CN109342577B - 用于在线超声检测的多重嵌套升降及同步超声扫查机构 - Google Patents

Abstract

用于在线超声检测的多重嵌套升降及同步超声扫查机构，包括升降平台及检测管；横向配置的升降平台能够上下平移升降；检测管立式配置在升降平台上，包括由内至外同轴套装的内层管、中层管和外层管，外层管和内层管分别能够在各自的驱动下，绕自身轴向独立自转；外层管与中层管上分别设有限制两者之间相互转动的配合型面，中层管只能相对于外层管轴向平移升降或者同步自转、不能相对转动；内层管和中层管螺母段上分别设有配合螺纹；该机构在布局上，充分、重复利用了驱动电机、导轨安装生成的冗余空间，节约空间效果显著；针对AP1000主泵结构性支撑及仪表管线网络布置，有效解决了法兰螺栓在线超声超声检测的空间受限、行程不够的问题。

Description

用于在线超声检测的多重嵌套升降及同步超声扫查机构

技术领域

本发明涉及在核电站在役设备检测领域，尤其涉及一种用于AP1000主泵法兰螺栓在线超声检测的多重嵌套升降及同步超声扫查机构。

背景技术

AP1000核电站反应堆冷却剂泵壳体法兰螺栓是反应堆冷却剂壳体与屏蔽电机泵之间的紧固件，长期在高温高压辐照环境下工作，易于形成疲劳损伤，是反应堆中重要的受力易损部件。为了确保核电站的安全可靠运行，需对AP1000主泵法兰螺栓实行严格的检查，美国ASME规范规定法兰螺栓为核电站役前和在役检查的重点检查对象，必须对其进行全体积超声检查。

针对在役法兰螺栓的超声检测方式，包括离线检测(即将法兰螺栓从AP1000冷却剂主泵体上拆除下来进行检测)和在线检测(即不将法兰螺栓从AP1000冷却剂主泵体上拆除下来、直接进行检测)两种。前者存在资源损耗大、检测效率低、易漏检等缺点，且检测前后无法保证反应堆的完好性，因此不能适应AP1000主泵法兰螺栓的检测可靠性高、标准严格等要求，后者不仅能克服离线检测的缺点，具有可靠性高、定位精度高等优点外，也可以在很大程度上提高检测效率，对核电站高效高品质地及时发现隐患、确保部件的运行安全有重大意义，但同时也对承载及控制超声探头的在线超声检测系统提出了更高的要求。

在线检查时，只能通过法兰螺栓的中心孔对法兰螺栓进行全体积超声检测，受限于辐射环境的高剂量率、在线检查无法采用手动检查方式，采用自动超声检测装置还具有超声数据可实时存储离线分析，检查效率高、检测和定位精度高等优点。自动检测装置先运动至于待检法兰螺栓下方、并使超声探头与法兰螺栓的中心孔保持同轴，然后超声探头在升降机构的驱动下上升，进入法兰螺栓的中心孔内、进行超声检测。

然而，AP1000冷却剂主泵周围安装的仪表管线导致自动超声检查装置的安装空间极其有限，特别主泵周边的结构性支撑和管线对装置的安装高度及行程高度带来很大的挑战，可用的工作空间高度(约为1350mm)与AP1000主泵法兰螺栓的中心孔长度(主泵法兰螺栓的中心孔孔径约为20mm，长度约为1250mm)相当，如果加上装置本身安装高度，极大的限制了检测装置的总运行高度，以致于常规的升降结构无法实现在线超声检测。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种用于在线超声检测的多重嵌套升降及同步超声扫查机构，该机构既可满足在线超声检测装置的整体尺寸不会空间干涉，又能有效满足法兰螺栓的中心孔超声扫查范围及锯齿形扫查方式的要求，符合ASME规范对法兰螺栓全体积检查的要求。

