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安全快捷數(shù)字化，新型激光手段幫助抵御時刻威脅核電站安全的巨大腐蝕隱患

2018-04-28 11:27:27 作者：本網(wǎng)整理來源：腐蝕與防護分享至：

長期以來，核能一直都是全世界清潔能源最可靠、穩(wěn)定的來源之一。然而，隨著核能發(fā)電廠的不斷老化，人們越來越擔(dān)心它們的可靠性和安全性。核電站的基礎(chǔ)設(shè)施包括許多組成部分，其最初的設(shè)計意圖就是盡量減少對工作及周邊人員、設(shè)備及周圍環(huán)境的輻射和污染。

這些輻射和污染的最大來源之一，就是整個核電站內(nèi)部的巨大管道網(wǎng)絡(luò)。

在壓水反應(yīng)堆（PWR）中，主冷卻劑（水）主要在一個封閉的管道系統(tǒng)及其他組件中，這些組件將放射性水和蒸汽在高壓下泵送到反應(yīng)堆堆芯，在那里它被原子裂變所釋放出來的能量加熱。被加熱的水然后通過管道流入蒸汽發(fā)生器，熱能則被轉(zhuǎn)移到一個附屬系統(tǒng)，蒸汽在那里產(chǎn)生并流向渦輪機，渦輪機又進而推動發(fā)電機產(chǎn)生電能進行發(fā)電。

如果這些管道系統(tǒng)中的任何地方出現(xiàn)故障，即使是一些小故障，其引起的結(jié)果都可能會是災(zāi)難性的。美國核管理委員會擔(dān)心，這些關(guān)鍵的管道系統(tǒng)正在經(jīng)受著腐蝕性介質(zhì)的侵蝕，這可能導(dǎo)致泄漏事故的發(fā)生并危及整個工廠的運行，同時使工程師和操作人員處于無法預(yù)測的危險環(huán)境中。

由于所討論的這些腐蝕現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生在管道內(nèi)部，所以利用目視檢查手段顯然難以完成準確的檢測。腐蝕源種類可能有多種，其中之一就是來自可能被困在管道內(nèi)部的氣體。根據(jù)物理學(xué)基本定律可知，天然氣由于密度較小，將會升至任何系統(tǒng)中的最高點。因此在管道內(nèi)部，某個意外的“高點”可能就成為了天然氣靜止并最終聚集的位置，隨著時間的推移，很可能就會在這個區(qū)域引起災(zāi)難性的腐蝕性破壞。

這個擔(dān)憂非常關(guān)鍵也非常重要，位于美國堪薩斯州的一座壓水反應(yīng)堆工廠希望通過對其管道數(shù)量及質(zhì)量進行統(tǒng)計測量來嚴肅評估這個問題。解決的辦法是一旦確定高點就安裝通風(fēng)口，來減少任何被困住的氣體，因為這種解決方法比替換整個管道要容易得多。

盡管聽起來很簡單，但這項工作并非沒有巨大的風(fēng)險，因為許多系統(tǒng)由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，人員難以進入測量，并且，這些系統(tǒng)會發(fā)出高水平的輻射，對人體具有一定的危害。

以前，測量這些系統(tǒng)的唯一已知方法是使用手動工具進行人工測量。涉及的過程將導(dǎo)致許多工作人員暴露于高水平的輻射中。除了潛在的污染，使用梯子和腳手架等許多其他登高工具都為這個過程帶來了許多不安全因素。

雖然手工測量可以作為尺寸測量的有效工具之一，但這顯然是不夠的。在任何高點處，盡管區(qū)域可能很小，但仍然是氣體最可能聚集并腐蝕的地方。采用卷尺、梯子和腳手架進行典型的常規(guī)測量被認為是對這種設(shè)施進行檢測的不理想方法之一。手動測量中不可避免的人為誤差因素、測量結(jié)果的不準確性和錯過管道的細微高點處的可能性都是這種方法不可避免的缺點。承擔(dān)項目責(zé)任的承包商已經(jīng)認識到了這一風(fēng)險，并將其測量任務(wù)指派給一些測量公司的專業(yè)人員來尋求更加科學(xué)的幫助。

