安全保障水池清淤机器人的设计及制造.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 21 日 作者简介：苏志伟（1990），男，汉族，河北衡水人，工程师，中国核动力研究设计院，主要从事反应堆检修及核级设备检修。-48-安全保障水池清淤机器人的设计及制造 苏志伟1（通讯作者）苏志勇1 陈浩森1 王晔晗1 丁雪东2 1.中国核动力研究设计院第一研究所，四川 成都 610213 2.中国船舶集团渤海造船有限公司，辽宁 葫芦岛 125001 摘要：摘要：以我国压水堆的安全保障水池定期清淤为研究内容，对安全保障水池清淤机器人的结构设计、样机制造、使用方式等内容进行了详细介绍。基于 ANSYS 软件对管道内部压力分布、速度分布进行了仿真分析，仿真结果符合设计要求。结合市场成熟产品及技术，确定了主要设备的选型及参数，通过实体样机加工制作及应用，对清淤机器人设计的合理性、可靠性进行了验证。关键词：关键词：压水堆；安全保障水池；清淤机器人；ANSYS 中图分类号：中图分类号：TP242 0 引言 目前，针对水池清淤，技术较为成熟并形成产品的主要有挖掘机干地开挖、抓斗挖泥船、绞吸式挖泥船，环保绞吸式挖泥船和气动泵船等。挖掘机干地开挖的操作流程为抽干水后进行挖掘式作业。其优点为污染小，工作效率高，但是其局限性限制了清淤水库的规模；抓斗挖泥船的工作流程为将船只行驶到指定淤积位置，之后绞车下放绳索，通过抓斗直接进行挖掘，其作业过程中容易造成二次污染，工作效率较低，适合在浅水区且对水体环境无要求的环境中作业；绞吸式挖泥船的操作流程为将船只开往作业水域附近，开启绞刀和泥泵，通过绞和吸的过程将淤泥吸入收集池，作业污染程度中等，工作效率一般，其作业环境要求为浅水区且对水体环境要求不高的区域；气动泵船的操作流程为利用真空负压吸走淤泥，其作业的污染程度轻，工作效率尚可，工作水深最深可达 200m，可以对大多数水体进行清淤作业1-3。传统的水池清淤主要包括以下几种方式：作业人员进入池内利用泥浆泵、消防水将淤积物冲吸并排至市政污水管网；利用污水净化车的真空泵抽吸池内淤积物，并配合高压水枪冲洗，抽吸出的淤积物在污水净化车内进行分离，杂物被分离、甩干并装袋后作为生活垃圾处置，污水排入市政（下游）污水管网；利用各种爬行机器人（车），利用水流冲刷及潜水泵排污原理进行水池清淤4-7。安全保障水池作为压水堆的重要安全保障设施，承担了反应堆正常运行时的供水及最终水源等重要功能。根据核电站关于安全保障水池定期检查及试验的相关规定，需要定期对安全水池进行清淤工作，以保证其稳定的使用性能8。结合安全保障水池厂外取水特点，特别是在雨季、洪水等特殊情况下，会有大量泥沙经过场外取水系统进入安全保障水池。沉降的淤泥严重影响了安全储水量的安全要求，对安全保障水池应急功能的正常使用带来了极大的隐患。同时，大量的泥沙进入系统后，对阀门、泵体、管道、设备等造成磨损，降低设备的使用寿命9。针对安全保障水池的特点，传统的安全保障水池清淤主要实现方式为：完全排尽池水自然晾晒若干天消防车高压冲洗人工铲除往复清洗最终注水，具体如图 1，图 2 所示。该方式效率较低，严重制约核电站的生产进度，同时还存在耗费较大人力物力、清淤效果差等问题。极有必要加强对机械化、自动化、小型化、高通用性的清淤机器人研究，以提高核电站安全性及生产效率。图 1 人工搅拌并清淤 中国科技期刊数据库 工业 A 图 2 人工高压水冲洗 1 设计原理 考虑安全保障水池水泥底面积泥沙的特点，选用坦克式履带的行走方式。为有效解决清淤机器人灵活转向及清淤死角问题，采用每条履带独立液压缸驱动的驱动方式。采用四台大功率泥沙泵对称布置，每台泥沙泵配置大功率搅拌桨的方式，解决池底泥沙较厚（约 0.5m）及池底泥沙板结较硬的问题。采用泵吸入口与底面一定高度距离的方式解决设备对安全保障水池底面误伤及污水泵入口工作效率问题。采用电磁阀液力控制及远程无线遥控方案，解决远程无线控制问题。采用全液压驱动方式，解决大扭矩稳定运行的问题。整体结构采用槽钢及标准钢管材料，解决使用、维护成本问题。2 加工制作及型号选择 表 1 使用的主要材料清单 序号 名称 规格/材质 1.