快中子反應(yīng)堆（以下簡(jiǎn)稱快堆）是世界上第四代先進(jìn)核能系統(tǒng)的首選堆型，其形成的核燃料閉式循環(huán)可顯著提高鈾資源的利用率，并減少核廢料的產(chǎn)量[1]。國(guó)內(nèi)外鈉冷快堆通常采用池式設(shè)計(jì)，堆芯、一回路鈉泵、中間熱交換器和一回路主管道都安裝在堆容器（鈉池）內(nèi)，其結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。堆容器作為快堆的核心部件，由主容器、保護(hù)容器、氬氣層和保溫層組成，是反應(yīng)堆的第一道安全屏障。由于堆容器在快堆整個(gè)運(yùn)行壽命中無(wú)法更換，堆容器的安全狀態(tài)和運(yùn)行性能直接關(guān)系到整個(gè)反應(yīng)堆運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性及安全性。
目前，國(guó)內(nèi)快堆（如CEFR）堆容器采用全壽期免檢方案，依靠反應(yīng)堆建造初期的嚴(yán)格役前檢查提高制造質(zhì)量，降低反應(yīng)堆整個(gè)服役期間出現(xiàn)故障的風(fēng)險(xiǎn)。然而當(dāng)投入使用后，堆容器要長(zhǎng)期承受反應(yīng)堆冷卻劑高溫、壓力及其瞬態(tài)變化，以及堆芯泄露出的中子輻射，可能發(fā)生材料老化、缺陷萌生和擴(kuò)展。為了更好地保障反應(yīng)堆的運(yùn)行安全，在整個(gè)使用周期中對(duì)堆容器進(jìn)行定期在役檢查，以判斷堆容器是否存在缺陷、缺陷是否可以接受、缺陷的擴(kuò)展速率等，是有益且重要的?？於讯讶萜鞯娜珘燮谠谝蹤z查過程復(fù)雜，其待檢對(duì)象包括筒體的縱焊縫、環(huán)焊縫、接管焊縫等，檢查過程中需要使用專用的機(jī)械裝置和電子設(shè)備，在焊縫檢測(cè)系統(tǒng)、機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、控制分析系統(tǒng)的協(xié)同工作下才可完成。此外,全壽期在役檢查需要根據(jù)每次檢查結(jié)果，綜合評(píng)價(jià)設(shè)備運(yùn)行現(xiàn)狀，并預(yù)估下一次檢查時(shí)間。
部分國(guó)家針對(duì)快堆堆容器開發(fā)了對(duì)應(yīng)的在役檢查裝置[2]。法國(guó)BAQUE[3]為“鳳凰一號(hào)”快堆設(shè)計(jì)了一款遙控檢測(cè)小車MIR，其能夠在停堆時(shí)進(jìn)行視覺和超聲檢測(cè)。日本三菱重工公司TAGAWA等[4]為“MONJU”快堆研發(fā)了多功能在役檢查ISI小車，用于對(duì)反應(yīng)堆堆容器及其附屬部件進(jìn)行全面檢測(cè)，執(zhí)行各類檢測(cè)任務(wù)。印度英迪拉甘地原子能研究中心為500 MWe原型快堆開發(fā)了一款無(wú)損檢測(cè)小車，其能夠在試驗(yàn)條件下穩(wěn)定運(yùn)行[5-6]。但截至目前，國(guó)內(nèi)快堆堆容器在役檢查的研究仍處于起步階段，堆容器在全壽期內(nèi)尚未進(jìn)行全面的在役檢查，為快堆的運(yùn)行留下潛在風(fēng)險(xiǎn)。由于國(guó)內(nèi)快堆的檢測(cè)空間通常比國(guó)外同類反應(yīng)堆的空間更狹窄，一定程度阻礙了國(guó)內(nèi)快堆堆容器在役檢查技術(shù)的發(fā)展。盡管國(guó)際經(jīng)驗(yàn)對(duì)于優(yōu)化檢測(cè)方案有一定幫助，但鑒于國(guó)內(nèi)快堆的獨(dú)特性，開發(fā)滿足其技術(shù)需求和操作條件的在役檢查裝置仍需依靠自主研發(fā)。
