AP1000機組MR40轉(zhuǎn)運容器結(jié)構(gòu)設(shè)計

吳 捷1，甘 諦2

（1.國核工程有限公司，上海 200233；2.中國原子能科學(xué)研究院 實驗工廠，北京 102413）

浙江三門核電站和山東海陽核電站采用了美國西屋電氣公司AP1000 技術(shù)，其中MR40轉(zhuǎn)運容器是由西屋電氣公司編制技術(shù)規(guī)格書、國核工程有限公司負責(zé)采購管理、中國原子能科學(xué)研究院承擔(dān)研制的設(shè)備。

MR40轉(zhuǎn)運容器的主要功能為：抓取高、低壓筒式過濾器中的廢過濾芯子，收入容器筒倉內(nèi)，通過無軌式電瓶小車轉(zhuǎn)運至廢過濾器芯子貯存間，通過MR40轉(zhuǎn)運容器將廢過濾芯子放置在廢過濾芯子貯存架上暫存，當(dāng)貯存架上的廢過濾芯子數(shù)量過多時，還要通過容器將廢過濾芯子二次轉(zhuǎn)運至一高完整性HIC 圓柱形容器中，做后續(xù)處理。

MR40轉(zhuǎn)運容器設(shè)計的基本要求為：容器具有屏蔽功能，同時要求整個操作和轉(zhuǎn)運過程中，廢濾芯均處于封閉環(huán)境，以免放射性泄漏，對工作人員造成傷害。

在設(shè)計過程中，借鑒了壓水堆機組同類設(shè)備（核島廢濾芯更換轉(zhuǎn)運容器［1］）的結(jié)構(gòu)形式：核島廢濾芯更換轉(zhuǎn)運容器主要包括導(dǎo)向圈、閘板門、筒體、蓋板、吊具、梯子、提升裝置和電控系統(tǒng)等，通過電機驅(qū)動卷揚機升降容器內(nèi)部的抓具體，下部閘板門通過電機驅(qū)動實現(xiàn)啟閉功能，裝置的電氣元器件包括電機、變頻器、編碼器、限位傳感器、重量傳感器等，通過1套帶可編程控制器（PLC）的電控系統(tǒng)進行控制操作，操作過程中人員可進行遠距離操作。

但AP1000機組MR40轉(zhuǎn)運容器與壓水堆機組核島廢濾芯更換轉(zhuǎn)運容器也存在不同的要求，決定了其與二代壓水堆機組核島廢濾芯更換轉(zhuǎn)運容器的結(jié)構(gòu)形式有較大的不同：1）由于廠房條件限制，MR40的驅(qū)動無法采用電動控制的方式，只能采取人員近距離手動操作，這就對設(shè)備提出了更高的要求，如屏蔽更安全、結(jié)構(gòu)形式更可靠、操作更簡便等。2）AP1000機組與二代壓水堆機組所采用的過濾器芯子結(jié)構(gòu)形式不同。前者為一字把手形式，對抓具有方向性要求；后者中心為圓環(huán)狀結(jié)構(gòu)，無抓取方向要求。相比較而言，前者的操作要求更高，結(jié)構(gòu)也更為復(fù)雜。3）西屋電氣公司對MR40做了許多關(guān)于結(jié)構(gòu)尺寸、功能實現(xiàn)等方面的具體要求。如：由于受通道尺寸限制，容器外形尺寸限定在φ965mm（直徑）×940mm（高）以內(nèi)；容器與多個設(shè)備有接口要求，如現(xiàn)場吊車、壓力容器筒倉蓋板臨時屏蔽體、轉(zhuǎn)運電瓶車、廢過濾芯子貯存架以及HIC高完整性容器等，接口條件和操作工藝流程相對復(fù)雜。

本文結(jié)合抓取對象的結(jié)構(gòu)形式和操作工況等要求，給出1套設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，并進行相關(guān)的輻射防護和力學(xué)計算。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計［2］

MR40轉(zhuǎn)運容器外形設(shè)計尺寸為φ572mm（直徑）×940mm（高），滿足規(guī)格書外形最大包絡(luò)尺寸要求，重量約2.2t，主要分為筒體、抓具體、滑臺組件、卷揚機組件等部件。采用手動驅(qū)動的方式，用鉛和鎢合金作為屏蔽材料。閉合狀態(tài)下，重心處于筒體軸線上，起吊穩(wěn)定。主體結(jié)構(gòu)示于圖1。