本发明是通过以下技术方案实现的：

用于在线超声检测的多重嵌套升降及同步超声扫查机构，其特征在于：包括升降平台及检测管；

横向配置的升降平台由动力驱动，能够上下平移升降；

检测管立式配置在升降平台上，包括由内至外同轴套装的内层管、中层管和外层管，

中层管上段为中层管探头段，下段为中层管螺母段，中层管探头段的上端外露于外层管外、与超声探头同轴固接为一体，

外层管和内层管分别能够在各自的驱动下，绕自身轴向独立自转；

外层管与中层管上分别设有限制两者之间相互转动的配合型面，中层管只能相对于外层管轴向平移升降或者同步自转、不能相对转动；内层管和中层管螺母段上分别设有配合螺纹；

内层管自转时，中层管在配合螺纹的作用下随内层管作伴随运动，同时由于配合型面的约束、若此时外层管静止，则中层管只能够沿轴向平移升降；外层管自转时，通过配合型面带动中层管同步自转；

在线超声检测过程中，当检测管位于待检法兰螺栓中心孔下方，并且两者同轴时，所述多重嵌套升降及旋转驱动机构能够在动力驱动下，完成下述两次升降运动并同步锯齿形在线超声扫查：

一次上升：

升降平台由动力驱动，带动检测管和超声探头整体上升，进入待检法兰螺栓中心孔下端内；

二次上升及同步超声扫查：

内层管自转，且此时外层管静止，中层管沿轴向平移上升，从而带动超声探头8继续在该法兰螺栓中心孔内沿轴向上升并同步超声扫查，直至到达该检法兰螺栓中心孔上端；

外层管自转、带动中层管同步旋转，同时内层管自转，使检测管各层在转动过程中不相对位移，直至超声探头自转设定角度，外层管和内层管停止自转；

一次下降及同步超声扫查：

内层管反向自转，且此时外层管静止，中层管沿轴向平移下降，带动超声探头在该法兰螺栓中心孔内沿轴向下降并同步超声扫查，直至到达该法兰螺栓中心孔下端；

二次下降：

升降平台由动力驱动，带动检测管和超声探头整体下降，退出该法兰螺栓中心孔；

外层管自转、带动中层管同步旋转，同时内层管自转，使检测管各层在转动过程中不相对位移，直至超声探头自转设定角度，外层管和内层管停止自转，重复上述两次升降运动并同步锯齿形在线超声扫查，如此循环，直至完成一个法兰螺栓的在线超声检测。

为使整个装置占用的位置空间和行程空间尽可能的紧凑，超声探头的垂直升降分别通过两步嵌套完成，即由升降平台实现的位于法兰螺栓中心孔外部的平移升降，由检测管实现的位于法兰螺栓中心孔内部的螺旋伸缩升降，后者还同步进行在线超声扫查，考虑到后者是利用检测管自身的伸缩实现的，因此无需额外预留行程空间，从而在较小的行程空间内达到较大的升降行程，以满足现场的实际工作需要。

此外，外层管自转、带动中层管同步旋转，同时内层管自转，使检测管各层在转动过程中不相对位移，能够在实现超声探头自转设定角度，从而分次完成360°全方位超声扫查的基础上，避免检测管的外层管、中层管沿内层管螺纹面升/降，造成行程损失。

进一步的，升降平台的平行升降可以通过压缩气体、液压或者电动+传动副的形式实现，为控制精确同时便于布置，减小线缆，优选升降平台由平移升降电机通过丝杠螺母副驱动升降，丝杠螺母副的丝杠平行于检测管设置，平行于丝杠还设有直线导轨，升降平台滑动安装在直线导轨上，能够沿直线导轨在丝杠螺母副的驱动下上下平移。

再进一步，为便于各部件的安装布局，所述多重嵌套升降及自转驱动机构还包括检测平台，平移升降电机固装在检测平台的平台支撑板上，直线导轨数量为两个，分别固装在检测平台两侧侧板上，升降平台两侧分别安装在两直线导轨上，丝杠下端转动安装在检测平台的底板上。