首先，文章綜合考慮快堆堆容器在役檢查過程中檢測(cè)工藝的確定和檢測(cè)裝置的實(shí)現(xiàn)方案，詳細(xì)分析超聲檢測(cè)探頭的選型、目視檢測(cè)相機(jī)的冷卻和檢測(cè)裝置的概念設(shè)計(jì)等方面存在的多個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題，以問題為出發(fā)點(diǎn)，綜述現(xiàn)有技術(shù)對(duì)以上問題的解決方案。其次，根據(jù)國(guó)際上快堆堆容器在役檢查技術(shù)的發(fā)展，對(duì)比分析國(guó)外檢測(cè)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，并結(jié)合國(guó)內(nèi)的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，提出滿足國(guó)內(nèi)快堆堆容器全壽期在役檢查的可能性方案。最后，以中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆堆容器為在役檢查對(duì)象，驗(yàn)證了所提出方案中檢測(cè)工藝的可行性和檢測(cè)裝置的合理性。
1. 在役檢查檢測(cè)工藝的關(guān)鍵問題分析
快堆堆容器在役檢查重點(diǎn)在于對(duì)堆容器各部件間的焊縫進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，待檢焊縫包括主容器筒體對(duì)接縱焊縫、保護(hù)容器筒體對(duì)接縱焊縫及連接部分的環(huán)焊縫。快堆堆容器采用奧氏體不銹鋼作為主要建造材料，其焊縫也均為奧氏體不銹鋼全焊接焊縫。鑒于奧氏體組織晶粒粗大且有孿晶和混晶現(xiàn)象，故需要選擇合適的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，以提高檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和真實(shí)性[7]。
在役檢查中應(yīng)用的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)主要包括：目視檢測(cè)（VT）、超聲檢測(cè)（UT）、射線檢測(cè)（RT）、磁粉檢測(cè)（MT）、滲透檢測(cè)（PT）及渦流檢測(cè)（ET）。各檢測(cè)方法均具有一定的特點(diǎn)和局限性，為提高檢測(cè)結(jié)果的可靠性，應(yīng)根據(jù)設(shè)備材料、制造方法、工作介質(zhì)、使用條件和失效模式，預(yù)計(jì)可能產(chǎn)生的缺陷種類、形狀、部位和方向，選擇合適的無(wú)損檢測(cè)手段[8]?？於巡捎貌煌该鞯囊簯B(tài)金屬鈉作為冷卻劑，光學(xué)設(shè)備無(wú)法直接從堆內(nèi)壁進(jìn)行檢測(cè)；此外考慮到堆容器焊縫的材料性質(zhì)、檢測(cè)溫度和空間限制，選擇超聲檢測(cè)和目視檢測(cè)作為檢測(cè)手段。超聲檢測(cè)作為無(wú)損檢測(cè)的一種主要方法，被廣泛應(yīng)用于核電站的役前及在役檢查中；目視檢測(cè)作為最能直觀反映焊縫表面狀況的方法，與超聲檢測(cè)相輔相成，為堆容器的在役檢查提供可靠的信息來(lái)源和缺陷判斷。
關(guān)于檢測(cè)窗口，因?yàn)楦邷丨h(huán)境會(huì)影響超聲探頭晶片的性能，且工業(yè)檢測(cè)相機(jī)通常無(wú)法在高溫條件下正常工作，因此在快堆停堆換料期間進(jìn)行檢測(cè)是最佳選擇。停堆階段作為快堆服役過程中溫度最低的時(shí)期，能夠顯著降低檢測(cè)難度?？於讯讶萜魍６褱囟染S持在250 ℃，在此溫度環(huán)境下，使用能夠穩(wěn)定工作的超聲探頭和工業(yè)相機(jī)，是進(jìn)行堆容器在役檢查的關(guān)鍵一步。
1.1 超聲檢測(cè)探頭的選型
1.1.1 晶片的高溫耐受性
