Применение российских робототехнических комплексов «РОИН РТС Р-100» и «Бетонолом-2000» для вывода из эксплуатации радиационно опасных объектов

Введение

Эффективность выполнения работ по ВЭ ядерно- и радиационно-опасных объектов (ЯРОО) напрямую зависит от применяемого оборудования, технических и технологических решений, выбор которых часто ограничивается устоявшейся практикой на предприятиях, где предпочтение отдается уже используемым методам без рассмотрения альтернативных, зачастую, более выгодных.

В рамках ФЦП ЯРБ-2 ведется непрерывный мониторинг выполнения проектов с целью улучшения показателей реализации мероприятий по ВЭ ЯРОО. Ранее были определены и описаны зоны технологического развития по различным направлениям деятельности ВЭ ЯРОО и обращению с образующимися радиоактивными отходами (РАО) для внедрения новых и успешно применяемых в смежных отраслях промышленности роботизированных комплексов (РТК), инновационных оборудования и технологий [1].

К одному из таких перспективных направлений относится демонтаж строительных конструкций и оборудования, на текущий момент реализуемый, в основном, с использованием ручного труда и крупной строительной техники [2]. Только в особых случаях прибегают к развертыванию специальных машин, например, для разборки реакторных установок [3-5], при ликвидации последствий тяжелых аварий [6] или выполнения иных узкопрофильных задач. Тем не менее, полученный положительный опыт применения РТК на предприятиях Госкорпорации «Росатом» [3, 7], не явился достаточным для массового внедрения их в область ВЭ при сохранении общего тренда роботизации атомной отрасли. Основные причины сложившейся ситуации вполне очевидны:

• высокие цены на импортное оборудование;
• сложность в поиске российских аналогов, сопоставимых с импортным оборудованием по соотношению стоимости и качества;
• длительный цикл разработки, изготовления и внедрения роботизированного оборудования, сопровождающийся потребностью в обучении персонала и поддержания его квалификации;
• необходимость поиска областей применения такой техники по завершению объектовых работ по ВЭ для достижения положительного баланса между показателями экономичности и эффективности, что затруднительно в рамках одной организации;
• в некоторой степени инертность атомной отрасли, особенно в области ВЭ, и не готовность персонала к преобразованиям текущей операционной деятельности.

Вместе с тем, происходящие в последние несколько лет изменения, связанные с необходимостью создания безопасной рабочей среды и стремительным развитием отечественного парка робототехники, дали дополнительный импульс для выработки системного подхода и создания основ роботизации ВЭ ЯРОО [8]. При этом прослеживается четкая тенденция на применение роботов российского производства, также даются осторожные прогнозы о постепенном вытеснении существующих зарубежных машин на предприятиях отрасли по мере выработки их ресурса.

В качестве основной техники для проведения демонтажных работ как внутри, так и вне помещений при ВЭ ЯРОО рассматриваются относительно небольшие демонтажные РТК снаряженной массой от 1,5 до 4,5 тонн, функциональность которых во многом определяется разнообразием комплектного навесного оборудования. В случае невозможности выполнения каких-либо узкоспециализированных задач с применением имеющегося на рынке такого оборудования, возможно в достаточно адекватные сроки с использованием технологии быстрого прототипирования изготовить работающий промышленный образец с последующим внедрением.

Основная цель настоящей работы заключалась в оценке готовности отечественной демонтажной техники для практического применения в деятельности по ВЭ ЯРОО и выявление необходимости и возможности ее модернизации. В основу оценки и разработки рекомендаций по дальнейшему развитию этого направления заложены результаты испытаний наиболее прогрессивных и востребованных моделей демонтажных РТК на релевантных объектах (образцах) пилотной площадки Московского филиала ФГУП «РАДОН» (далее – Площадка).

