电容量扩充至现在的l o 倍，到2 0 5 2 年提高至9 0 倍。 巴基斯坦计划到2 0 3 0 年要增加8 g w ，将其容量提高到4 2 。 自1 9 9 1 年我国第一座核电站秦山一期并网发电以来，截至2 0 0 7 年 底，我国大陆有秦山一期、秦山二期、秦山三期、大亚湾、岭澳、田湾6 座 核电站共1 1 台机组9 0 6 8 万千瓦先后投入商业运行，8 台机组7 9 0 万千瓦在 建( 岭澳二期、秦山二期扩建、红沿河一期) 。 2 0 0 6 年3 月，国务院常务会议审议并原则通过了由国家发改委撰写的核 电站中长期发展规划2 0 0 5 2 0 2 0 ) ) ( 2 0 0 7 年底正式批准) ，明确了积极推进核 电建设的方针，其发展目标是：到2 0 2 0 年，核电运行装机容量争取达到4 0 0 0 哈尔滨工程大学博七学位论文 万千瓦，并有1 8 0 0 万千瓦在建项目结转到2 0 2 0 年以后续建。核电占全部电 力装机容量的比重从现在的不到2 提高到4 ，核电年发电量达到2 6 0 0 - - 2 8 0 0 亿千瓦时i 。 核电厂运行期间，设备部件可能受到温度、应力、辐照、氢吸附、腐蚀、 振动和磨损等多种因素的影响，引起部件材料性能降级，例如老化、脆化、 疲劳以及缺陷的形成和发展，可能导致严重的后果。为保证核电厂的安全， 有必要定期检查核电厂的系统和部件，特别是反应堆冷却系统的关键部件， 找出结构可能产生的损伤，以便判断其安全状态，确认是否需采取补救措施。 基于以上原因，按国家核安全法规的要求，对核安全相关设备结构和承压边 界的完整性定期进行的一系列检验和试验称为在役检查【4 j 。为方便起见，本 论文中将在役检查和采取的相应补救措施统称为在役检修。 核安全是核电厂的生命线，不仅与核电行业的发展息息相关，更必须为 人类、环境发展担负责任。核电运行的安全性，一直是核电运行管理的重中 之重。我国秦山一期、大亚湾核电站投入运行已1 5 年以上，按照国际核电运 行经验，即将进入在役检修需求旺盛期。伴随大规模核电计划的开展，未来 的在役检修任务将更为繁重。 1 2 2 核电站s g 水室在役检修应用背景 ( 1 ) 蒸汽发生器( s g ) 核电站大体可分为两部分：一部分是利用核能产生蒸汽的核岛，包括反 应堆装置和一回路系统；另一部分是利用蒸汽发电的常规岛，包括汽轮发电 机系统和二回路系统。 在压水堆核电站中，蒸汽发生器是一回路系统的一个主设备，它的作用 是把一回路水从核反应堆中带出的热量传给二回路水，产生蒸汽。其结构原 理如图1 1 所示。蒸汽发生器主体由数千根倒置的u 形传热管组成，下方有 一个半球形的封头与回路主管道相连，封头与主体之间由约8 0 0 r a m 厚的 管板分开。封头被一块隔板分为两个1 4 球形水室，管板上钻有管孔，u 形 管在管板孔内胀紧，并与水室一侧的管板表面焊接。 一回路水从一个水室进入蒸汽发生器，经传热管内侧流动至另个水室， 构成一回路循环；二回路水的加热和蒸发在传热管外侧进行。蒸汽发生器内 充满一回路介质的腔体称为一次侧，充满二回路水的腔体称为二次侧，其中 一次侧具有强辐射性。 ， ， 第1 章绪论 外囊，=、_ 回路蒸汽传输管 传热管、 蒸汽发乍器 一次侧封头 反r 肇i 扫一刨路水 享二回路水 汽 轮 机 图1 1 蒸汽发生器不意图 f i g 1 1t h es t e a mg e n e r a t o rs k e t c hm a p 蒸汽发生器是核电站中仅次于堆芯压力容器的重型关键设备，也是运行 中发生故障最多的设备之一。1 9 7 7 年，在7 9 座运行的压水堆( p w r ) 核电站 中，有3 4 座发生了蒸汽发生器传热管破损事故，占到4 3 。美国核管会( n r c ) 在1 9 8 2 年发表的调查报告中指出，美国正在运行的4 8 座核电站中，有4 0 座发生了s g 事故，其中有8 座情况严重；1 9 9 2 年，全世界2 0 5 座反应堆中， 报告s g 有问题的达1 7 2 座，占到8 3 9 ；1 9 7 9 1 9 9 4 年，5 5 台s g 实际使 用寿命平均仅约为1 4 年( 最短者仅8 年) ，远未达到3 0 _ - 4 0 年的设计寿命【5 j 。 