目前市面上絕大部分超聲探頭為常溫常規(guī)探頭，其中國(guó)內(nèi)的常規(guī)超聲探頭晶片最高耐溫限制為150 ℃，在使用其進(jìn)行高溫檢測(cè)時(shí)，只允許與工件進(jìn)行5 s的接觸檢測(cè)，冷卻后才可再次使用。為此，國(guó)內(nèi)開發(fā)出了耐高溫楔塊，通過增加楔塊厚度來(lái)確保溫度傳遞到晶片時(shí)低于150 ℃。該設(shè)計(jì)允許探頭與工件進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間接觸，但探頭整體仍無(wú)法在高于150 ℃的密閉環(huán)境下工作。國(guó)外常規(guī)超聲探頭的研發(fā)較為先進(jìn)，美國(guó)開發(fā)出能夠在最高250 ℃環(huán)境下連續(xù)工作的斜探頭，與堆容器停堆溫度相符，但該溫度為探頭的極限工作溫度，因此該探頭還是無(wú)法適應(yīng)堆容器的檢測(cè)環(huán)境。通常情況下，耐高溫常規(guī)超聲探頭主要用于工件的厚度測(cè)量，但測(cè)厚探頭均為0°直射波探頭。然而對(duì)于焊縫的無(wú)損檢測(cè)，在使用常規(guī)探頭的前提下，應(yīng)選擇斜探頭檢測(cè)，目的是確保發(fā)射的超聲波與缺陷呈較大的角度，提高檢測(cè)準(zhǔn)確率。英國(guó)某公司開發(fā)的測(cè)厚探頭能夠做到在高溫下進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間接觸檢測(cè)，其溫度循環(huán)及300 ℃下的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)圖如圖2所示。該探頭使用了特種壓電陶瓷材料研發(fā)的耐高溫晶片，使得探頭整體位于250 ℃環(huán)境下的檢測(cè)工作成為可能。該探頭頻率為5 MHz，雙晶探頭直徑為8 mm，頂圓直徑為11 mm，聚焦深度為10 mm。
1.1.2 聲速的改變
在超聲檢測(cè)過程中，溫度的變化會(huì)引起超聲波在待檢工件中傳播聲速的改變[9]，從而導(dǎo)致缺陷的定位及定量出現(xiàn)偏差。實(shí)際工程中，應(yīng)先獲得工作溫度下待檢工件的聲速數(shù)據(jù)，基于此將超聲設(shè)備校準(zhǔn)后再進(jìn)行檢測(cè)。
1.1.3 耦合劑的選擇
高溫環(huán)境下，選擇適當(dāng)?shù)母邷伛詈蟿?duì)于超聲檢測(cè)至關(guān)重要。耦合劑為加在探頭和檢測(cè)面之間的液體或固體薄層，具有提高探頭和工件間聲能傳遞性的作用[10]。市面上的耦合劑分為固體耦合劑和液態(tài)耦合劑，固體耦合劑在使用過程中需要提供較大壓力以保障接觸面間的空氣全部排出，液態(tài)耦合劑在使用時(shí)則通過管道連接探頭與耦合劑存儲(chǔ)箱，要求在檢測(cè)的同時(shí)確保耦合劑的供應(yīng)。在250 ℃高溫檢測(cè)環(huán)境中，需要選擇具有高溫穩(wěn)定性且無(wú)腐蝕性、無(wú)黏度的耦合劑產(chǎn)品，配合高溫探頭進(jìn)行檢測(cè)。
1.2 目視檢測(cè)相機(jī)的冷卻
在快堆堆容器檢測(cè)過程中，常采用目視檢測(cè)方法評(píng)估堆容器焊縫的表面狀況。為了確保檢測(cè)的準(zhǔn)確性，除了需保證光源光線分布的均勻性外，還應(yīng)選用適當(dāng)?shù)囊曈X檢測(cè)設(shè)備，以獲得更多的堆容器表面細(xì)節(jié)。目視檢測(cè)設(shè)備由檢測(cè)裝置帶入檢測(cè)環(huán)境，其在運(yùn)行中需要承受堆內(nèi)高溫，故對(duì)目視檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行冷卻是必不可少的措施。
目視檢測(cè)設(shè)備采用半導(dǎo)體成像器件的工業(yè)相機(jī)，由于其無(wú)法承受250 ℃的高溫，使用時(shí)需要冷卻系統(tǒng)降低其整體溫度，常見的冷卻方式為水冷或風(fēng)冷。日本ISI小車采用CCD耐輻照相機(jī)，并搭載配套的氮?dú)饫鋮s系統(tǒng)，冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。針對(duì)相機(jī)聚焦問題，ISI小車采用步進(jìn)電機(jī)來(lái)調(diào)節(jié)鏡片旋轉(zhuǎn)的角度，實(shí)現(xiàn)焦距與視野的調(diào)節(jié)。并且，為適應(yīng)堆內(nèi)黑暗的檢測(cè)環(huán)境，ISI小車裝備有光源設(shè)備，方便其堆內(nèi)運(yùn)行和檢測(cè)。同樣地，法國(guó)MIR目視檢測(cè)的工業(yè)相機(jī)也采用氮?dú)饫鋮s，以大幅度降低相機(jī)使用過程中的整體溫度。根據(jù)國(guó)外已實(shí)施方案，獨(dú)立的冷卻系統(tǒng)是工業(yè)相機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。鑒于國(guó)內(nèi)快堆主容器和保護(hù)容器之間為氬氣層，故可選擇流動(dòng)的氬氣來(lái)提供冷卻。