Описание демонтажных комплексов

Выбор демонтажных комплексов для опробования был выполнен в соответствии с ранее разработанной методологией и сформулированными критериями отбора [1]:

• высокая степень технологической и / или коммерческой зрелости;
• конкурентная стоимость;
• высокий потенциал к внедрению для решения задач ВЭ;
• гибкость взаимодействия с производителем при разработке новых и нестандартных технических решений;
• наличие у поставщика демонстрационных образцов или близких по своим характеристикам прототипов для проведения испытаний.

На основании проведенного комплексного анализа подобного оборудования отобрано три РТК: РОИН РТС Р-100 (АО МГК «ИНТЕХРОС», г. Воронеж), Бетонолом-2000 (ООО «Роботехникс», г. Мытищи) и АТЛАНТ 4000 модификации 2013 года (ООО «Специальная строительная техника», г. Пермь). В данной статье подробно рассмотрены демонтажные РТК РОИН РТС Р-100 и Бетонолом-2000 (рис. 1, 2), определенные по итогам испытаний как более совершенные.

Рис. 1. Демонтажный комплекс РОИН РТС Р-100

Модель РТС Р-100 относится к легкой серии, масса составляет немного более 3 т (табл. 1). Машина оснащена полноповоротной башней, что в совокупности с максимальным выносом стрелы до 5,4 м, позволяет существенно расширить рабочую зону, а при работе в стесненных условиях - минимизировать необходимость передвижения.

Практическое применение РОИН РТС Р-100 осуществляется в различных отраслях промышленности [9], для нужд атомной отрасли машины серии специально модифицировались по заказам ФГУП ПО «МАЯК» и ФГУП «РФЯЦ – ВНИИТФ им. академ. Е.И. Забабахина» [10].

Рис. 2. Демонтажный комплекс Бетонолом-2000

Демонтажный РТК Бетонолом-2000 (рис. 2) является самым легким и малогабаритным из всех серийно выпускаемых в РФ и опробованных на Площадке машин (табл. 1). Благодаря компактности им может выполняться широкий спектр задач особенно при использовании в стесненных условиях.

Таблица 1. Технические характеристики РТК и состав навесного оборудования

Сценарные условия испытаний

Колонны

Для каждой машины разрабатывались индивидуальные сценарии испытаний, наиболее полно раскрывающие функциональные возможности и эксплуатационные характеристики РТК, с учетом имеющихся ограничений Площадки и ассортимента навесного оборудования, поставляемого производителем.

Фрагмент фундаментного основания

В объем испытаний включались тесты по оценке профильной проходимости, определению скорости передвижения по асфальтобетонному покрытию и грунтовым поверхностям. Для определения длительности цикла работ и производительности выполнялись типовые операции различным навесным оборудованием, включая его замену. Также проводились испытания при производстве работ с негабаритными объектами и объектами, расположенными в труднодоступных местах. На рисунках приведены отдельные примеры участков и объектов для испытаний.

Бетонные фундаментные блоки

В качестве сравнительного образца испытаний в работе принимались фундаментные блоки, средний размер которых составлял 2260×570×550 мм (объем ~ 0,7 м3), прочность - 48 МПа. При этом оценивалась производительность РТК при фрагментации бетонных конструкций с применением гидромолотов. 

Кирпичный забор

На одном из участков Площадки располагались вертикальные железобетонные колонны квадратного сечения 0,4×0,4 м высотой от 4,3 до 5,4 м (рис. 3), выбранные для демонтажа с применением РОИН РТС Р-100.

Относительно компактный РТК Бетонолом-2000 опробовался в стесненных условиях (рис. 4). На рисунке номерами отмечена последовательность демонтажа фрагментов фундаментного основания и показана точка выгрузки РТК.

Рис. 4. Схема участка для испытаний РТК в ограниченном пространстве

В процессе испытаний отслеживались длительность и удобство проведения операций, фиксировались параметры: расход электроэнергии (кВт×ч), размер образующейся фракции (м), затрачиваемое время (с), пройденное расстояние (м). Расход электроэнергии определялся по показаниям электрического счетчика, интегрированного в переносной электрощит. Для проведения последующих расчетов предварительно замерялись линейные размеры (м) и прочность (МПа) образцов для испытаний с использованием склерометра RGK SK-60.

