遙控維護(hù)條件下冷卻管道剪切試驗(yàn)

陳海彬 郭建文 李榮泳 湯泓 劉宇 孫振忠

(1.東莞理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，廣東東莞 523808;2.中國(guó)科學(xué)院 高能物理研究所，北京 100000)

核物理裝置是與高能物理研究與應(yīng)用相關(guān)的科學(xué)技術(shù)活動(dòng)設(shè)施。國(guó)內(nèi)外典型的核物理裝置有歐洲核子研究中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī) (LHC)［1］、美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的散裂中子源 (SNS)［2］、國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)研究 (ITER)［3］、我國(guó)已建成的正負(fù)電子對(duì)撞機(jī) (BEPC)［4］、在建的中國(guó)散裂中子源 (CSNS)［5］等。這些裝置為實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性和前瞻性科學(xué)技術(shù)研究提供了基礎(chǔ)條件。

遙控維護(hù)［6］是設(shè)備維護(hù)人員在遠(yuǎn)離維護(hù)現(xiàn)場(chǎng)的安全區(qū)域，通過(guò)采用機(jī)械手 (人)或?qū)ｉT的設(shè)備在核裝置的內(nèi)部開(kāi)展設(shè)備監(jiān)測(cè)和維護(hù)工作，以降低工作人員受照劑量和勞動(dòng)強(qiáng)度。目前，遙控維護(hù)技術(shù)已成為大科學(xué)裝置中放射性部件維護(hù)不可缺少的重要工具［7－8］。

核物理裝置都配有使用液氦或液氫 (一般為5 K～20 K)等超低溫冷卻介質(zhì)的冷卻系統(tǒng)，以減少粒子反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的大量熱量。冷卻管道作為輸送冷卻介質(zhì)通道，是核物理裝置的重要基礎(chǔ)設(shè)施［9］。考慮到管道的老化和輻照損傷對(duì)性能的影響，冷卻管道需要進(jìn)行定期的檢查和更換。由于需要在輻射環(huán)境下進(jìn)行，冷卻管道的維護(hù)需要遙控維護(hù)技術(shù)來(lái)實(shí)施。

剪切操作是冷卻管道的遙控維護(hù)的必要步驟［10］。核物理裝置中的冷卻管道一般采用的多層結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)在增強(qiáng)管道性能的同時(shí)，也增加遙控維護(hù)條件下管道剪切的難度，對(duì)剪切工具的性能也具有較高的要求。

針對(duì)中國(guó)散裂中子源冷卻管道遙控維護(hù)的要求，本文對(duì)遙控維護(hù)環(huán)境下冷卻管道剪切進(jìn)行了試驗(yàn)，通過(guò)不同的剪切方向和管道底板支撐強(qiáng)度對(duì)比，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果的分析，得出對(duì)冷卻管道剪切有價(jià)值的結(jié)論，為遙控維護(hù)輔助工裝開(kāi)發(fā)奠定基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)條件

中國(guó)散裂中子源冷卻管道所采用的材料為316不銹鋼，每段管道的長(zhǎng)度通常為4米～5米，形狀曲折。管道的橫截面如圖1所示，中間為冷卻介質(zhì)管，里層是真空絕熱層，外圍是檢漏氣體層。試驗(yàn)中選用如圖2所示的一段同等規(guī)格管道作為樣品 (長(zhǎng)度為500 mm)。管道焊接在一塊400 mm×220 mm×20 mm的鋼板上。

剪切工具為圖3(a)所示的液壓剪刀，液壓泵功率5匹 (折合功率3675瓦)，刀片為圖3(b)所示的三牙口刀片。由于液壓剪刀及其供油管較重，需要將其用軟繩吊裝，再利用長(zhǎng)柄操作桿操控，如圖4所示。