2. 在役檢查裝置實(shí)現(xiàn)方案存在的關(guān)鍵問題
對(duì)于堆容器的在役檢查，超聲檢測(cè)作為主要檢測(cè)技術(shù)，其運(yùn)載探頭的檢測(cè)裝置也要根據(jù)堆容器的檢測(cè)環(huán)境進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。針對(duì)反應(yīng)堆密閉、小空間的檢測(cè)環(huán)境，國(guó)外發(fā)展出一系列輪式、履帶式、軌道式、足式（仿生式）機(jī)器人。筆者以堆容器檢測(cè)空間的關(guān)鍵問題為出發(fā)點(diǎn)，對(duì)國(guó)外檢測(cè)裝置機(jī)械設(shè)計(jì)的解決方案進(jìn)行對(duì)比分析。
2.1 堆容器檢測(cè)空間的關(guān)鍵問題
2.1.1 檢測(cè)空間狹窄
與傳統(tǒng)壓水堆不同，快堆堆容器內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜且充滿鈉液，無(wú)法將堆內(nèi)構(gòu)件吊起后從壓力容器內(nèi)壁實(shí)施檢測(cè)[11]，因此，通過主容器與保護(hù)容器之間的間隙夾層進(jìn)行檢測(cè)是唯一可行的方式。然而國(guó)內(nèi)快堆堆容器間隙狹窄，為使檢測(cè)裝置在極度有限的檢測(cè)空間運(yùn)行，對(duì)該裝置的設(shè)計(jì)和技術(shù)驗(yàn)證均有較高要求。
2.1.2 檢測(cè)孔的選擇
快堆堆容器在役檢查期間，選擇適當(dāng)?shù)臋z測(cè)孔尤為關(guān)鍵。通常，應(yīng)在確定焊縫位置后，于錐頂蓋上選擇合適位置自行開檢測(cè)孔，以便于檢測(cè)裝置進(jìn)入。但堆容器焊縫在焊接完成后，工人會(huì)根據(jù)規(guī)范要求對(duì)焊縫進(jìn)行磨平處理，在未做標(biāo)記的情況下，焊縫位置只能依據(jù)圖紙模糊定位，無(wú)法獲得準(zhǔn)確的焊縫位置信息，從而導(dǎo)致檢測(cè)孔在定位時(shí)存在困難。此外，考慮到國(guó)內(nèi)快堆堆容器的錐頂蓋禁止新增檢測(cè)孔，檢測(cè)裝置只能通過現(xiàn)有的設(shè)備孔進(jìn)入再到達(dá)預(yù)定檢測(cè)位置。然而錐頂蓋上設(shè)備孔數(shù)量眾多，不同位置的設(shè)備孔尺寸不同，孔內(nèi)布置的設(shè)備功能亦不同。因此，選擇設(shè)備孔作為檢測(cè)通道時(shí)，需考慮其與待檢焊縫的距離，確保檢測(cè)裝置進(jìn)入檢測(cè)環(huán)境后能夠快速到達(dá)待檢地點(diǎn)。同時(shí)，必須評(píng)估孔內(nèi)已布置設(shè)備的重要程度，確保二次安裝后不會(huì)對(duì)后續(xù)的快堆服役造成影響。
2.1.3 堆內(nèi)設(shè)施復(fù)雜
快堆主容器外表面貼有大量的應(yīng)變片與熱電偶，其傳輸數(shù)據(jù)的電纜線布滿主容器外壁，并且這些測(cè)量裝置不能受到碾壓。由于堆內(nèi)檢測(cè)空間狹窄，需在檢測(cè)裝置下堆前確定合適的行進(jìn)路線，以規(guī)避已安裝的應(yīng)變片與熱電偶，確保準(zhǔn)確到達(dá)焊縫處。
2.1.4 設(shè)備抗輻照問題