进一步的，所述内层管下端通过同步带轮组件Ⅰ与螺纹升降电机相连，在在螺纹升降电机驱动下、内层管能够绕自身轴向自转，同步带轮组件Ⅰ主动轮固接在螺纹升降电机输出轴上，被动轮固接在内层管上。驱动螺纹升降驱动电机，通过同步带轮组件Ⅰ带动内层管自转，中层管在螺纹连接的作用下随内层管作伴随运动，同时由于中层管与外层管之间的型面约束且外层管处于静止状态，最终可实现超声探头作沿垂直方向的升降运动。

进一步的，所述外层管通过同步带轮组件Ⅱ与自转驱动电机相连，在自转驱动电机驱动下、外层管能够绕自身轴向自转，同步带轮组件Ⅱ主动轮固接在自转驱动电机输出轴上，被动轮固接在外层管上。驱动自转驱动电机，通过同步带轮组件Ⅱ带动外层管自转，通过中层管与外层管之间的型面约束带动中层管的自转，从而实现超声探头的自转运动。

再进一步，所述同步带轮组件Ⅰ或者同步带轮组件Ⅱ的主动轮上沿轴向开设锥形通孔；锥面套为带有中心通孔的双层圆台，其小端台阶面外缘为与锥形通孔匹配的锥形配合面，且小端台阶面与大端台阶面相接处为小端直径最大处；同步带轮组件Ⅰ或者同步带轮组件Ⅱ的主动轮通过锁紧螺栓与锥面套大端锁紧为一体，锥形通孔外套在锥面套小端外，使锥面套32的中心通孔夹紧在内层管或者外层管上。锁紧螺栓紧固同步带轮组件的主动轮时，锥面套自动使同步带轮组件的主动轮通过其锥面夹紧内层管/外层管；由于不需要对内层管/外层管进行加工，整周受力均匀，利用均匀压紧力实现轴向周向的定位，同时不会降低内层管/外层管的强度。

进一步的，为便于加工及运输包装，中层管可以分段加工为中层管探头段和中层管螺母段后，再上下焊接同轴对接为一体。

进一步的，所述中层管探头段上端与超声探头通过探头连接头同轴固接在一起，中层管探头段上端和超声探头下端分别旋紧于探头连接头内孔下端和上端的螺纹段上，并通过径向螺栓锁紧，利于现场迅速拆装。

进一步的，所述配合型面为键-槽配合型面，或者限位凸起-凹槽配合型面，椭圆配合型面或者其它具有类似功能的限位配合结构。

进一步的，所述检测管下端通过外套筒安装在升降平台上，外层管与外套筒之间轴承连接，内层管下端伸出外层管外、伸出端与外套筒之间轴承连接，外套筒下端固装在升降平台上。外套筒对检测管起到加固和支撑的作用，避免细长的管体受力弯曲变形。

本发明的有益效果在于：

1、检测管携带超声检测探头移动和旋转，实现被检法兰螺栓的全体积锯齿形超声检测，所采集的信号具有可靠性高及定位精度高的特点，完全满足ASME标准规定。

2、该嵌套升降驱动机构在超声检测装置的布局上，充分、重复利用了驱动电机、导轨安装生成的冗余空间，节约空间效果显著，有效解决了法兰螺栓在线超声超声检测的空间受限、行程不够的问题。

附图说明

图1为本机构一种优选方案的正视剖示图

图2为图1的局部放大示意图

图3为检测管的一种优选结构剖示图

图4为图3的A-A向剖示图

图5为图1中B部分的放大示意图

图6为图1中C部分的放大示意图

图7为图1中D部分的放大示意图

图8为超声探头的升程及转角关系坐标图

图1～7中：1为升降平台，2为检测平台，3为外套筒，4为平移升降电机，5为直线导轨，8为超声探头，11为检测管，15为丝杠，19为内层管、20为中层管，21为外层管，22为中层管螺母段，23为中层管探头段，26为螺纹升降电机，27为同步带轮组件Ⅰ，29为自转驱动电机，30为同步带轮组件Ⅱ，31为锁紧螺栓，32为锥面套。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1、图2用于在线超声检测的多重嵌套升降及同步超声扫查机构包括升降平台1、检测管11和检测平台2。