1.1 筒體

筒體又包括上蓋、中間筒體、下座等，主要結(jié)構(gòu)為：1）中間筒體內(nèi)外為不銹鋼包殼，包殼內(nèi)部灌鉛，以滿足輻射防護的需要，筒體外部焊有吊耳、拉鉤等附屬零部件；2）筒體上蓋可拆卸，可通過上部吊環(huán)螺釘單獨吊裝，與中間筒體通過螺栓固定，內(nèi)部灌鉛，可作為抓具導(dǎo)向套筒、鋼絲繩滑輪組件、上部輔助鎢合金屏蔽塊等的安裝基礎(chǔ)；3）下座為不銹鋼板，作為整個容器的支承基礎(chǔ)，同時也是導(dǎo)向圈、滑臺組件等的安裝基礎(chǔ)，要求有較高加工精度。

圖1 MR40運輸容器主體結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of MR40cask

實際設(shè)計過程中，容器受規(guī)格書外形尺寸限制（特別是高度尺寸方向），同時又要滿足屏蔽設(shè)計要求，為此，部分結(jié)構(gòu)采用了鎢合金作為屏蔽體，其密度更大，屏蔽效果更好，相對尺寸也更小。

1.2 抓具體

抓具體采用的是無動力自重式機械抓具（圖2），功能原理是：在與外部設(shè)備接觸過程中，依靠抓具自重驅(qū)動內(nèi)部星形塊轉(zhuǎn)動至不同工位，從而實現(xiàn)抓具頭部抓爪的開合（本抓具已有成功應(yīng)用的經(jīng)驗）。抓具體主體結(jié)構(gòu)為不銹鋼材料，星形塊等耐磨部件選用強度和表面硬度更高的沉淀硬化不銹鋼，最大抓取重量23kg，抓取的對象為廢過濾器芯子，其接口部位為1根橫梁把手，抓具應(yīng)能可靠地抓住把手。

需關(guān)注的是，由于廢過濾器芯子把手是有方向的，對抓具也有了抓取方位的要求，因此在抓取前應(yīng)先確定把手的方向，然后確定抓具抓爪的方向，同時在抓具體外部設(shè)置了導(dǎo)向套，通過導(dǎo)向銷與抓具體連接，可隨抓具體的上下移動在軸向自由伸縮，但不能軸向轉(zhuǎn)動，可防止抓具體在升降過程中發(fā)生轉(zhuǎn)動，無法抓取芯子。此外，除了對抓具體本身的結(jié)構(gòu)形式提出要求外，還應(yīng)對過濾器芯子的安裝方位、MR40容器的定位方位等作出相應(yīng)規(guī)定，以有效解決廢過濾器芯子抓取方位的問題。

圖2 抓具體主體結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of gripping apparatus

1.3 滑臺組件

為滿足廢過濾器芯子能從底部開口進出容器，同時開口應(yīng)在裝載芯子后關(guān)閉，以防止輻射曝露和防止放射廢液滴落擴散的要求，容器在下部設(shè)置了1套滑臺組件（圖3），其包含滑臺、鋼珠滾輪、導(dǎo)液管、接液盒和把手等。

圖3 滑臺組件Fig.3 Structure of sliding table

1）滑臺主體為不銹鋼包殼，內(nèi)部灌鉛。

2）滑臺外壁裝有鋼珠滾輪，采用成熟產(chǎn)品，負載滿足使用要求，安裝后通過人工可輕松地推拉滑臺。

3）滑臺中部上表面加工了1個凹臺，可接收廢芯子上滴落的廢液，并通過1根曲折的導(dǎo)向管將廢液收集到滑臺外側(cè)安裝的1個封閉式接液盒中，接液盒上裝有液位計，人員可目視監(jiān)測盒內(nèi)液體的儲量，及時處理。

4）把手主要用于人員通過手或長桿工具對滑臺組件進行推拉操作。

5）在滑臺的開關(guān)兩個極限位置設(shè)置了固定銷，到達預(yù)定位置后用固定銷將滑臺固定住，防止在操作過程中，滑臺意外滑動導(dǎo)致事故發(fā)生。