圖1 管道橫截面

圖2 管道樣品

圖3 液壓剪刀

圖4 長(zhǎng)柄操作桿

2 試驗(yàn)過(guò)程

為觀察不同切向?qū)羟行阅艿挠绊?，試?yàn)采用縱排剪切和并排剪切兩種方式。

2.1 縱排剪切

縱排剪切是指刀刃剪切方向與中間兩條管道排列方向平行，如圖5所示。剪切過(guò)程中，液壓剪刀的刀口將外層管道壓縮后把咬力傳遞給中間管道，從而導(dǎo)致中間管道被壓縮至扁平狀。當(dāng)?shù)都鉀_破管壁的頂端時(shí)，由于管內(nèi)無(wú)凹模支撐，剪切力使刀尖附近區(qū)域變形，在管子上端切口處產(chǎn)生塌陷，刺破后的切屑廢料內(nèi)翻［11］，最后斷裂并形成了斷裂帶。斷面可以明顯的區(qū)分為光亮帶、剪裂帶、塌角和毛刺四個(gè)部分［12］。中間兩條管道沒(méi)有發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，外圍管道完整的切斷脫落。剪切過(guò)程中刀片產(chǎn)生了較大的反向扭力使管道發(fā)生傾斜。由于管道底板在該方向上較長(zhǎng) (長(zhǎng)度為400 mm)，較好地消除了扭力，剪切過(guò)程較為順利。剪切后形成的斷口如圖6所示。

圖5 縱排剪切

圖6 縱排剪切斷口

2.2 并排剪切

并排剪切是指刀刃剪切方向與中間兩條管道排列方向垂直，如圖7所示。并排剪切過(guò)程同樣經(jīng)歷了壓縮扁平階段。與縱排剪切不同的是，由于底板該方向尺寸較小 (寬度220 mm)發(fā)生了傾斜，使得刀口剪切方向發(fā)生了變化而沒(méi)有將管道剪斷。發(fā)生傾斜的剪切斷口如圖8所示。

圖7 并排剪切

圖8 發(fā)生傾斜的剪切口

為了達(dá)到剪切應(yīng)改進(jìn)試驗(yàn)管道樣品，在底板寬度方向兩端各增加長(zhǎng)100 mm鋼板并焊接成形。改進(jìn)后管道底板如圖9所示。改進(jìn)底板后重新進(jìn)行剪切試驗(yàn)，由于底板提供了足夠的支撐強(qiáng)度，剪切過(guò)程順利完成。經(jīng)歷了外圍管道壓扁，中間管道壓縮并先后發(fā)生斷裂，在并剪過(guò)程中需要較大的功率，斷口由里向外撕開(kāi)。

圖9 改進(jìn)后管道底板

3 試驗(yàn)結(jié)果的分析

下面從剪切方向?qū)Ρ群凸艿乐螐?qiáng)度對(duì)比，對(duì)剪切能力、斷口情況、剪切扭力和長(zhǎng)柄操作工具方面進(jìn)行分析。

3.1 剪切方向影響

從結(jié)果看，無(wú)論是縱排還是并排剪切都可以將管道剪斷，縱排剪切所需功率相對(duì)更小，說(shuō)明剪切方向只是影響剪切能力。斷口平整清晰，從斷口處判斷屬于擠壓斷裂而非切斷。從圖1可知管道壁厚2 mm，受擠壓后剪切厚度達(dá)到了4 mm。對(duì)于刀刃來(lái)說(shuō)切削厚度太大。隨著剪切力增大刀刃首先將兩邊的材料擠壓斷裂而非切削開(kāi)來(lái)。剪切方向?qū)嗫诘挠绊懢窒抻跀嗔验_(kāi)口處不同:縱排剪切時(shí)管道單邊受到刀刃擠壓首先斷開(kāi)，里面則與另一條管道接觸最后斷裂;而并排剪切時(shí)管道雙面都收到了刀刃擠壓同時(shí)斷裂，斷口比較對(duì)稱。