快堆堆容器在停堆時(shí)仍存在少量放射性，所以檢測(cè)裝置需進(jìn)行輻照屏蔽處理，防止檢測(cè)過程中檢測(cè)裝置出現(xiàn)失效情況。同時(shí)，需要對(duì)檢測(cè)裝置中高溫敏感的電子設(shè)備進(jìn)行冷卻處理，傳輸數(shù)據(jù)的信號(hào)線、提供動(dòng)力的電源線等電纜設(shè)備也應(yīng)采取保護(hù)措施。
2.2 國(guó)外檢測(cè)裝置的若干實(shí)現(xiàn)方案及存在問題
檢測(cè)裝置的機(jī)械設(shè)計(jì)需要考慮無(wú)損檢測(cè)設(shè)備的尺寸和安裝位置，同時(shí)也要兼顧檢測(cè)環(huán)境的空間要求，合理的機(jī)械設(shè)計(jì)能保證堆容器在役檢查過程中檢測(cè)裝置的穩(wěn)定性。這一過程涉及多方面工程和技術(shù)參數(shù)的優(yōu)化與協(xié)調(diào)。以下給出法國(guó)、日本、印度三國(guó)的快堆檢測(cè)裝置的解決方案，為后續(xù)國(guó)內(nèi)的快堆在役檢查研發(fā)提供參考。
2.2.1 法國(guó)快堆檢測(cè)
法國(guó)“鳳凰一號(hào)”快堆在役檢查時(shí)，主容器壁面溫度為180 ℃，厚度為25~60 mm，保護(hù)容器壁面溫度為120 ℃，厚度為25~30 mm，材料均為不銹鋼，二者間隙為620~700 mm。檢測(cè)小車MIR通過在主容器頂部開的12個(gè)檢測(cè)孔進(jìn)入檢測(cè)環(huán)境內(nèi)部，其采用輪式運(yùn)動(dòng)方式，由中央總體結(jié)構(gòu)加整車框架組成。通過連桿控制的兩個(gè)自適應(yīng)側(cè)臂鉸接到整車框架，側(cè)臂可根據(jù)間隙大小調(diào)節(jié)MIR高度方向的距離，這種設(shè)計(jì)不僅能夠確保MIR順利越過狹窄的檢測(cè)環(huán)境，又能夠提供合適的壓力防止其在沿主容器軸向方向的滑移。4個(gè)獨(dú)立的輪組為MIR的移動(dòng)與轉(zhuǎn)向提供動(dòng)力與轉(zhuǎn)矩，以實(shí)現(xiàn)在檢測(cè)環(huán)境中的靈活運(yùn)動(dòng)，快速到達(dá)指定檢測(cè)地點(diǎn)。MIR尾端連接復(fù)纜線，一條為信息傳輸?shù)碾娎|，另一條為鋼纜，鋼纜用于緊急情況下將故障MIR拉出檢測(cè)環(huán)境。
2.2.2 日本快堆檢測(cè)
在日本“MONJU”快堆在役檢查過程中，盡管檢測(cè)環(huán)境的溫度超過200 ℃，但檢測(cè)空間達(dá)到250~350 mm。由位于堆容器頂端的輔助裝置、控制臺(tái)以及檢測(cè)環(huán)境內(nèi)的引導(dǎo)軌道，輔助ISI小車在檢測(cè)環(huán)境內(nèi)沿間隙形狀行駛。通過輔助裝置內(nèi)的滾筒布置一根由控制電纜、超聲電纜和鋼纜組成的復(fù)合纜線，用于控制、傳遞檢測(cè)信號(hào)，并在檢測(cè)裝置故障時(shí)順利將其拉出檢測(cè)地點(diǎn)。并且，ISI小車攜帶磁性傳感器，可沿保護(hù)容器內(nèi)壁上的預(yù)設(shè)標(biāo)記進(jìn)行導(dǎo)航，其輪組也采用獨(dú)立電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式，使用無(wú)刷直流電機(jī)提供動(dòng)力輸出與轉(zhuǎn)向輸出。此外，ISI小車改進(jìn)了重力平衡機(jī)制，不再依賴于來(lái)自兩個(gè)相對(duì)壁面的壓力支撐來(lái)抵消快堆軸向方向的重力影響，而是采用永磁車輪沿小車高度方向提供壓力，使其緊貼至引導(dǎo)軌道的壁面上。
2.2.3 印度快堆檢測(cè)