1.4 卷揚機組件

抓具體的升降依靠1套手動鋼絲繩卷揚機機構(gòu)驅(qū)動（圖4）。卷揚機主體采用不銹鋼材料，主要機構(gòu)包括了鋼絲繩卷筒、壓輥、計數(shù)器、防轉(zhuǎn)夾板、棘輪棘爪機構(gòu)、手輪以及支架等。

圖4 卷揚機組件Fig.4 Structure of hoist

1）壓輥主要用于防止鋼絲繩脫槽。

2）鋼絲繩將抓具體提升至預(yù)定位置后，可通過防轉(zhuǎn)夾板抱緊轉(zhuǎn)軸，防止卷揚機的意外轉(zhuǎn)動。

3）計數(shù)器顯示卷揚機轉(zhuǎn)動圈數(shù)，可粗略地指示抓具體的大概位置，當(dāng)其處于高位或低位時，操作人員可適當(dāng)放慢轉(zhuǎn)動速度，防止碰撞。

4）棘輪棘爪機構(gòu)是防逆轉(zhuǎn)機構(gòu)，主要用于在提升廢過濾芯子的過程中，由于人員操作失誤導(dǎo)致廢過濾器芯子反向滑落的情況。

此外，為了防止抓具體升至最高位時碰撞容器上蓋造成危險，在上蓋內(nèi)側(cè)設(shè)置了1個彈簧緩沖器，并在緩沖器上設(shè)有1個指針，具備最高位指示功能。

1.5 其他

容器附屬設(shè)備還包括與其他設(shè)備接口的法蘭座、固定掛鉤等以及輔助屏蔽塊、長桿工具等。

1）針對容器其他設(shè)備的接口進行了細致的考慮：容器上部設(shè)置吊耳，用于吊裝，可通過卸扣、吊裝帶與吊車連接；在下座設(shè)置了導(dǎo)向圈，方便與壓力容器筒倉蓋板臨時屏蔽體、廢過濾芯子貯存架等設(shè)備對中安裝；在容器筒體側(cè)面設(shè)置了拉鉤，可通過緊繩器等將容器與轉(zhuǎn)運小車拉緊固定，防止運輸過程中容器出現(xiàn)晃動、移位等。

2）在人員操作側(cè)的薄弱部分設(shè)置了鎢合金輔助屏蔽塊，以提供給操作人員更為安全的輻射防護。

3）長桿工具的設(shè)置主要是在特殊情況下用于操作人員遠距離推拉滑臺組件。

2 屏蔽與力學(xué)計算［3］

2.1 屏蔽計算

技術(shù)規(guī)格書要求：廢過濾芯子在移除時將有5Sv／h的輻射劑量率，MR40轉(zhuǎn)運容器的屏蔽要求為在距容器表面30cm 處，將放射性劑量率減少至1mSv／h，同時過濾器表面伽馬射線能譜應(yīng)假設(shè)能級在0.45～3.0 MeV 之間。

據(jù)此要求，屏蔽計算的源項為直徑150mm、高525mm 的反應(yīng)堆回路濾芯。設(shè)該濾芯為均勻分布體源。由于濾芯為塑料材料，可忽略輻射在濾芯體內(nèi)的衰減，所以源項按真空中均勻分布計算。設(shè)濾芯側(cè)表面中心平面外的劑量率為5Sv／h，光子能量均按3.0 MeV 計算。

源項與屏蔽計算均采用通用蒙特卡羅程序MCNP。該程序能模擬包括中子、光子、電子在內(nèi)的多種粒子在物質(zhì)中的輸運過程。并且該程序能模擬三維幾何結(jié)構(gòu)，給出空間劑量場的分布。

經(jīng)前期估算，MR40 鉛罐罐體采用側(cè)向14.5cm 的鉛屏蔽及累計1.8cm 的不銹鋼；底部7cm 的鎢合金、1.55cm 鉛及累計1.8cm的不銹鋼；頂部10cm 鎢合金及累計2.2cm 的不銹鋼；頂部開口8cm 不銹鋼及1.8cm 鎢合金完成對濾芯的屏蔽。計算使用的幾何結(jié)構(gòu)模型示于圖5。