Проверка надежности работы оборудования осуществлялась при визуальном осмотре на наличие течей гидравлических жидкостей, а также изменения температуры двигателя в процессе и по завершению непрерывной эксплуатации в течение не менее четырех часов.

Анализ и обсуждение результатов испытаний

При обработке результатов испытаний проанализированы показатели, характеризующие подготовительные операции, перемещение РТК, смену навесного оборудования, работу в режимах фрагментации, разрушения, экскавации и манипулирования объектами.

Подготовка демонтажных РТК к работе занимает не более 10 минут, в нее входит подключение к системе электроснабжения, проверка состояния коммутации элементов гидравлических и электрических компонентов, установка навесного оборудования (при необходимости) и постановка на аутригеры.

В табл. 4 приведены результаты расчетов скоростей перемещения демонтажных роботов.

Таблица 4. Результаты определения параметров перемещения демонтажных РТК

Определено, что полезная нагрузка не оказывает влияния на величины скоростей. Отмечен повышенный удельный расход электроэнергии при движении РТК Бетонолом-2000, что обусловлено несколькими причинами: рваный темп движения на сложном рельефе, требующий маневрирования; работа гидромоторов колес в областях нагрузок, близких к максимальным.

Для тяжелых демонтажных роботов, несмотря на меньшую энерговооруженность, длинная база гусеничного шасси обеспечивает лучшую продольную устойчивость, тем самым обеспечивая относительно высокую среднюю скорость, что видно на примере РОИН РТС Р-100. При преодолении выступов рельефа длинная машина испытывает меньшие отклонения в поперечной оси и вертикальное ускорение, что снижает риск опрокидывания. В случае короткобазных машин, таких как Бетонолом-2000, максимальная скорость движения часто ограничивается конструктивно во избежание опрокидывания, несмотря на сопоставимую или большую производительность гидросистемы.

Операции по смене навесного оборудования проводились с использованием комплектных позиций (табл. 1). Один цикл включал в себя снятие одного инструмента и установку другого, последовательность действий приведена на рис. 5.

Рис. 5. Принципиальная схема замены навесного оборудования РТК

Рис. 6. Сравнительные испытания по разрушению ФБС

Длительность операции замены инструмента составляет до 10 минут вне зависимости от типа навесного оборудования. Определено, что продолжительность может лимитироваться двумя факторами: конструктивное исполнение механизма стыковки навесного оборудования со стрелой РТК и гидравлической системы; опыт и квалификация оператора. В целом, операция является ресурсозатратной и при этом непроизводительной, поэтому при подготовке локальных планов ВЭ ЯРОО работы необходимо организовывать работы таким образом, чтобы количество необходимых смен инструментов было минимальным. Кроме того, целесообразно использовать переходные плиты (адаптеры) и т.н. «квик-каплеры», обеспечивающие возможность дистанционной замены навесного оборудования, полностью исключая ручные манипуляции. В качестве примера можно привести систему OQ (OilQuick, ФРГ), поддерживаемую крупными производителями специальной техники и выпускающим совместимое с ней навесное оборудование.

Рис. 6. Сравнительные испытания по разрушению ФБС

Результаты расчетов производительности двух демонтажных РТК при сравнительных испытаниях по разрушению фундаментных блоков (рис. 6) приведены в табл. 5. Бетонолом-2000 комплектовался двумя моделями гидромолотов российского РТ200 (ООО «Традиция-К») и зарубежного SB202 (Epiroc Ab, Швеция) производства, что позволило сопоставить результаты. Учитывая, что испытания проводились в идентичных условиях, причина расхождения показателей объясняется более совершенной конструкцией гидростатического механизма SB202.

Таблица 5. Результаты испытаний в режиме фрагментации ФБС при работе гидромолотами

Относительно невысокие для более тяжелой машины РОИН РТС Р-100 c гидромолотом SB302 показатели обусловлены щадящим характером эксплуатации РТК.

