核廢料的最終包裝，需要最終焊接以密封運(yùn)輸容器。為確保這一過程安全、可靠且質(zhì)量始終如一，促使開發(fā)了一種新的自動(dòng)機(jī)械化方法。

1、焊接需求

使用渦流系統(tǒng)評估焊接質(zhì)量的檢查機(jī)器人

為了避免在儲(chǔ)存地點(diǎn)重新包裝，高放射性材料必須用密封的316L不銹鋼容器運(yùn)輸，該種容器通常采用焊接方式，以提供堅(jiān)固和可預(yù)測的壽命密封。

對于現(xiàn)場-現(xiàn)場的運(yùn)輸，集裝箱通常裝在許可運(yùn)輸?shù)耐獍b或容器內(nèi)。

然而，在某些情況下，由于運(yùn)輸材料的性質(zhì)，這些容器需要能夠提供額外的密封層。

同樣的容器也用于現(xiàn)場搬運(yùn)，并且在運(yùn)輸過程中需要防止碰撞。

因此，在正常操作和事故條件下，它們能夠保持結(jié)構(gòu)完整性、臨界安全幾何結(jié)構(gòu)，并最終保持安全殼，這一點(diǎn)非常重要。

這些容器需要具有足夠結(jié)構(gòu)能力的焊接封蓋，即使其受損，也能保持安全殼。

當(dāng)分包商質(zhì)量生產(chǎn)水平比較穩(wěn)定時(shí)，在初始容器制造過程中保證所需質(zhì)量的焊縫相對簡單。

然而，必須使用機(jī)械工藝遠(yuǎn)程執(zhí)行最終閉合焊接(將蓋子固定到容器主體上)。這說起來容易做起來難——問題是如何以可靠且經(jīng)濟(jì)高效的方式遠(yuǎn)程密封裝有核材料的容器，以滿足運(yùn)輸和長期儲(chǔ)存的要求。

這個(gè)過程需要大量的專業(yè)知識(shí)，而這些知識(shí)往往不是那么容易取得的。

此外，當(dāng)前可用于遠(yuǎn)程或機(jī)械化不銹鋼焊接的設(shè)備，通常使用大型定制靜態(tài)設(shè)備進(jìn)行固定直徑焊接，如果該設(shè)施是專門設(shè)計(jì)用于容納該設(shè)備的新建設(shè)施，則只能在現(xiàn)場部署該設(shè)備，并且在需要焊接不同容器直徑和各種焊接類型的情況下也是一個(gè)挑戰(zhàn)。

為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，雅各布斯國際工程服務(wù)公司與焊接專家蘭菲爾德有限公司(隸屬于Envoy集團(tuán))共同開發(fā)了TANICS(TM)——自動(dòng)化核輻照容器解決方案——一種用于核工業(yè)的自動(dòng)化機(jī)器人焊接解決方案。

2、開發(fā)TANICS(TM)

雅各布斯和蘭菲爾德在核容器焊接領(lǐng)域合作多年，決定共同開發(fā)一種現(xiàn)場可部署解決方案，該解決方案可靈活地焊接各種直徑和焊接配置的容器。

TANICS(TM)的設(shè)計(jì)以安全和質(zhì)量保證為首要考慮，是一個(gè)完整的包裝，能夠?yàn)榭蓴U(kuò)展容器提供高完整性對接焊縫。

自動(dòng)化工業(yè)機(jī)器人很常見，尤其是在汽車行業(yè)，但它們不適合核應(yīng)用，因?yàn)樗鼈冎饕獔?zhí)行縫合焊接，而不是不銹鋼放射性材料容器上所需的是閉合焊接。

容器的焊接將在屏蔽區(qū)內(nèi)進(jìn)行，以保護(hù)操作員。這些區(qū)域是專門建造的，為操作人員提供屏蔽，使其免受燃料材料的影響，其潛在劑量攝取量可達(dá)每小時(shí)30西弗。

顯示完成焊接的試件

焊接控制系統(tǒng)包含大量對輻射敏感的電子部件，焊接機(jī)器人放置于屏蔽區(qū)內(nèi)。必須保護(hù)其免受過量輻射劑量的影響。

這將通過三種方式實(shí)現(xiàn)：

大多數(shù)設(shè)備，如控制面板，將與操作人員一起位于屏蔽區(qū)外;

機(jī)器人將位于防護(hù)罩后面，直到需要焊接時(shí)為止;