检测平台包括位于上方的平台支撑板和下方的底板，以及两侧侧板。

升降平台1平行配置于平台支撑板和底板之间，升降平台1两侧分别滑动安装在直线导轨5上，两直线导轨5分别固装在检测平台2两侧侧板上。

本实施例中，平移升降电机4通过丝杠螺母副驱动升降平台1，升降平台1能够沿直线导轨5上下平移升降。平移升降电机4固装在检测平台2的平台支撑板上，丝杠螺母副的丝杠15平行于检测管11和直线导轨5设置，丝杠15下端转动安装在检测平台2的底板上。

如图3、图4所示，检测管11包括由内至外同轴套装的内层管19、中层管20和外层管21，检测管11上端活动穿过平台支撑板；中层管20上段为中层管探头段23，下段为中层管螺母段22，两者分段加工后，再焊接同轴对接为一体。

外层管21和内层管19分别能够在各自的驱动下，绕自身轴向独立自转；如图5所示，外层管21通过同步带轮组件Ⅱ30与固装在升降平台1上的自转驱动电机29相连，在自转驱动电机29驱动下、外层管21能够绕自身轴向自转，同步带轮组件Ⅱ30主动轮固接在自转驱动电机29输出轴上，被动轮固接在外层管21上。如图6所示，内层管19下端活动伸出外层管21后、再活动伸出升降平台1底部，伸出端端面为光面，通过同步带轮组件Ⅰ27与固装在升降平台1上的螺纹升降电机26相连，在螺纹升降电机26驱动下、内层管19能够绕自身轴向自转，同步带轮组件Ⅰ27主动轮固接在螺纹升降电机26输出轴上，被动轮固接在内层管19上。

如图5、图6所示，同步带轮组件Ⅰ27或者同步带轮组件Ⅱ30的主动轮上沿轴向开设锥形通孔；锥面套32为带有中心通孔的双层圆台，其小端台阶面外缘为与锥形通孔匹配的锥形配合面，且小端台阶面与大端台阶面相接处为小端直径最大处；同步带轮组件Ⅰ27或者同步带轮组件Ⅱ30的主动轮通过锁紧螺栓31与锥面套32大端锁紧为一体，锥形通孔紧套在锥面套32小端外，使锥面套32的中心通孔夹紧在内层管19或者外层管21上。

如图3、图4所示，外层管21与中层管螺母段22上分别设有限制两者之间相互转动的配合型面，使中层管20只能相对于外层管21轴向平移升降或者同步自转、不能相对转动，本实施例中，配合型面为键-槽配合型面；内层管19和中层管螺母段22上分别设有配合螺纹；内层管19自转时，中层管20在配合螺纹的作用下随内层管19作伴随运动，同时由于配合型面的约束、若此时外层管21静止，则中层管20只能够沿轴向平移升降；外层管21自转时，通过配合型面带动中层管20同步自转。

如图7所示，中层管探头段23的上端外露于外层管21外、通过探头连接头24与超声探头8同轴固接为一体；中层管探头段23上端和超声探头8下端分别旋紧于探头连接头24内孔下端和上端的螺纹段上，并通过多个径向螺栓周向120°防松锁紧。

检测管11通过外套筒3立式转动安装在升降平台1上，检测管11下端外配置外套筒3，外层管21与外套筒3之间轴承连接，内层管19下端伸出外层管21下端外、伸出端与外套筒3之间轴承连接，外套筒3下端固装在升降平台1上。

在线超声检测过程中，当检测管11位于待检法兰螺栓中心孔下方，并且两者同轴时，所述多重嵌套升降及旋转驱动机构能够在动力驱动下，按图8中中所示的升程及转角关系，完成下述两次升降运动并同步锯齿形在线超声扫查：

