堆内构件是核反应堆的核心部件之一，其组件多，结构复杂，其中控制棒导向筒组件（CRGT）主要对控制棒的上下运动起到导向和约束作用，与控制棒组件等设备组合在一起实现反应堆的功率控制，其功能与状态直接影响落棒时间及核安全。控制棒导向筒组件长期在高温、高压水流、高辐照、振动等苛刻环境中服役，虽非承压部件，但存在磨损可能。

法国电力集团（EDF）的多个核电站发现了控制棒导向筒组件内的导向卡磨损情况（见图1）。截止到2018年底，EDF已经针对大约2300个CRGT进行了检查，而国内核电机组中尤其是运行年限已经超过20年以上的机组，其控制棒导向筒内部的状况仍然未知，亟需进行检测，以保障机组安全运行。

图1 导向卡磨损外观

国内外检测技术现状

控制棒导向卡的磨损虽非役前、在役检查规范中的强制性检测范围，但是其对核安全具有重要影响，并作为经验反馈项目引起了电站及相关研究机构的广泛关注。IAEA（国际原子能机构）出版的技术报告Assessment and Management of Ageing of Major Nuclear Power Plant Components Important to Safety: PWR Vessel Internals（IAEA-TECDOC-1557）建议在电站运行期间，对控制棒导向筒内的导向卡磨损程度进行检测。

国外无损检测公司相继研发了专用检测技术与装备，美国西屋公司、法国AREVA公司、法国CEGELEC公司等开发了各自不同的检测系统。西屋公司开发的检测系统使用光纤摄像头和图像处理软件进行检测，通过与已知的标准尺进行比较计算来检测导向孔的尺寸。AREVA公司开发的控制棒导向筒检测设备也使用视觉方法，利用日食原理对获得的图像进行光学检测并评估CRGT的磨损。CEGELEC公司开发的检测设备使用超声检测技术来实现CRGT导向卡上被测孔的轮廓检测，从而评估CRGT的磨损。

从控制棒导向筒检测的实际应用情况来看，西屋公司的视频检测方法、CEGELEC的超声检测方法都被法国核电业主认可，并且认为两者处于同等技术水平。国内尚未对控制棒导向筒检测进行深入研究，没有相关检测技术和装备。

系统设计

检测对象分析

某电厂在运行机组的导向筒组件分布及结构如图2所示。

图2 导向筒组件分布及结构示意

据国外经验反馈，磨损容易出现在B型、D型、E型导向孔上，其中E型孔的磨损最为严重，是关注的重点。需检测的尺寸为E型孔的直径、E型孔联系带的长度及宽度，如图3所示。

图3 需检测的位置示意

总体方案设计

本文研究的无损检测方法主要通过机器视觉技术来实现导向卡的磨损检测，包括开发相应搭载高清摄像头的水下检测装置，建立图像采集子系统（包括水下部分高清摄像单元，岸上控制的视频图像采集单元），运用图像识别算法，编写上位机软件等。系统总体设计方案如图4所示。

图4 系统总体设计方案示意

根据核电厂在役检查现场工况，控制棒导向筒组件需要随上部堆内构件一起从反应堆压力容器中吊出，存放于构件水池中，同时，移除控制棒驱动杆。检测设备安装在控制棒导向筒顶部，通过长杆结构，将视觉摄像头定位至需要检测的导向卡上方，进行图像采集。

控制棒导向筒检测系统构成主要包括以下三个部分：

1 控制棒导向筒磨损检测。系统的前端摄像头进行图像信号采集，后端分析软件实现对图像信息的处理和分析校准，获取满足精度要求的检测值，该系统主要包括高清摄像头硬件、图像识别及检测等模块。

2 检测机械系统。主要功能是远程定位高清摄像头至被检导向卡上方，包括多自由度的检查装置。

3 岸上控制系统。具有水下检测装置的运动控制，摄像头的电源控制，图像信号传输，LED灯亮度调节等功能。

检测设备

检测机械系统部分具备轴向、周向两个自由度。轴向自由度主要实现检测视觉传感器在各层被检导向孔的定位，以齿轮、齿条结构为运动主体。电机组件通过锥齿轮副使传动齿轮旋转运动，从而驱动齿条作直线运动。为保证运动的直线度，系统设置有直线轴承和导轨滑块。模块中设置相应的位置传感器用于确认直线运动的初始位置及限位保护，设置锁紧结构在初始安装和检测完成后锁紧直线运动模块的运动，避免驱动组件过载以及因拖拽导致的电缆损坏。

