安全快捷数字化，新型激光手段帮助抵御时刻威胁核电站安全的巨大腐蚀隐患
2018-04-28 11:27:27
作者：本网整理 来源：腐蚀与防护
长期以来，核能一直都是全世界清洁能源最可靠、稳定的来源之一。然而，随着核能发电厂的不断老化，人们越来越担心它们的可靠性和安全性。核电站的基础设施包括许多组成部分，其最初的设计意图就是尽量减少对工作及周边人员、设备及周围环境的辐射和污染。
这些辐射和污染的最大来源之一，就是整个核电站内部的巨大管道网络。
在压水反应堆（PWR）中，主冷却剂（水）主要在一个封闭的管道系统及其他组件中，这些组件将放射性水和蒸汽在高压下泵送到反应堆堆芯，在那里它被原子裂变所释放出来的能量加热。被加热的水然后通过管道流入蒸汽发生器，热能则被转移到一个附属系统，蒸汽在那里产生并流向涡轮机，涡轮机又进而推动发电机产生电能进行发电。
如果这些管道系统中的任何地方出现故障，即使是一些小故障，其引起的结果都可能会是灾难性的。美国核管理委员会担心，这些关键的管道系统正在经受着腐蚀性介质的侵蚀，这可能导致泄漏事故的发生并危及整个工厂的运行，同时使工程师和操作人员处于无法预测的危险环境中。
由于所讨论的这些腐蚀现象经常发生在管道内部，所以利用目视检查手段显然难以完成准确的检测。腐蚀源种类可能有多种，其中之一就是来自可能被困在管道内部的气体。根据物理学基本定律可知，天然气由于密度较小，将会升至任何系统中的最高点。因此在管道内部，某个意外的“高点”可能就成为了天然气静止并最终聚集的位置，随着时间的推移，很可能就会在这个区域引起灾难性的腐蚀性破坏。
这个担忧非常关键也非常重要，位于美国堪萨斯州的一座压水反应堆工厂希望通过对其管道数量及质量进行统计测量来严肃评估这个问题。解决的办法是一旦确定高点就安装通风口，来减少任何被困住的气体，因为这种解决方法比替换整个管道要容易得多。
尽管听起来很简单，但这项工作并非没有巨大的风险，因为许多系统由于结构复杂，人员难以进入测量，并且，这些系统会发出高水平的辐射，对人体具有一定的危害。
以前，测量这些系统的唯一已知方法是使用手动工具进行人工测量。涉及的过程将导致许多工作人员暴露于高水平的辐射中。除了潜在的污染，使用梯子和脚手架等许多其他登高工具都为这个过程带来了许多不安全因素。
虽然手工测量可以作为尺寸测量的有效工具之一，但这显然是不够的。在任何高点处，尽管区域可能很小，但仍然是气体最可能聚集并腐蚀的地方。采用卷尺、梯子和脚手架进行典型的常规测量被认为是对这种设施进行检测的不理想方法之一。手动测量中不可避免的人为误差因素、测量结果的不准确性和错过管道的细微高点处的可能性都是这种方法不可避免的缺点。承担项目责任的承包商已经认识到了这一风险，并将其测量任务指派给一些测量公司的专业人员来寻求更加科学的帮助。
测量公司的计量专家想到了一种先进的测量设备——3D激光扫描仪。他们在与项目管理人员协商后，审查现场条件并了解了项目的关键要素之后，穿戴好完整的防辐射服，使用Leica HDS扫描仪在整个核电厂扫描了超过二十个房间的管道网络。
这种扫描仪能够在大约3分钟内捕获全体积的360°三维点云。有些房间只需要一次设置，这样可以将操作人员暴露在恶劣核环境中的时间减到最少。一旦开始扫描，数据采集就会完全自动化进行，从而使计量专家可以撤回到低剂量辐射区域，同时关键数据仍然可以被扫描设备所捕获。在扫描完成后，将多个扫描设置整合在一起形成一个大型点云。这使得用户可以从任何角度提取管道任何部分的测量数据。复杂的软件算法为用户提供了一种新的便捷功能，即使只扫描了一部分管道，也可以提取所有管道的尺寸、中心线和位置。另外，获得的密集点云还能够有效揭示管道中的晶化区域，表明管道中的该区域可能已经发生了泄漏。
与过去传统的“卷尺+梯子”技术相比，使用3D扫描技术的优点很多，如消除人为误差、更高的准确性和扫描速度是最明显的几个优势。此外，由于扫描仪具有较高的扫描速度和操作特性，使得操作人员的安全，特别是在高辐射/污染区域的安全性也得到了大大的提高；3D扫描仪允许操作员从地面进行测量，避免了与梯子、脚手架和吊装相关的危险操作，从地面扫描也避免了需要申请一些操作许可证，例如登高作业许可证等。
3D扫描成像技术相比于其他方法的另一个优点在于它允许在事后进行额外的测量。使用原来的一些标准测量方法，一旦离开现场后，如果缺少测量或需要进行额外测量，则往往需要进行重新测量。但是如果工厂已经启动生产模式并开始运行，则将拒绝测量人员重新进入。但使用3D扫描技术，图像就是数据，通过从计算机查看文件，可以随时重新查看所有捕获的细节。如果确定需要额外的测量，则只需重新访问计算机上的虚拟点云并提取所需数据即可，无需再额外去工厂进行重新测量。
在扫描完成后，会生成3D CAD模型，并在管道每侧标记标高描述符以记录计算机快照。最终的报告会以PDF格式对这些高程管道进行包括图片在内的描述。这些报告可以发送给设备工程师，以确定是否需要在管道的特定位置处安装通风口。
美国堪萨斯州压水反应堆工厂的这次检查得到了工程师们的认可，他们认为这种方法是可行的，结果是可以接受的，并且他们能够采取一些措施来纠正部分小问题。由于核电厂设施的专有性质，没有进一步的跟踪结果。
这个项目对于关注健康物理学领域的专家来说也是一个好消息，因为测量人员承受的辐射剂量水平远低于任务开始时所设定的ALARA目标。
注：根据美国联邦法规（10 CFR 20.1003）第10部分第20.1003节的规定，ALARA是“合理可达到的（尽可能低）最低限度”的缩写，意思是尽一切努力使电离辐射值远低于实际的剂量限制，达到可以活动的目的。同时还需要考虑到技术状态、与技术状态相关的改进经济性、与公众利益相关的改进经济性、健康和安全、社会经济因素以及为了公共利益利用核能所需要的许可材料等因素。
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