印度原型快堆檢測(cè)空間為300 mm，檢測(cè)環(huán)境內(nèi)充滿氮?dú)?，檢測(cè)溫度保持在150 ℃。為了便于檢測(cè)小車的進(jìn)出和穩(wěn)定操作，設(shè)計(jì)了6個(gè)位于快堆主容器頂部的進(jìn)出孔。為滿足氮?dú)鈮毫σ?，設(shè)計(jì)有氣閘室，并通過氣閘室內(nèi)的釋放機(jī)構(gòu)懸掛和部署檢測(cè)小車。為了完成檢測(cè)小車在檢測(cè)環(huán)境內(nèi)的定位，在快堆主容器的外表面和保護(hù)容器的內(nèi)表面分別設(shè)有若干永久性參考標(biāo)志，利用識(shí)別參考標(biāo)志的導(dǎo)航相機(jī)準(zhǔn)確到達(dá)檢測(cè)位置。檢測(cè)小車采用剪刀機(jī)構(gòu)的底盤構(gòu)型，頂部裝配從動(dòng)輪，通過推缸及連桿調(diào)節(jié)高度，確保各輪組緊貼容器壁面。此外，各輪組連接有轉(zhuǎn)向電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)，能夠獨(dú)立實(shí)現(xiàn)車輪的直行與轉(zhuǎn)向。在各轉(zhuǎn)向電機(jī)提供不同的旋轉(zhuǎn)角后，小車可實(shí)現(xiàn)水平、垂直、對(duì)角線移動(dòng)，繞自身中心軸自旋，及繞某中心點(diǎn)旋轉(zhuǎn)等多種運(yùn)動(dòng)，方便檢測(cè)小車在檢測(cè)環(huán)境內(nèi)靈活運(yùn)行。
2.2.4 國(guó)外各實(shí)現(xiàn)方案對(duì)比分析
通過介紹法國(guó)、日本、印度三國(guó)快堆在役檢查方案，得出其共同點(diǎn)：①檢測(cè)裝置普遍采用輪式運(yùn)動(dòng)方式，并配備獨(dú)立的轉(zhuǎn)向與驅(qū)動(dòng)電機(jī)；②在堆內(nèi)設(shè)有便于檢測(cè)裝置導(dǎo)航的引導(dǎo)標(biāo)記，并使用復(fù)電纜連接檢測(cè)裝置。各國(guó)為確保檢測(cè)裝置在靜態(tài)條件下能提供摩擦夾持，在動(dòng)態(tài)條件下進(jìn)行動(dòng)力輸出，使用了不同的技術(shù)策略。法國(guó)與印度由于堆內(nèi)無(wú)法安裝固定導(dǎo)軌，故在檢測(cè)裝置上下各安裝輪系以擠壓堆容器壁面來(lái)維持平衡，而日本則選擇安裝引導(dǎo)軌道，采用永磁車輪保障檢測(cè)裝置不產(chǎn)生滑移。各國(guó)檢測(cè)方案均具有針對(duì)其本土快堆設(shè)計(jì)的獨(dú)特性，因此在設(shè)計(jì)適用于中國(guó)快堆的在役檢查裝置方案時(shí)，可借鑒國(guó)外方案，但不可照搬。
3. 中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆堆容器在役檢查可能性方案探討
中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆是我國(guó)第一座鈉冷快中子反應(yīng)堆，盡管國(guó)內(nèi)對(duì)其研究相當(dāng)成熟，但針對(duì)其堆容器焊縫的無(wú)損檢測(cè)仍是一個(gè)關(guān)鍵的研究領(lǐng)域。筆者以中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆堆容器作為在役檢查對(duì)象，結(jié)合上文中提到的國(guó)外快堆在役檢查方案，探討適用于中國(guó)快堆堆容器在役檢查的可能性方案。
3.1 待檢參數(shù)及超聲設(shè)備選擇
中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆堆容器的待檢部位分為主容器和保護(hù)容器。其中，主容器支承環(huán)以上的部分，包括整個(gè)堆容器支承頸部、整個(gè)錐頂蓋以及主容器筒體上半部，材料都采用奧氏體316鋼；其余部分，包括主容器筒體下半部、整個(gè)主容器底封頭、整個(gè)保護(hù)容器和堆容器支承，材料都采用奧氏體304鋼。主容器焊縫包括上下筒體對(duì)接環(huán)焊縫及筒體與下底部封頭、筒體與上頂蓋的環(huán)焊縫，上下筒體自身的對(duì)接縱焊縫，共7道待檢焊縫；保護(hù)容器焊縫包括一道對(duì)接環(huán)焊縫及上下筒體自身的對(duì)接縱焊縫，共5道待檢焊縫。堆容器待檢焊縫位置及結(jié)構(gòu)示意如圖4所示，其中縱焊縫和環(huán)焊縫的厚度均為25 mm，堆容器坡口形式為雙V形對(duì)接焊，焊后磨平余高。
