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“超级马里奥”首战告捷 中广核机器人家族再添新成员

2021-06-11 09:24  来源:中国广核集团    核电设备  中广核集团

由中国广核集团下属苏州热工研究院有限公司(简称“苏州院”)、大亚湾核电运营管理有限责任公司(简称“大亚湾核电”)联合自主研发的管道防腐作业机器人,在大亚湾核电站实现了首次应用。


核电站重要厂用水系统的海水管道承担着核电站、核安全相关设备冷却的重任。既然如此重要,海水管道内壁就要在寿期内进行定期的防腐维修,海水管道内壁防腐作业一直是核电行业的一个难题!

因为目前国内核电行业普遍采用的作业方式是人工作业。而人工作业存在很多的不便,现在一台机器人的出现这种难题将得到解决。

▲管道防腐作业机器人

“成功啦!成功啦!”看着这条直径690毫米、长度45米的管道焕然一新,防腐工程师大大松了一口气,挥挥拳头不由得叫出声来。

原来,由中国广核集团下属苏州热工研究院有限公司(简称“苏州院”)、大亚湾核电运营管理有限责任公司(简称“大亚湾核电”)联合自主研发的管道防腐作业机器人,在大亚湾核电站实现了首次应用。2021年5月1日,防腐工程师手持遥控器远程操作,成功实施了海水管道内壁自动化除锈、残渣清理和喷涂修复工作。

经机器人处理后的管道,无论在表面除锈还是盐份去除上,都彻底而干净,修复后的涂层均匀光亮,作业质量明显优于传统人工方式。该项装备与技术的成功应用,填补了国内核电站管道防腐作业机器人领域的技术空白,国内核电站自动化防腐作业开启了新篇章。

▲机器人作业前后

1 瞄准痛点:“管道医生”的实践与思考

长期以来,国内核电行业的管道作业方式比较传统,普遍都是施工人员爬行进入狭窄的管道,开展高强度的打磨除锈与涂装修复工作,耗时长、难度高、风险大。

“管道空间狭小,在里面待上一小会儿都会让人感觉不大好受,幽暗湿热的环境,凝固的空气伴着些许海腥味儿,一趟下来浑身肯定是湿透了。”苏州院研发负责人孙永亮介绍传统作业方式时说道,“施工作业人员就更不用说了,或爬,或躺,或蜷缩蹲立,在这些姿势下还要手持磨机进行打磨,火花四溅,粉尘弥漫,伸手不见五指,立体环绕双声道噪音更是时时刻刻萦绕耳旁,仿佛在跟你说:加油兄弟,再坚持个把小时,你就能出去歇歇脚了!”

不仅在高风险的作业环境下挑战施工人员身心极限,传统作业方式还面临着管道表面盐份无法彻底去除,导致修复后的涂层产生渗透压鼓泡,管道寿期内需要频繁维修,成本耗费过高。

“修修补补又一轮,这个大修又得缝几块补丁上去了。”这是机组大修前防腐工程师们经常吐槽的一句话。事实也的确如此,经过一轮接一轮的大修洗礼,管道内壁早已是形态各异的补丁。

▲防腐工程师“躺”在海水管道中进行作业

有没有更好的办法呢?苏州院和大亚湾核电组建以党员为核心骨干的联合研发团队,瞄准痛点,决心尝试做一些改变。

 
2 创新智造: 机器人“超级马里奥”上线

如何既能降低风险又能提升维修质量?研发团队在这个问题上绞尽脑汁。“我们通过开展国内外广泛调研,技术路线多次研讨与思想碰撞,最终确定了自动化装备研发的整体方向,选择高压水射流替代传统磨机打磨,选择自动无气喷涂替代人工刷涂。”