Рис. 7. Процесс демонтажа высотных колонн РОИН РТС Р-100

Определено, что производительность РТК закономерно снижается при работе с массивными и сложными объектами, равно и наоборот. Например, при демонтаже высотных колон (рис. 3, 7), изготовленных из прочного бетона (56 МПа), производительность РОИН РТС Р-100 кратно падает в совокупности с увеличенным до 3,5 раз потреблением электроэнергии (относительно данных табл. 5). Данное обстоятельство объясняется работой гидравлического молота в верхней точке вылета стрелы РТК, что не позволяет создать упор за счет собственного веса машины и, как следствие, реализовать полную мощность гидравлического молота при сохранении потребляемой энергии. В зависимости от типа демонтируемого объекта, в нашем случае – кирпичного забора и фрагментов фундаментного основания объемом 0,4 м³ (рис. 3), производительность машины Бетонолом-2000 отличалась в разы: 27,3 и 4,32 м³/ч при расходе электроэнергии равном 0,4 и 3,3 кВт×ч на 1 м³ соответственно. Таким образом, производительность РТК является величиной изменчивой и зависящей от множества факторов, например, от свойств объектов, режимов эксплуатации техники, навыков оператора и др.

Рис. 8. Примеры тонких манипуляций с использованием гидравлического захвата

Испытания в режиме захвата и манипулирования проводились для РТК Бетонолом-2000, так как производителем предоставлено соответствующее навесное оборудование – гидравлический пинцетный захват разработки
ООО «Роботехникс» (рис. 8).

Рис. 8. Примеры тонких манипуляций с использованием гидравлического захвата

С целью демонстрации возможностей выполнения точных операций с использованием захвата перемещались различные мелкие предметы, чувствительные к силе сжатия (рис. 8). При испытаниях задействовались приводы вращения башни, сгибания стрелы и ротатор захвата. Потребляемая мощность РТК составляла, в среднем, 5,3 кВт, что свидетельствует о незначительном нагружении машины. Данное обстоятельство связано с относительно низкой интенсивностью работы при выполнении плавных манипуляций. Кинематические характеристики РТК Бетонолом-2000 допускают точное манипулирования мелкими объектами, но его мощность избыточна. Использование машины в данном режиме целесообразно лишь эпизодически, для постоянной работы уместен робот снаряженной массой менее 1 т.

Для составления циклограммы в качестве сценария рассмотрен типовой вариант работы гидромолотом для разрушения 1,0 м³ строительных конструкций в целях создания проходки в стене с последующей перегрузкой образующегося щебня (строительного мусора) в «мягкие» контейнеры типа биг-бэг (рис. 9).

Рис. 9. Циклограмма типового сценария работы РТК

Направления развития

В связи с тем, что рассмотренные в статье демонтажные РТК, в большей степени, ориентированы на строительную и металлургическую отрасли, то требуется их некоторая адаптация под специфику задач ВЭ. По результатам испытаний выделены следующие направления развития:

I. Важным аспектом является безопасность эксплуатации РТК. Должна быть реализована программа автоматического свертывания техники в случае необходимости эвакуации в штатных и нештатных ситуациях. В настоящее время электропитание всех испытанных демонтажных комплексов осуществляется через электрический кабель и стационарный электрический щит, что создает условия для зацепа предметов по пути следования РТК. Следует рассмотреть возможность использования автономного питания при сохранении массогабаритных параметров комплексов.

II. Расширение функциональных возможностей демонтажных РТК благодаря разработке линейки специализированного навесного оборудования, например, устройства механической дезактивации строительных конструкций с системой пылеподавления или пылеулавливания, резки крупноразмерных узлов оборудования,  устройства для затаривания в контейнер и герметизации упаковок с РАО и др. В первую очередь, предлагается разрабатывать отсутствующие на рынке РФ, но востребованные для выполнения профильных задач ВЭ, позиции навесного оборудования. Также целесообразно оценить перспективы разработки типового навесного оборудования как достойной альтернативы импортным устройствам.