3.2 管道支撐強(qiáng)度影響

在并剪試驗(yàn)中管道發(fā)生了傾斜致使剪切未能完成，在改進(jìn)了底板寬度后管道順利切斷。在理論上兩片刀刃應(yīng)該在一個(gè)平面重合移動(dòng)，但實(shí)際情況是刀刃間存在間隙t，如圖10所示，而這個(gè)間隙構(gòu)成了剪切是旋轉(zhuǎn)扭力的來(lái)源，由于剪刀的咬合力巨大，即使這道縫隙大小的力臂也能產(chǎn)生較大的力矩使管道發(fā)生傾斜。

圖10 刀刃件的間隙

底板提供了足夠的支撐強(qiáng)度情況下，剪切過(guò)程中剪刀發(fā)生了左右傾斜，試驗(yàn)的結(jié)果與管道發(fā)生傾斜情況類似，巨大的剪切力將轉(zhuǎn)化為刀刃間的排斥張力使得間隙變大，管道擠壓斷裂變得困難。因此，在遙控維護(hù)剪切管道過(guò)程中除了管道保持一定的垂直程度，液壓剪刀長(zhǎng)柄操作桿應(yīng)該提供足夠的水平支撐能力，以保證剪切過(guò)程的順利進(jìn)行。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析，本文得出以下的結(jié)論:

1)在液壓泵提供足夠強(qiáng)勁的動(dòng)力和刀刃牙口不產(chǎn)生滑移時(shí)，管道剪切方向?qū)羟心芰Φ挠绊懖淮?

2)剪切方向?qū)嗫诘挠绊懢窒抻诳v排剪切時(shí)管道單邊受到刀刃擠壓?jiǎn)芜厰嚅_(kāi);而并排剪切時(shí)管道雙面都收到了刀刃擠壓同時(shí)斷裂，斷口比較對(duì)稱;

3)實(shí)際使用的液壓剪刀刀刃間存在間隙t構(gòu)成了剪切是旋轉(zhuǎn)扭力的來(lái)源;

4)剪刀保持水平剪切與管道保持一定的垂直程度一樣重要，在遙控維護(hù)條件下要切液壓剪刀的長(zhǎng)柄操作桿具備較好的水平支撐能力。

［1］Virdee T S.The LHC project:The accelerator and the experiments［J］.Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A:Accelerators，Spectrometers，Detectors and Associated Equipment，2010，623(1):1 －10.

［2］Bauer G S.Physics and technology of spallation neutron sources［J］.Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A:Accelerators，Spectrometers，Detectors and Associated Equipment，2001，463(3):505 －543.

［3］Holtkamp N.An overview of the ITER project［J］.Fusion Engineering and Design，2007，82(5–14):427－434.

［4］Minghan Ye，Zhipeng Zheng.BEPC，the Beijing electron-positron collider［J］.Nuclear Physics B －Proceedings Supplements，1988，1(2):207－216.

［5］Jie Wei，Hesheng Chen，Yanwei Chen，et al.China Spallation Neutron Source:Design，R＆D，and outlook［J］.Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A:Accelerators，Spectrometers，Detectors and Associated Equipment，2009，600(1):10 －13.

［6］Bernhard H.Setting up and managing a remote maintenance operation for fusion［J］.Fusion Engineering and Design，2008，83(10–12):1841－1844.

［7］Rolfe A C，Brown P，Carte P，et al.A report on the first remote handling operations at JET［J］.Fusion Engineering and Design，199946(2–4):299－306.

［8］Bernhard H.The remote handling systems for ITER［J］.Fusion Engineering and Design，2011，86(6–8):471－477.

［9］Robin S，Simon M.A Study of Pipe Jointing Technology with Reference to ITER Requirements［J］.Fusion Engineering and Design，2009，84(7－11):1767－1769.

［10］Oscar P，Carlos F，Mercedes M，et al.Feasibility study of the cut and weld operations by RH on the cooling pipes of ITER NB components［J］.Fusion Engineering and Design，2009，84(7－11):1515－1520.

［11］何大鈞，李禎華，黃鳴.沖壓剪切管料及型材的刀片設(shè)計(jì)［J］.鍛壓機(jī)械，1997，32(5):17－19.

［12］李碩本.沖壓工藝學(xué)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1978.