泥沙泵 80NSQ70-20-7.5 2.槽钢 10a 3.立柱钢管 89*6 20#4.辅助钢管 1 34*3 20#5.辅助钢管 2 20*3 Q235 6.扁钢 120*12 7.花纹铝板 t=5 8.不锈钢管 76*3 304 76*3 304 9.螺纹接头 DN10 10.高压软管 DN10 11.旋入螺纹接头 DN10 12.岸接转换接头 DN65 13.焊材 CHE50 清淤机器人主要结构及尺寸如下：泥沙泵吸入口距离池底面不高于 100mm；主体平台采用槽钢制作，上部满铺钢板，四周加装踢脚板；栏杆一端加设内开门，并设置止挡防止外开；支架立柱采用钢管制作，与平台及履带底座焊接连接，并加设肘板等措施进行加强，支架立柱间进行拉撑连接；依据车体实际尺寸制作不锈钢直梯一部，安装于平台开门侧便于操作人员攀爬；平台进行打磨、涂刷防锈漆；泥沙泵、履带底盘控制柜可靠固定在平台栏杆上，连接线缆、管路固定；制作完成后试运转，机器人可以自由移动，泥沙泵及液压站正常运转，无泄漏、异响、卡滞等异常现象。使用的主要材料及型号如表 1 所示。基于以上分析及加工制作要求，加工制作了一套安全保障水池清淤机器人样机，通过对样机进行调试，满足项目使用要求。具体结构如图 3 所示。1-样机侧面展示图 2-样机正面展示图 3-样机轴侧展示图 49中国科技期刊数据库 工业 A 4-电磁阀控制展示图 图 3 安全保障水池清淤机器人样机 3 实现方式 具体清淤实施步骤为：反应堆停堆后将安全水池水位排至 1.7m 以下（清淤机器人站立平台 1.7m）及 0.5m 以上（淹没泥沙泵）；通过螺纹接头，连接高压软管；将清淤机器人吊运至水池指定位置，高压水管出水端固定在水池外侧的溢流池；启动泥沙泵，通过搅拌桨将底部泥沙搅拌为悬浮松软状态，通过泵吸入口、高压软管将悬浮松软泥沙排至溢流池；通过无线遥控清淤机器人前后左右移动，实现移动式清淤；根据实际情况，选择性的开启一台厂外取水泵，增加安全保障水池内水量及泥沙冲洗。清洗结束后反过程拆卸清淤系统。4 数值仿真 计算流体动力学是一门由多领域交叉而形成的一门应用基础学科它涉及到流体力学理论、计算机技术、偏微分方程的数学理论、数值方法等学科。一般会认为计算流体动力学是从 20 世纪 60 年代中后期逐步发展起来的大致经历了四个发展阶段：无粘性线性、无粘性非线性、雷诺平均 N-S 方程以及完全 N-S方程。随着计算机技术、网络技术、计算方法和后处理技术的飞速发展利用计算流体动力学解决流动问题的能力越来越高现在许多复杂的流动问题都可以通过数值计算手段进行分析并给出相应的结果。经过40 年来的发展计算流体动力学己经成为一种有力的数值实验和设计手段 在许多工业领域如航天航空、汽车、船舶等部门解决了大量工程设计实际问题。计算流体动力学是近代流体力学数值数学和计算机科学结合的产物是一门具有强大生命力的边缘科学。它以电子计算机为工具应用各种离散化数学方法对流体力学的各类问题进行数值实验、计算机模拟和分析研究,以解决各种实际问题7。4.1 模型建立 本设计的清淤机器人采用每两台泵共用一根主管道的排水清淤方式，共四台泵两根主管道同时工作的工作方式。考虑到两个系统为独立完全并行运行，为计算方便本文仅对一组（两台主泵及一根主管道）进行仿真计算。管道从外形上可分为直管道和弯管道，直管道内流体流动状况较为统一，弯管道在弯管处其截面形状变化较大，流动的运动轨迹和流动状态会发生一定的变化，从而引起流体速度、压力等状态改变。为更清楚的描述清淤机器人清淤排水的流动状态，本文利用 SolidWorks 设计了流体域管道模型，模型如图4 所示。图 4 流体域模型 4.2 模型仿真设置 整个计算流体力学处理过程大致包括三个部分：前处理包括几何模型的选取和网格划分；求解器包括确定计算流体力学方法的控制方程选择离散方法进行离散选用数值计算方法输入相关参数；后处理包括速度场、压力场等参数的计算机可视化及动画处理等7。流体域设置：选取的管道为不锈钢材质，流体域出口直径 32 毫米，入口直径 36 毫米，两台泵之间的流体域长度为 600 毫米，流体域总高度 7300 毫米，总共设置三个弯头。该流体域结合实际加工制作及材料选择设置，更加接近工程实践数据。