说干就干,研发团队于2019年初正式启动了研发工作。

研发遇到的第一个关键问题就是:高压水射流的水压、流量、靶距等各项参数如何设置才能达到最优效果呢?所谓高压水射流,就是把自来水通过柱塞泵加压到压力2000bar以上,水就会以高速的射流状态从喷枪中喷出,喷出来的水就叫高压水射流。研发团队不断摸索尝试,同时还对水射流表面处理后闪锈对涂层附着力影响,进行测试评价。

“在研发过程中,我们一次次尝试、一次次推翻、一次次重来,任何一个小小的细节考虑不到位,都有可能导致试验失败。”从高压无气喷涂喷幅搭接宽度、转速与行进速度协同的理论计算到试验验证,从机器人本体、除锈模块、喷涂模块的结构设计、负载计算和通过性分析,再到模拟台架离线测试……研发团队在“数不清多少次的失败、调整、改进”中,逐渐找到一个个问题的解决方案。

▲团队为研发工作搭建的1:1尺寸的试验管道

“除锈效果看着还不错,喷涂功能的实现看来问题也不大,可是到了现场除锈结束后,一大堆漆皮锈渣堆在管道里面,没法开展喷涂。”大亚湾核电高级工程师白荣国的一句话点破了研发工作存在的漏洞,“我们还需要再设计一套残渣清理的功能模块,才能实现全工艺链条上的自动化,机器人的研发也才能算大功告成”。

为了解决这个漏洞,研发团队又开展了排渣功能模块的设计开发工作。

2020年11月,一款集成除锈、排渣与喷涂修复功能的管道防腐作业机器人成套装置研制完成。经过机器人成套装置在1:1尺寸模拟管道上的测试验证,效果良好,实现了预期研发目标。

“机器人拥有稳固、灵活的三足,可自行适应管道内径并做前进、后退、转弯等动作。”孙永亮表示,机器人依次搭载配套设计的除锈模组、排渣模组和喷涂模组,可实现管道内壁全工艺流程自动化作业,高质量完成工程师交办的防腐作业任务。

▲机器人通过离线试验验证实现研发目标

 
3 啃硬骨头: 工程应用是检验研发成效的试金石

“研发测试效果不错,2021年4月份大亚湾核电机组十年大修,正好有难得的解体窗口,咱们研制的这套装置能不能直接用上去?”

这可是一块“硬骨头”。试验测试和工作现场的条件存在着较大差异,这个让研发团队一下子心里没了底。例如,“试验测试管道只有5米,而核电站管道单根接近10倍长度;试验场地空旷无物,而真实的工作现场在负6米的地下管廊;试验测试的时候,用水用电取水排水都非常方便,可是现场却有各项条件制约。”

更重要的是,现场这条管道是核安全相关设备,承担着为机组排出热量的重任,检修工作不容有失。这项工作做得下来么?这成了研发团队心中的疑问。

研发团队进行了现场查勘、技术分析与方案论证,“咱们当初研发装备的初心不就是为了解决工程问题嘛,这家伙可不能被供起来”,虽然心中有担忧,但他们还是决定去啃这块硬骨头,“推向工程应用才是最终检验研发成效的试金石”。

▲研发团队查勘现场,组织技术研讨

经过充分备战,研发团队最终成功完成大亚湾核电站指定海水管道的机器人自动化防腐作业。

它的优势有很多,“基于高压水射流技术的除锈模组的集成,巧妙解决了传统工艺难以避免的涂层鼓泡问题;高压无气喷涂模组的集成,相比较传统人工刷涂在显著提高作业效率的同时提升了涂层修复质量”。最重要的是,机器人代替人进入管道,规避了传统作业方式带来的安全风险,显著提升了本质安全水平。

孙永亮介绍,“该项技术在核电及其非核行业有着巨大的应用前景,在国家大力倡导科技创新与产业升级的背景下,机器人辅助甚至替代人开展防腐作业,是大势所趋。”

目前,研发团队在机器人轻量化与结构优化、检测功能集成方面启动了新一轮的研发工作,为行业痛点寻求更优解决方案而不懈努力。



图为技术

深圳核博会

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