根據(jù)CEFR設(shè)計(jì)的停堆溫度，其外壁面溫度為250 ℃，保護(hù)容器內(nèi)壁溫度達(dá)到230 ℃，檢測(cè)環(huán)境的整體溫度約保持在240 ℃。CEFR主容器和保護(hù)容器均為薄壁圓筒設(shè)計(jì)，主容器外壁與保護(hù)容器內(nèi)壁距離為87.5 mm。
CEFR檢測(cè)孔信息及檢測(cè)流程示意如圖5所示。其中①、②號(hào)設(shè)備孔直徑均超過87.5 mm，可以作為檢測(cè)設(shè)備進(jìn)入檢測(cè)環(huán)境的通道。在錐頂蓋上方放置輔助設(shè)備，輔助設(shè)備是操作層的一個(gè)密閉結(jié)構(gòu)，包含與檢測(cè)裝置連接的復(fù)合電纜，并通過引導(dǎo)軌道與錐頂蓋檢測(cè)孔連通，從而使檢測(cè)裝置進(jìn)入檢測(cè)間隙并沿著間隙夾層進(jìn)行檢測(cè)工作。
基于上述CEFR堆容器的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，選擇定制英國(guó)公司的耐高溫常規(guī)超聲斜探頭，分別為工作角度為45°，頻率為2 MHz的雙晶探頭；工作角度為60°，頻率為2 MHz的雙晶探頭；0°直探頭。使用0°直探頭確定焊縫位置。上述定制探頭能承受11 000 Gy （1 Gy=1 J/kg）伽馬射線，配套電纜線為常規(guī)的耐高溫雙同軸電纜，與探頭連接部分為1 m MIMS接頭。探頭采用鋸齒形掃查方式，前后移動(dòng)距離應(yīng)保證聲束掃查到整個(gè)焊縫截面及熱影響區(qū)，并配合前后、左右、轉(zhuǎn)角和環(huán)繞轉(zhuǎn)動(dòng)等方式，從而確定缺陷位置、方向、形狀并觀察動(dòng)態(tài)波形及區(qū)分缺陷波與偽信號(hào)，掃查方式示意如圖6所示。探頭使用的耦合劑采用常規(guī)的高溫液態(tài)耦合劑（型號(hào)為MSDS），成分主要為芳香硅及二氧化硅混合物，溫度為－45 ℃~412 ℃時(shí)的檢測(cè)效果較好。工業(yè)相機(jī)則利用流動(dòng)的氬氣作為冷卻方式，保障其溫度在使用過程中顯著降低。國(guó)內(nèi)應(yīng)用場(chǎng)景均在常溫環(huán)境下，導(dǎo)致選擇耐高溫的電子設(shè)備時(shí)面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。因此，采用冷卻系統(tǒng)為整個(gè)電子設(shè)備降溫成為一種有效的措施，同時(shí)應(yīng)積極研發(fā)能夠在高溫環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行的電子元件，這對(duì)于未來(lái)快堆在役檢查裝置的順利落地至關(guān)重要。
3.2 檢測(cè)裝置方案探討
檢測(cè)裝置的機(jī)械設(shè)計(jì)需要考慮檢測(cè)環(huán)境下的移動(dòng)方式[12-13]、提供動(dòng)力的電機(jī)選型、裝置整體的協(xié)調(diào)性與合理性、電子設(shè)備布線的可靠性，只有綜合考慮各影響因素，結(jié)合CEFR堆容器的關(guān)鍵問題，才能成功實(shí)現(xiàn)堆容器的在役檢查。
針對(duì)CEFR堆容器檢測(cè)裝置的移動(dòng)方式，推薦采用輪式設(shè)計(jì)。輪式移動(dòng)方式具有移動(dòng)速度快、轉(zhuǎn)向靈活等優(yōu)點(diǎn)，可在狹小的檢測(cè)環(huán)境內(nèi)準(zhǔn)確快速地到達(dá)指定檢測(cè)位置。但輪式結(jié)構(gòu)吸附性差，重力作用會(huì)使檢測(cè)裝置出現(xiàn)滑移，故需要在檢測(cè)裝置頂部安裝壓力輪，利用其擠壓保護(hù)容器內(nèi)表面，進(jìn)而產(chǎn)生反作用力將檢測(cè)裝置緊壓到主容器外表面。此外，主容器和保護(hù)容器的表面并非絕對(duì)光滑，無(wú)法確保兩者之間的距離保持在87.5 mm，因此檢測(cè)裝置必須有自適應(yīng)的底盤結(jié)構(gòu)來(lái)調(diào)節(jié)自身高度以達(dá)到所需的空間尺寸，自適應(yīng)底盤結(jié)構(gòu)功能可通過調(diào)節(jié)位于頂部的壓力輪來(lái)實(shí)現(xiàn)[14]。