III. Видится перспективным применения систем дистанционной замены навесного оборудования, позволяющим оператору осуществлять замену рабочего инструмента с пульта управления без физического контакта с демонтажным комплексом и навесным оборудованием. В предоставленных к испытаниям машинах РОИН РТС Р-100 и Бетонолом-2000 данная возможность не реализована, поэтому целесообразно предусмотреть наличие переходной плиты, а также рассмотреть возможность выполнения операций с применением робота-помощника более легкого класса.

IV. Рассмотрение технических решений по защите оборудования РТК или усовершенствование его конструкций с целью минимизации зон локализации пыли и обеспечения выполнения бесконтактной дезактивации растворами. Следует учитывать, что вблизи двигателя происходит утрамбовка пылевой фракции, впоследствии не поддающейся удалению без вмешательства оператора.

V. Одной из первоочередных задач будет являться определение наиболее востребованных и ориентированных на широкий спектр задач массогабаритных характеристик машин, с учетом того, что разработка универсального РТК принципиально невозможна. Как минимум, представляется необходимости в разделение техники по типу выполняемых работ: грубые операции – работа гидромолотом, ножницами по бетону и др.; тонкие операции, требующие точности позиционирования рабочего инструмента. Данный аспект влияет и на полезную нагрузку РТК, и на конструктивное исполнение гидравлической системы. Интересны РТК с уменьшенными массогабаритными характеристиками приблизительно в 1,5 раза относительно рассмотренных в настоящей работе при сохранении или незначительном снижении допустимой массы полезной нагрузки.

Заключение

Результаты испытаний демонтажных РТК отечественного производства РОИН РТС Р-100 (АО МГК «ИНТЕХРОС», г. Воронеж) и Бетонолом-2000 (ООО «Роботехникс», г. Мытищи) в реальных условиях Площадки, подтвердили работоспособность и заявленную функциональность машин. На текущий момент видится реальная перспектива их применения при ВЭ ЯРОО.

При проведении испытаний выявлены факторы, влияющие на эффективность применения РТК. Следует отметить, что основным из них является квалификация оператора. Показано, что производительность является величиной достаточно волатильной, зависящей от условий внешней среды, исходной конфигурации объектов, вида выполняемых операций и др. Таким образом, сохраняется достаточно много неопределенностей для достоверной оценки стоимости выполнения операций ВЭ с использованием РТК. Поэтому при планировании работ по ВЭ ЯРОО следует учитывать данное обстоятельство.

С высокой долей вероятности весомым аргументом к более масштабному применению РТК будет являться безопасность персонала. На наш взгляд, к безусловным предпосылкам можно отнести:

• мощности дозы в рабочей зоне, не позволяющие организовать в ней ритмичную работу без частых смен персонала, абсолютный объем таких работ не велик, но имеется;
• риски, не связанные с радиационными факторами, например, риск обрушения ветхих конструкций, образование вредных аэрозолей в процессе демонтажа содержащих асбест и другие ВХВ, требующие применения СИЗ;
• множественные факторы воздействия в рабочей зоне, включая физические, химические, биологические и психофизиологические, оценка совокупного потенциального ущерба от которых достаточно сложна.

В дальнейшем целесообразно испытать в релевантных условиях существующие в организациях Госкорпорации «Росатом» РТК зарубежных марок в целях проведения сравнительного анализа, основанного на практических результатах испытаний. Результаты позволят определить и в последствии реализовать конкурентные преимущества российской техники.

Настоящая работа выполнена в рамках государственного контракта от 25.05.2023 № Д.4ш.244.20.23.1082 «Нормативное, техническое и информационное обеспечение реализации Программы в целях обоснования принятия управленческих решений для повышения эффективности Программы» в обеспечение мероприятия «Мониторинг эффективности реализации программных мероприятий, включая вариантное прогнозирование состояния ядерной и радиационной безопасности на долгосрочный период, нормативное и информационное обеспечение реализации Программы».