在焊接操作期間，容器將盡可能地被屏蔽(使焊接區(qū)域不被屏蔽)，以進(jìn)一步保護(hù)機(jī)器人。

雅各布斯屏蔽專家使用專業(yè)軟件和雅各布斯實(shí)驗(yàn)室的輻射暴露實(shí)驗(yàn)也分析和證明了這些設(shè)計(jì)性能。

焊縫檢測機(jī)器人配備了攝像頭和渦流檢測系統(tǒng)，因此操作員可以從不同角度查看整個(gè)焊縫，以評估焊縫輪廓。質(zhì)量控制還以數(shù)據(jù)管理為基礎(chǔ)，所有數(shù)據(jù)和通信都受到高級網(wǎng)絡(luò)安全系統(tǒng)的保護(hù)。

3、焊接靈活性

使用TANICS(TM)系統(tǒng)進(jìn)行焊接

TANICS(TM)可采用獨(dú)特的系統(tǒng)進(jìn)行全熔透對接焊接，該系統(tǒng)可置換裝有單一進(jìn)/出氣瓶內(nèi)的氧氣。這降低了在核容器上使用常規(guī)吹掃技術(shù)時(shí)發(fā)生的根部焊縫氧化風(fēng)險(xiǎn)。因此，降低了故障和耗時(shí)又耗力的返工風(fēng)險(xiǎn)。

該系統(tǒng)還允許檢查員簽署焊接檢查，而無需親自到場。這減少了前往現(xiàn)場和住宿的費(fèi)用，并允許有效地進(jìn)行核查，而無需等待個(gè)人親自抵達(dá)。

TANICS(TM)可以焊接各種容器直徑，除了在垂直和水平方向上的角焊縫外，還可以進(jìn)行全焊透和部分焊透對接焊縫。

現(xiàn)有的機(jī)械化焊接系統(tǒng)(例如Orbital頭)是固定直徑的機(jī)器，能夠?qū)崿F(xiàn)單焊縫幾何形狀，例如對接焊縫。如果需要角焊縫或不同的直徑，則必須購買更多的機(jī)器，從而增加成本。

該系統(tǒng)包括幾個(gè)功能，以在安裝機(jī)器人時(shí)協(xié)助維護(hù)，包括位于屏蔽區(qū)內(nèi)的研磨組件，以維護(hù)鎢電極的輪廓;以及高達(dá)30米的焊絲容量，以完成所需數(shù)量的容器。

目前，沒有其他系統(tǒng)能夠部署在客戶現(xiàn)場，在高放射性環(huán)境中完成這項(xiàng)工作。

4、資格和使用規(guī)范

TANICS(TM)符合歐洲統(tǒng)一規(guī)范(BS EN ISO 15614-1)，并由獨(dú)立的英國第三方機(jī)構(gòu)與美國機(jī)械工程師協(xié)會(huì)(ASME)Ⅸ進(jìn)行雙重編碼。鑒定過程采用了PD5500 1類驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)和塞拉菲爾德1級建造標(biāo)準(zhǔn)。

因此，TANICS(TM)是一種技術(shù)就緒水平(TRL)8技術(shù)。

“使用TANICS(TM)生產(chǎn)的焊縫在英國和德國獲得了獨(dú)立認(rèn)證，目前已得到塞拉菲爾德有限公司專家的認(rèn)可。這表明該系統(tǒng)有潛力為核工業(yè)自動(dòng)化焊接設(shè)定新的基準(zhǔn)。” 蘭菲爾德項(xiàng)目總監(jiān)韋恩·格里菲斯(Wayne Griffiths)說道。

該系統(tǒng)已得到塞拉菲爾德有限公司焊接主題專家的認(rèn)可，能夠部署到任何現(xiàn)場，以按照高驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)可靠地密封核容器，因此該系統(tǒng)能夠密封容器，以滿足運(yùn)輸和100年貯存要求。

工程師在Jenga游戲中使用MASCOT機(jī)械手來磨練他們的技能(圖源：IAEA)

隨著核工業(yè)越來越需要使用定制容器運(yùn)輸和儲(chǔ)存核燃料材料，TANICS(TM)比現(xiàn)有解決方案具有許多優(yōu)勢，包括其可重復(fù)性、靈活性和效率，并且適合運(yùn)輸和長期儲(chǔ)存。

同樣重要的是，這是一種安全、有效和高效的方法，可實(shí)現(xiàn)所需的焊接質(zhì)量，并避免操作員受到傷害。

這項(xiàng)創(chuàng)新旨在滿足英國核退役任務(wù)的要求，有可能出口到其他核市場，支持英國核部門協(xié)議的出口和就業(yè)目標(biāo)。

塞拉菲爾德有限公司技術(shù)經(jīng)理David Campbell總結(jié)道：“這是一個(gè)激動(dòng)人心的發(fā)展，可以遠(yuǎn)程部署高完整性焊接工藝，并對其進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)各種容器密封活動(dòng)，幾乎可以歸類為現(xiàn)成焊接。”