周向自由度主要实现同一导向卡上不同方位导向孔的定位。机构以齿轮结构构成运动主体，大齿轮与固定基座连接，驱动齿轮与电机组件及旋转基座固定连接，两者在旋转轴承的支撑下形成旋转运动关系。模块中设置相应的位置传感器用于确认初始位置及限位保护，设置气动锁紧结构在初始安装和检测完成后锁紧旋转模块的运动，避免驱动组件过载以及因拖拽导致的电缆损坏。

岸上控制系统的整体结构为单主控制器+多驱动器。控制器与驱动器之间采用EtherCAT总线进行通信，各个控制器或者驱动器均挂载在该总线上，以减少电缆数量，提升设备的可靠性，同时控制系统可监测当前电机的电流，通过电流信息可以得知电机当前是否出现过载等异常情况，提升系统安全性能。

磨损检测系统

基于机器视觉的尺寸检测系统主要包括硬件设计和软件设计两个部分，硬件部分主要用来完成原始工件图像的采集，软件部分主要包括图像的分析及数据管理。

1 检测系统设计

检测系统主要由图像采集模块、图像处理模块、定位光控模块及数据管理模块组成。尺寸检测系统软件是把采集到的图像进行预处理并提取目标区域的轮廓进行尺寸检测，并存储检测结果，方便后续查阅导出。软件采用面向对象的编程方法，采用模块化理念进行功能设计。检测系统模块组成如图5所示。

图5 检测系统模块组成

2 图像分析设计

采集得到的图像需要进行预处理，包括阀值分割、图像去噪、图像细化等操作，以提高图像轮廓识别的精度，在轮廓提取后，还需要对图像进行相机标定、特征识别等处理以校正图像的畸变，对最后提取的轮廓进行尺寸检测，以保证检测结果的精度。图像分析流程如图6所示。

图6 图像分析流程示意

系统验证

在完成控制棒导向筒检验系统研制后，为满足现场检查要求，需进行一系列验证试验，包括水下密封试验、机械运动精度测试、磨损导向卡测试、电厂模拟平台验证测试等。

磨损精度测试

磨损系统使用标准的导向孔进行标定，然后使用带磨损缺陷的导向孔进行磨损检测（见图7），以测量检测精度。

图7 不同程度磨损导向孔外观

部分磨损检测精度如下表所示（mm）：

大亚湾模拟平台验证测试

大亚湾模拟测试平台完全模拟核岛内平台主要部件与结构，具备全尺寸及结构的构件水池、堆内构件、控制棒导向筒、水池便桥等，完全能够满足现场使用前的测试需求。堆内构件放置于该平台的构件水池内，池内水位模拟大修水位。通过设备安装、检测实施、回收等全过程的模拟，验证了设备的可靠性及现场适用性。设备测试现场如图8所示。

图8 设备测试现场

现场检测

本文所研究开发的控制棒导向筒无损检测技术与设备目前已经应用于国内某核电机组大修中，完成了两个机组的控制棒导向筒内部导向孔的磨损检测。现场检测情况如图9所示。

图9 控制棒导向筒磨损检测现场

主要检测过程包括：

1 设备防异物检查；

2 设备岸上测试；

3 检测系统岸上校核；

4 设备入水安装；

5 图像采集分析；

6 设备出水；

7 结束检查。

根据现场检查结果发现，控制棒导向筒内的导向孔出现不同程度的磨损。当其出现磨损时，往往是连续几层同时出现，程度不同。不同程度磨损导向孔的检测图像如图10和图11所示。

图10 未磨损导向孔的检测图像

图11 导向孔外侧磨损（左）和导向孔内侧磨损（右）的检测图像

结语

针对控制棒导向筒内导向孔的磨损检测需求，开发了专用的视觉检测系统，包括硬件研发与软件设计，同时开发了包括设备机械定位系统和运动控制系统的检查装备，解决了狭小水下黑暗空间内，导向孔磨损程度的检测难题。研究成果已应用于核电机组大修中，可为导向筒维修更换提供有力的决策依据，保障核电机组安全运行。随着国内在运二代压水堆机组运行年限的增加，相应的检测需求将不断提出，本文的研究成果具有显著的推广应用价值。

作者：曾晨明

来源：《2021中国无损检测年度报告》