測量公司的計量專家想到了一種先進的測量設(shè)備——3D激光掃描儀。他們在與項目管理人員協(xié)商后，審查現(xiàn)場條件并了解了項目的關(guān)鍵要素之后，穿戴好完整的防輻射服，使用Leica HDS掃描儀在整個核電廠掃描了超過二十個房間的管道網(wǎng)絡(luò)。

這種掃描儀能夠在大約3分鐘內(nèi)捕獲全體積的360°三維點云。有些房間只需要一次設(shè)置，這樣可以將操作人員暴露在惡劣核環(huán)境中的時間減到最少。一旦開始掃描，數(shù)據(jù)采集就會完全自動化進行，從而使計量專家可以撤回到低劑量輻射區(qū)域，同時關(guān)鍵數(shù)據(jù)仍然可以被掃描設(shè)備所捕獲。在掃描完成后，將多個掃描設(shè)置整合在一起形成一個大型點云。這使得用戶可以從任何角度提取管道任何部分的測量數(shù)據(jù)。復(fù)雜的軟件算法為用戶提供了一種新的便捷功能，即使只掃描了一部分管道，也可以提取所有管道的尺寸、中心線和位置。另外，獲得的密集點云還能夠有效揭示管道中的晶化區(qū)域，表明管道中的該區(qū)域可能已經(jīng)發(fā)生了泄漏。

與過去傳統(tǒng)的“卷尺+梯子”技術(shù)相比，使用3D掃描技術(shù)的優(yōu)點很多，如消除人為誤差、更高的準確性和掃描速度是最明顯的幾個優(yōu)勢。此外，由于掃描儀具有較高的掃描速度和操作特性，使得操作人員的安全，特別是在高輻射/污染區(qū)域的安全性也得到了大大的提高；3D掃描儀允許操作員從地面進行測量，避免了與梯子、腳手架和吊裝相關(guān)的危險操作，從地面掃描也避免了需要申請一些操作許可證，例如登高作業(yè)許可證等。

3D掃描成像技術(shù)相比于其他方法的另一個優(yōu)點在于它允許在事后進行額外的測量。使用原來的一些標準測量方法，一旦離開現(xiàn)場后，如果缺少測量或需要進行額外測量，則往往需要進行重新測量。但是如果工廠已經(jīng)啟動生產(chǎn)模式并開始運行，則將拒絕測量人員重新進入。但使用3D掃描技術(shù)，圖像就是數(shù)據(jù)，通過從計算機查看文件，可以隨時重新查看所有捕獲的細節(jié)。如果確定需要額外的測量，則只需重新訪問計算機上的虛擬點云并提取所需數(shù)據(jù)即可，無需再額外去工廠進行重新測量。

在掃描完成后，會生成3D CAD模型，并在管道每側(cè)標記標高描述符以記錄計算機快照。最終的報告會以PDF格式對這些高程管道進行包括圖片在內(nèi)的描述。這些報告可以發(fā)送給設(shè)備工程師，以確定是否需要在管道的特定位置處安裝通風(fēng)口。

美國堪薩斯州壓水反應(yīng)堆工廠的這次檢查得到了工程師們的認可，他們認為這種方法是可行的，結(jié)果是可以接受的，并且他們能夠采取一些措施來糾正部分小問題。由于核電廠設(shè)施的專有性質(zhì)，沒有進一步的跟蹤結(jié)果。

這個項目對于關(guān)注健康物理學(xué)領(lǐng)域的專家來說也是一個好消息，因為測量人員承受的輻射劑量水平遠低于任務(wù)開始時所設(shè)定的ALARA目標。

注：根據(jù)美國聯(lián)邦法規(guī)（10 CFR 20.1003）第10部分第20.1003節(jié)的規(guī)定，ALARA是“合理可達到的（盡可能低）最低限度”的縮寫，意思是盡一切努力使電離輻射值遠低于實際的劑量限制，達到可以活動的目的。同時還需要考慮到技術(shù)狀態(tài)、與技術(shù)狀態(tài)相關(guān)的改進經(jīng)濟性、與公眾利益相關(guān)的改進經(jīng)濟性、健康和安全、社會經(jīng)濟因素以及為了公共利益利用核能所需要的許可材料等因素。

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