一次上升：

平移升降电机4通过丝杠螺母副驱动升降平台1上升，带动检测管11和超声探头8整体上升，进入待检法兰螺栓中心孔下端内；

二次上升及同步超声扫查：

螺纹升降电机26通过同步带轮组件Ⅰ27驱动内层管19自转，且此时外层管21静止，中层管20沿轴向平移上升，从而带动超声探头8继续在该法兰螺栓中心孔内沿轴向上升并同步超声扫查，直至到达该检法兰螺栓中心孔上端；

自转驱动电机29通过同步带轮组件Ⅱ带动外层管21自转、带动中层管20同步自转，同时内层管19自转，使检测管11各层在转动过程中不相对位移，直至超声探头8自转设定角度(如5°)，外层管21和内层管19停止自转；

一次下降及同步超声扫查：

螺纹升降电机26通过同步带轮组件Ⅰ27驱动内层管19反向自转，且此时外层管21静止，中层管20沿轴向平移下降，带动超声探头8在该法兰螺栓中心孔内沿轴向下降并同步超声扫查，直至到达该法兰螺栓中心孔下端；

二次下降：

平移升降电机4通过丝杠螺母副驱动升降平台1下降，带动检测管11和超声探头8整体下降，退出该法兰螺栓中心孔；

自转驱动电机29通过同步带轮组件Ⅱ带动外层管21自转、带动中层管20同步旋转，同时内层管19自转，使检测管11各层在转动过程中不相对位移，直至超声探头8自转设定角度，外层管21和内层管19停止自转，重复上述两次升降运动并同步在线超声扫查，如此循环，直至完成一个法兰螺栓的在线超声检测。

Claims (10)

1.用于在线超声检测的多重嵌套升降及同步超声扫查机构，其特征在于：包括升降平台(1)及检测管(11)；

横向配置的升降平台(1)由动力驱动，能够上下平移升降；

检测管(11)立式配置在升降平台(1)上，包括由内至外同轴套装的内层管(19)、中层管(20)和外层管(21)，

中层管(20)上段为中层管探头段(23)，下段为中层管螺母段(22)，中层管探头段(23)的上端外露于外层管(21)外、与超声探头(8)同轴固接为一体，

外层管(21)和内层管(19)分别能够在各自的驱动下，绕自身轴向独立自转；

外层管(21)与中层管(20)上分别设有限制两者之间相互转动的配合型面；内层管(19)和中层管螺母段(22)上分别设有配合螺纹；

内层管(19)自转时，中层管(20)在配合螺纹的作用下随内层管(19)作伴随运动，同时由于配合型面的约束、若此时外层管(21)静止，则中层管(20)只能够沿轴向平移升降；外层管(21)自转时，通过配合型面带动中层管(20)同步自转；

在线超声检测过程中，当检测管(11)位于待检法兰螺栓中心孔下方，并且两者同轴时，所述多重嵌套升降及同步超声扫查机构能够在动力驱动下，完成下述两次升降运动并同步锯齿形在线超声扫查：

一次上升：

升降平台(1)由动力驱动，带动检测管(11)和超声探头(8)整体上升，进入待检法兰螺栓中心孔下端内；

二次上升及同步超声扫查：

内层管(19)自转，且此时外层管(21)静止，中层管(20)沿轴向平移上升，从而带动超声探头(8)继续在该法兰螺栓中心孔内沿轴向上升并同步超声扫查，直至到达该检法兰螺栓中心孔上端；

外层管(21)自转、带动中层管(20)同步旋转，同时内层管(19)自转，使检测管(11)各层在转动过程中不相对位移，直至超声探头(8)自转设定角度，外层管(21)和内层管(19)停止自转；

一次下降及同步超声扫查：

内层管(19)反向自转，且此时外层管(21)静止，中层管(20)沿轴向平移下降，带动超声探头(8)在该法兰螺栓中心孔内沿轴向下降并同步超声扫查，直至到达该法兰螺栓中心孔下端；

二次下降：

升降平台(1)由动力驱动，带动检测管(11)和超声探头(8)整体下降，退出该法兰螺栓中心孔；

外层管(21)自转、带动中层管(20)同步旋转，同时内层管(19)自转，使检测管(11)各层在转动过程中不相对位移，直至超声探头(8)自转设定角度，外层管(21)和内层管(19)停止自转，重复上述两次升降运动并同步锯齿形在线超声扫查，如此循环，直至完成一个法兰螺栓的在线超声检测。