通常能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)度變化的機(jī)械機(jī)構(gòu)包括電推桿、氣缸、鏈輪、彈簧、連桿等。此情況可選擇氣缸加彈簧組合，氣缸可以向壓力輪提供足夠的壓力，并且若檢測(cè)裝置出現(xiàn)故障，氣缸可瞬間泄氣以使檢測(cè)裝置回到初始高度，方便將發(fā)生故障的檢測(cè)裝置從檢測(cè)環(huán)境中拉出。并且在彈簧的作用下，檢測(cè)裝置在高度方向可以適應(yīng)微小的距離變化，實(shí)現(xiàn)底盤的自適應(yīng)，自適應(yīng)底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意如圖7所示，其展示了該結(jié)構(gòu)從放入間隙到最終運(yùn)動(dòng)形態(tài)的改變過程。其中①為動(dòng)力輪，通過電機(jī)將動(dòng)力輸出至輪端；②，③為從動(dòng)輪，連接彈簧與電推桿結(jié)構(gòu)可使輪系壓緊在壁面上，并且兩側(cè)電推桿能進(jìn)行獨(dú)立控制，以適應(yīng)不同間隙距離，實(shí)現(xiàn)整體自適應(yīng)。不同距離的結(jié)構(gòu)自適應(yīng)示意如圖8所示。
為提高檢測(cè)裝置在檢測(cè)環(huán)境中的運(yùn)行靈活性，需要給每個(gè)車輪配置獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電機(jī)和轉(zhuǎn)向電機(jī)。通過分析不同檢測(cè)位置下檢測(cè)裝置的狀態(tài)，可精確計(jì)算所需的電機(jī)參數(shù)，以選取最優(yōu)的電機(jī)型號(hào)。同時(shí)，選擇電子設(shè)備時(shí)需要考慮耐高溫和耐輻照性能，配置電纜線時(shí)還需根據(jù)檢測(cè)裝置運(yùn)行的路徑來(lái)計(jì)算所需的長(zhǎng)度。除傳輸數(shù)據(jù)的電纜線外，還需要配置與檢測(cè)裝置連接的鋼纜線，確保在故障情況下能夠?qū)z測(cè)裝置拉出，避免在堆內(nèi)遺留無(wú)關(guān)設(shè)備。
4. 無(wú)損檢測(cè)掛證網(wǎng)結(jié)論
文章分別從檢測(cè)工藝確定和檢測(cè)裝置機(jī)械設(shè)計(jì)兩方面，凝練了快堆堆容器在役檢查亟待解決的若干關(guān)鍵技術(shù)問題，并對(duì)國(guó)外快堆在役檢查技術(shù)的解決方案進(jìn)行梳理和總結(jié)，以展現(xiàn)快堆堆容器在役檢查領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀；然后以中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆（CEFR）為例，闡述了國(guó)內(nèi)快堆堆容器在役檢查的潛在可行性方案，得出如下結(jié)論。
（1）針對(duì)堆容器的高溫服役環(huán)境，無(wú)損檢測(cè)設(shè)備應(yīng)重點(diǎn)考慮耐高溫性能。其中，超聲檢測(cè)探頭和工業(yè)相機(jī)的正常運(yùn)行，是確保焊縫缺陷檢出的關(guān)鍵。
（2）對(duì)于堆容器的狹窄、密閉檢測(cè)空間，檢測(cè)裝置的合理設(shè)計(jì)能保障無(wú)損檢測(cè)設(shè)備準(zhǔn)確、高效地到達(dá)待檢地點(diǎn)。
（3）對(duì)于在堆容器輻照、堆內(nèi)檢測(cè)環(huán)境復(fù)雜、堆容器頂部無(wú)法開檢測(cè)孔等問題，解決思路主要包括必要的設(shè)備輻射屏蔽、正確規(guī)劃?rùn)z測(cè)裝置運(yùn)行路徑、合理選擇堆容器頂部預(yù)留的設(shè)備孔。
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