据统计，国外压水堆核电站的非计划停堆次数中约有1 4 是由蒸汽发生器事 故造成的，每次停堆都造成数以亿计的经济损失，并产生很大的安全隐患。 蒸汽发生器事故的主要原因是传热管破裂，而传热管的降质在核电运行中是 不可避免的，目前世界上将近半数的压水堆核电站蒸汽发生器都是带着损伤 的传热管在运行【6 ，7 】。对蒸汽发生器定期进行包括传热管在内的在役检修、评 估是避免非计划停堆的主要手段。 ( 2 ) s g 检修机器人 蒸汽发生器一次侧的在役检修工作主要在水室内进行，并且处在核电检 修的“关键路径”上，有严格的时间限制。蒸汽发生器水室是高辐射区，在 役检修或泄漏处理需要远距离操控专门的自动化装置或机器人来完成。 本论文研究的机器人专用于在蒸汽发生器水室内执行在役检修任务，文 献中经常将蒸汽发生器( s t e a mg e n e r a t o r ) 简称为s g ，为方便起见，约定将 本文所研究的机器人简称为s g 检修机器人。 ( 3 ) s g 在役检修概况 s g 水室的内表面、主管道接头、隔板、管板以及数以千计的传热管都 是在役检修、评估的对象，其中传热管的在役检修、评估最为复杂。传热管 的腐蚀破损将导致一回路放射性介质泄漏至二回路，产生严重的水污染，并 危及一回路安全。一旦发生泄漏事故，核电站将被迫紧急停堆，造成重大经 哈尔滨。i ：稃人学博士学位论文 济损失和安全隐患。 s g 水室内的在役检查项主要有传热管的涡流检查，接管焊缝的超声、 射线及着色检查，水室内表面的视频检查，管板上表面沉积物的视频检查及 打压泄漏检查等。其中，涡流检查应用最早，且至今仍是最有效的检测 方法。由于传热管的降质机理和缺陷情况十分复杂，涡流检查获得的数据也 十分复杂。除了有多种传热管缺陷信号外，还夹杂结构、管材加工、沉积物， 以及它们之间的不同组合产生的大量畸变信号，这使得分析传热管的真实状 态非常困难，容易引起误判或漏检。经验表明，单独使用涡流、超声或其它 方法检测传热管都存在局限性，而使用不同结构、不同频率的涡流探头，以 及同时使用多种方法进行检测，有助于提高对传热管降质情况判断的准确性。 早期，传热管破损时，堵管( 即用特制的堵塞将u 型管两端堵死，使之 退出运行) 是唯一的处理方法。堵管会对s g 运行带来不利影响，随着堵管 率的上升，s g 就会丧失可利用的功率因子裕量，于是又开发了多种新方法， 如衬管、镀镍修补、取管、喷丸处理、热处理、激光焊接等1 6 k 。1 引，可根据传 热管的降质情况采取不同的维修方法。 在役检修技术的进步很大程度上得益于s g 检修机器人技术的进步。2 0 世纪8 0 年代以前，在役检修工作主要靠人工完成。为防止操作人员身体受到 严重伤害，核电站严格规定了每个操作人员一次和一年内允许的辐照剂量， 因此，s g 水室内的每一项检修都需要多名训练有素的专业操作人员穿戴专 门的防护装置接力式完成，尽管在役检修队伍人员数量庞大，但仍有许多检 修项无法实施。8 0 年代后，由于机器人技术的发展进入实用化阶段，世界主 要核电国家开始投入大量人力、物力致力于开发高性能的机器人来解决在役 检修难题，如美国、法国、日本、德国等，开发了拥有自主知识产权的机器 人。实践表明，s g 检修机器人的开发不仅使原有的检修技术得到很好的应 用，同时还极大的促进了新检修项的出现。近1 0 年来，传统的核电技术强国 不断改进原有机器人产品，争夺核电服务市场；新兴的核电国家，如韩国、 印度等投入大批科技力量开发自主知识产权的s g 检修机器人。 s g 检修机器人的性能很大程度上决定了整个在役检修技术水平，它极 大地影响在役检修的辐照剂量水平和作业效率。值得说明的是，国际上现有 s g 检修机器人的性能和作业能力良莠不齐，s g 检修机器人的开发依然面临 很大的困难：一方面，s g 在役检修有其行业的特殊性，受国家政策、应用 经验、管理观念等众多非技术因素影响，各国之间存在技术壁垒，公开的技 术资料十分有限；另一方面，s g 检修机器人的安装和运动都受s g 结构和应 用环境的约束，检修工作对机器人的性能有很高的要求，如负载能力、精度、 作业范围、工具适配性、操作方便性、抗辐射性、安全性和可靠性等，这使 4 第1 章绪论 得s g