通過對MR40轉(zhuǎn)運容器的模擬計算，距容器外表面30cm 處不同位置的當(dāng)量劑量率列于表1，劑量場的分布如圖6所示。

圖5 MR40輻射屏蔽計算模型Fig.5 Radiation shielding calculation model of MR40cask

位置 周圍當(dāng)量劑量率／（mSv·h-1）容器側(cè)向外表面30cm 0.362容器底部外表面30cm 0.506容器頂部外表面30cm 0.830

圖6 MR40鉛罐縱向中心平面劑量率分布Fig.6 Plane dose rate distribution for MR40cask

通過屏蔽分析和計算可知，容器結(jié)構(gòu)形式滿足輻射防護的需要。

2.2 力學(xué)計算

容器本身結(jié)構(gòu)較為簡單，起吊用吊耳根據(jù)HG／T 21574《化工設(shè)備吊耳及工程技術(shù)要求》的標準選用，留有較大的安全裕量；其他選用的外購標準件和各受力結(jié)構(gòu)件也均有較大的安全系數(shù)。

3 制造要求

結(jié)合MR40轉(zhuǎn)運容器的使用工況和西屋電氣公司技術(shù)規(guī)格書對設(shè)備制造的相關(guān)要求，確定了以下幾點基本的制造要求：

1）設(shè)備的制造過程應(yīng)編制質(zhì)量計劃，并設(shè)置相應(yīng)的見證點；

2）主要材質(zhì)均選用美標奧氏體不銹鋼材料，應(yīng)符合美國ASTM 相關(guān)標準要求；屏蔽材料選用鉛和鎢合金；

3）材料的焊接和焊接人員資質(zhì)應(yīng)符合美國焊接協(xié)會AWS標準相關(guān)要求；

4）設(shè)備的無損檢測和人員資質(zhì)應(yīng)符合美國無損檢測協(xié)會ASNT 標準相關(guān)要求；

5）制造、組裝、調(diào)試和試驗各階段均應(yīng)編制相應(yīng)程序文件和試驗大綱，并做好相關(guān)記錄；

6）設(shè)備的清潔、包裝、儲存和運輸應(yīng)符合相關(guān)程序文件規(guī)定；

7）設(shè)備的調(diào)試和試驗應(yīng)模擬核電現(xiàn)場實際工況進行，以確定設(shè)備的功能是否完全滿足使用要求；

8）設(shè)備應(yīng)操作靈活方便，不得有卡滯、阻塞等問題；

9）所有不銹鋼表面應(yīng)酸洗鈍化處理，所有機加工件銳邊倒鈍。

4 結(jié)論

由于AP1000機組與二代壓水堆機組中關(guān)于廢過濾器芯子的處理工藝不同，因此對相關(guān)的配套設(shè)備的功能要求也有差異。為了滿足AP1000 機組對轉(zhuǎn)運容器的一些新要求，在MR40轉(zhuǎn)運容器的設(shè)計過程中，借鑒了壓水堆機組核島廢濾芯更換轉(zhuǎn)運容器的結(jié)構(gòu)形式，機組同時充分考慮了設(shè)備工藝操作流程的每個細節(jié)，對設(shè)備結(jié)構(gòu)做了精心的設(shè)計，完全滿足西屋電氣公司采購技術(shù)規(guī)格書的相關(guān)要求。

MR40轉(zhuǎn)運容器以及其多項配套設(shè)備也是國內(nèi)首次研制，設(shè)計初期碰到諸如工藝操作要求不明確、廠房環(huán)境條件復(fù)雜、設(shè)備功能要求不合理、設(shè)計輸入條件不全等困難，在這個過程中，經(jīng)歷了兩次西屋電氣公司對技術(shù)規(guī)格書的升版，多次修改設(shè)計方案，中國原子能科學(xué)研究院和國核工程有限公司的技術(shù)人員通力合作，克服了諸多工程技術(shù)上的難點，最終完成了設(shè)備設(shè)計工作，目前首個機組設(shè)備已制造完成，通過了出廠試驗，順利運至核電現(xiàn)場。

［1］ 亢之義，石兵，袁坤.廢過濾器芯子更換轉(zhuǎn)運容器：中國，2009200068047［P］.2010-01-06.

［2］ 徐灝.機械設(shè)計手冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2000.

［3］ 李德平，潘自強.輻射防護手冊［M］.北京：原子能出版社，1991.