2.根据权利要求1所述的用于在线超声检测的多重嵌套升降及同步超声扫查机构，其特征在于：所述升降平台(1)由平移升降电机(4)通过丝杠螺母副驱动升降，丝杠螺母副的丝杠(15)平行于检测管(11)设置，平行于丝杠(15)还设有直线导轨(5)，升降平台(1)滑动安装在直线导轨(5)上，能够沿直线导轨(5)在丝杠螺母副(15)的驱动下上下平移。

3.根据权利要求2所述的用于在线超声检测的多重嵌套升降及同步超声扫查机构，其特征在于：所述多重嵌套升降及同步超声扫查机构还包括检测平台(2)，平移升降电机(4)固装在检测平台(2)的平台支撑板上，直线导轨(5)数量为两个，分别固装在检测平台(2)两侧侧板上，升降平台(1)两侧分别安装在两直线导轨(5)上，丝杠(15)下端转动安装在检测平台(2)底板上。

4.根据权利要求1所述的用于在线超声检测的多重嵌套升降及同步超声扫查机构，其特征在于：所述内层管(19)下端通过同步带轮组件Ⅰ(27)与螺纹升降电机(26)相连，在螺纹升降电机(26)驱动下、内层管(19)能够绕自身轴向自转，同步带轮组件Ⅰ(27)主动轮固接在螺纹升降电机(26)输出轴上，被动轮固接在内层管(19)上。

5.根据权利要求1所述的用于在线超声检测的多重嵌套升降及同步超声扫查机构，其特征在于：所述外层管(21)通过同步带轮组件Ⅱ(30)与自转驱动电机(29)相连，在自转驱动电机(29)驱动下、外层管(21)能够绕自身轴向自转，同步带轮组件Ⅱ(30)主动轮固接在自转驱动电机(29)输出轴上，被动轮固接在外层管(21)上。

6.根据权利要求4或者5所述的用于在线超声检测的多重嵌套升降及同步超声扫查机构，其特征在于：所述同步带轮组件Ⅰ(27)或者同步带轮组件Ⅱ(30)的被动轮上沿轴向开设锥形通孔；锥面套(32)为带有中心通孔的双层圆台，其小端台阶面外缘为与锥形通孔匹配的锥形配合面，且小端台阶面与大端台阶面相接处为小端直径最大处；同步带轮组件Ⅰ(27)或者同步带轮组件Ⅱ(30)的被动轮通过锁紧螺栓(31)与锥面套(32)大端锁紧为一体，锥形通孔外套在锥面套(32)小端外，使锥面套(32)的中心通孔夹紧在内层管(19)或者外层管(21)上。

7.根据权利要求1所述的用于在线超声检测的多重嵌套升降及同步超声扫查机构，其特征在于：分段加工的中层管探头段(23)和中层管螺母段(22)焊接同轴对接为一体。

8.根据权利要求1所述的用于在线超声检测的多重嵌套升降及同步超声扫查机构，其特征在于：所述中层管探头段(23)上端与超声探头(8)通过探头连接头(24)同轴固接在一起，中层管探头段(23)上端和超声探头(8)下端分别旋紧于探头连接头(24)内孔下端和上端的螺纹段上，并通过径向螺栓锁紧。

9.根据权利要求1所述的用于在线超声检测的多重嵌套升降及同步超声扫查机构，其特征在于：所述配合型面为键-槽配合型面或者椭圆配合型面。

10.根据权利要求1所述的用于在线超声检测的多重嵌套升降及同步超声扫查机构，其特征在于：所述检测管(11)下端通过外套筒(3)安装在升降平台(1)上，外层管(21)与外套筒(3)之间轴承连接，内层管(19)下端伸出外层管(21)外、伸出端与外套筒(3)之间轴承连接，外套筒(3)下端固装在升降平台(1)上。

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