Авторы выражают благодарность руководству ФГУП «РАДОН» и Московского филиала ФГУП «РАДОН» за обеспечение возможности проведения испытаний на территории предприятия.

Авторы

• М.Ю. Каленова, И.В. Кузнецов, А.Ю. Иванов, А.В. Перов, О.А. Ильина (ИБРАЭ РАН)

Литература

1. Тихонова А. А., Самойлов А. А., Ильина О. А., Иванов А. Ю., Белоусов С. В., Сергунин А. П., Ступин Р. С., Гребнева А. Д. Особенности процесса поиска и внедрения новых технологических решений по выводу из эксплуатации объектов ядерного наследия и обращению с образующимися при этом радиоактивными отходами // Радиоактивные отходы. - 2022. № 4 (21). С. 90-102. DOI: 10.25283/2587-9707-2022-4-90-102.
2. Кузнецов А.Ю., Бочаров К.Г., Хлебников С.В., Верещагин И.И. Обеспечение радиационной безопасности при выводе из эксплуатации ядерных радиационно опасных объектов АО «ВНИИНМ» // Ядерная и радиационная безопасность. - 2020. № 4 (98). С. 13-24. ISSN: 2218-8665eISSN: 2218-869X
3. Волков В.Г., Зверков Ю.А., Колядин В.И., Павленко В.И., Семенов С.Г., Шиша А.Д. Вывод из эксплуатации реактора MP в РНЦ «Курчатовский институт» // Энергия: экономика, техника, экология. - 2010. № 2. С 18-23. ISSN: 0233-3619
4. Голубев С.В., Поляков И.В. Подходы к демонтажу и фрагментации конструкций и оборудования при выводе из эксплуатации объектов использования атомной энергии // Экстремальная робототехника. - 2020. Том 1. № 1. С. 118-124. ISSN: 2658-7645
5. Волкович А. Г., Колядин В. И., Лемус А. В., Павленко В. И., Потапов В. Н., Семенов С. Г., Чесноков А. В., Шиша А. Д. Демонтаж строительных конструкций в зале реактора МР // Радиоактивные отходы. - 2020. № 4 (13). С.  22-29. DOI: 10.25283/2587-9707-2020-4-22-29.
6. Р.В. Арутюнян*, А.А. Боровой. Извлечение ядерного топлива из аварийных реакторов (Чернобыль и Фукусима). Под общей редакцией академика РАН Е.П. Велихова. – М.: НИЦ «Курчатовский институт», 2019. – 186 с.: ил. Волков В. Г. и др. Применение дистанционно управляемых механизмов в целях снижения радиационного воздействия на персонал //Атомная энергия. – 2012. – Т. 113. – №. 5. – С. 285-289.
7. Власов Д. Н. и др. Вывод из эксплуатации хранилищ РАО Мурманского отделения филиала «Северо-западный территориальный округ» ФГУП «РосРАО» //Радиоактивные отходы. – 2020. – №. 2. – С. 17-24.
8. Тинин В.В., Зозуля Д.В., Лачканов Е.В., Дахно А.С. Робототехника, применяемая на модуле фабрикации и рефабрикации плотного смешанного уран-плутониевого топлива опытно-демонстрационного энергокомплекса АО «СХК». Вывод из эксплуатации ЯРОО как драйвер рынка робототехники в России и в мире // Робототехника и техническая кибернетика. - 2023. Т. 11. № 2. С. 153-160.
9. Каталог АО МГК «ИНТЕХРОС. Робототехника, гидравлика, электроника. Меняя мир технологий. 51 С.
10. https://фцп-ярб.рф/society/news/na-mayake-k-vyvodu-iz-ekspluatatsii-obektov-sovetskogo-yadernogo-naslediya-pristupyat-roboty/external link, opens in a new tab. Дата обращения 21.05.2024