初始条件设置：使用 ANSYS Fluent 软件进行初始设置：国际制 SD 长度单位为毫米，入口速度单位为m/s，分析类型为内部流动，排除内部没有流动的空腔，流体为液体8。边界条件设置：根据实际工程中已经完成潜水泵的选型，具体参数为：型号 80NSQ70-20-7.5，流量 70立方米每小时，功率 7.5KW，扬程 20 米，口径 80 毫米，转速 1450r/min，电压 380V。根据已有潜水泵的规格型号及参数，设定整个清淤机器人排瘀管道所处50中国科技期刊数据库 工业 A 环境为 25 摄氏度，根据泵的自身参数设置入口速度及入口压力。4.3 仿真结果分析 根据以上仿真设计，对管道内部的液体压力及速度迹线进行了仿真分析，流体域压力云图仿真分析结果如图 5，流体域速度云图仿真结果如图 6 所示。图 5 流体域压力云图结果 图 6 流体域速度云图结果 图 5 所示的压力仿真结果表明，压力在与泵端连接的横向管道压力较高，约为 1.177*105Pa，距离泵最远端的管道出口压力最低，约为 9.8*104Pa。整个压力按照距离泵出口的距离逐渐降低，符合流体管道的压力分布。由压力云图仿真结果也可得出，液体经过泵出口端直管段进入第一个弯头过程中，压力损失较大。液体经过第二个弯头后，压力进一步有较大的损失。进入最后竖直直管段后压力无明显的剧烈损失。根据以上仿真结果可知，实际样机加工制作过程中，应该尽量减少直弯头，或尽量增大弯头的角度，便于更好的淤泥及污水的排出。同时，因为竖直管段的压降受管子的长度影响不大，根据工程需求，可以适当的增加竖直管段长度，以适应更高的墙壁，便于淤泥及污水的排出。图 6 所示的速度迹线仿真结果表明，速度在与泵端连接的横向管道速度较低，距离泵最远端的管道出口速度最高。整个速度按照距离泵出口的距离逐渐增大，符合流体管道的速度分布。由速度分布云图仿真结果也可得出，液体经过泵出口端直管段进入第一个弯头过程中，速度产生较大的切向冲击。液体经过第二个弯头后，速度也产生较大切线冲击速度。进入最后竖直直管段后速度无明显的剧烈变化。根据以上仿真结果可知，实际样机加工制作过程中，应该尽量减少直弯头，或尽量增大弯头的角度，便于更好的降低管道冲刷力，更好的保护管道。同时，因为竖直管段的速度变化受管子的长度影响不大，根据工程需求，可以适当的增加竖直管段长度，以适应更高的墙壁，便于淤泥及污水的排出。结合压力仿真结果及速度迹线仿真结果得出以下结论：实际生产样机过程中，应尽量减少弯头数量，或者尽量增大弯头的直径。仿真结果表明，选择上文的泵及管道直径，可以实现淤泥及污水的排出。结合以上仿真结果，最终样机制作方案为：与泵连接管道部分为硬质管道，其余管段为软管，减少了后端的弯头数量。5 结束语 对安全保障水池清淤机器人的设计原理、主要加工制作要素、设备型号选择、实现过程等进行了介绍。利用数值仿真软件对主要的流体域进行了数值仿真，仿真结果表明上文选择的泵型号、管道直径、布线方51中国科技期刊数据库 工业 A 案等合理可行。结合仿真结果，优化了管道布局方案，通过样机制作及现场试验，结果表明所选方案可将泥沙输送至溢流池内。该研究的清淤机器人实现了远程、高效、高安全性、低成本、高通用性的清淤功能。参考文献 1余新鹏.水下清淤装置吸泥管道流场分析及防堵方法研究D.中南大学,2022.2扈洪晓.地下排水干线管道清淤机器人的研制D.北京交通大学,2022.3丁中禹.履带式海洋清淤机器人轨迹跟踪控制D.山东交通学院,2022 4周楠.生活污水池清淤作业方式弊端与改进方法探讨J.科技视界,2021(17):112-114.5朱秀全,许慧泽.河道清淤治理及施工方案设计J.工程建设与设计,2023(20):48-50.6贾雪松.基于 CFD 的热油管道数值模拟D.大庆石油学院,2011.7王文明,郭建强,周超群等.城市供水管道泄漏的 COMSOL 流体仿真分析J.中国市政工程,2020(02).8 苏志伟,吴畏,李加刚等.反应堆安全水池清淤系统中清洗系统的研究J.机械制造,2019,57(09):47-49.9 李福 春,彭军,余峰等.压水 堆安 全保 障水池 全天 候自 动化 池底 清淤 系统 设计 J.科 技创新 导报,2019,16(14):52-54.52