反應(yīng)堆壓力容器頂蓋密封槽清洗裝置的研制

穆 偉 王炳炎 楊其輝

(中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院 核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610000)

0 概述

反應(yīng)堆壓力容器頂蓋密封槽清洗裝置的功能是用于反應(yīng)堆壓力容器頂蓋密封槽“O”環(huán)壓道表面污物、附著物的去污清洗。頂蓋密封槽關(guān)系到核反應(yīng)堆的密封性進(jìn)而影響到核反應(yīng)堆的安全性，通過(guò)清洗頂蓋密封槽以確保核反應(yīng)堆壓力容器獲得良好的密封和安全可靠的運(yùn)行。此外，本清洗裝置的遠(yuǎn)程操作功能大大降低現(xiàn)場(chǎng)施工人員和操作人員在清洗頂蓋密封槽時(shí)受到較大輻射劑量的侵害，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆維修人員輻射防護(hù)的目標(biāo)。

清洗裝置是專(zhuān)用機(jī)電設(shè)備，是集成自動(dòng)控制技術(shù)的精密機(jī)械，分為自動(dòng)和半自動(dòng)兩種工作狀態(tài)。自動(dòng)工作狀態(tài)時(shí)，其各項(xiàng)操作由程序控制進(jìn)行，操作人員遠(yuǎn)離輻射環(huán)境，可有效的避免維修人員清洗時(shí)受到較大輻射劑量的侵害，同時(shí)也是減少人工清洗時(shí)可能出現(xiàn)漏洗、清洗不完全情況，半自動(dòng)工作時(shí)，其各項(xiàng)操作由維修人員根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)具體情況操作執(zhí)行。

目前國(guó)外已經(jīng)有類(lèi)似清洗裝置產(chǎn)品，而國(guó)內(nèi)核電站大多采用從國(guó)外進(jìn)口清洗裝置或采用人工清洗方式。因此利用先進(jìn)的自動(dòng)控制技術(shù)，研制一種更高效、可靠的自動(dòng)清洗裝置，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆壓力容器頂蓋密封槽的自動(dòng)清洗是十分必要的。

本文研制的清洗裝置的清洗方式為頂蓋密封槽的槽口向上的清洗方式，與目前國(guó)外進(jìn)口的密封槽的槽口向下的清洗設(shè)備不同，對(duì)于核電設(shè)備國(guó)產(chǎn)化有著重要的借鑒意義。

1 功能指標(biāo)

研制清洗裝置所需的功能要求如下：

（1）清洗裝置工作時(shí)不得對(duì)壓力容器頂蓋密封槽造成機(jī)械損傷；

（2）采用機(jī)械摩擦清潔，干式清洗工藝,清洗刷的轉(zhuǎn)速可調(diào)，完成壓力容器頂蓋密封槽“O”環(huán)壓道表面去污清潔；

（3）清洗裝置工作行走速度可根據(jù)實(shí)際工況調(diào)節(jié)其范圍是1m/min－4m/min；

（4）清洗裝置可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)清洗，也可半自動(dòng)清洗。通過(guò)控制系統(tǒng)進(jìn)行切換；

（5）清洗裝置應(yīng)外觀整潔，可對(duì)污物進(jìn)行收集，便于去污和清理。

2 工作環(huán)境

清洗裝置在反應(yīng)堆壓力容器頂蓋密封槽上使用。清洗裝置工作的環(huán)境條件：

（1）溫度：0℃－45℃；

（2）相對(duì)濕度≤95%；

（3）放射性水平：反應(yīng)堆壓力容器密封槽內(nèi)≤10mSv/h。

3 研制方案

圖1 清洗裝置工作圖

3.1 技術(shù)路線

清洗裝置采用遠(yuǎn)距離線控輪式小車(chē)行走工作方式 （電纜長(zhǎng)度15m），在清洗裝置工作前，首先將壓力容器頂蓋翻轉(zhuǎn)并存放在頂蓋存放架上，且要滿(mǎn)足其存放的水平度要求。將清洗裝置吊運(yùn)到壓力容器頂蓋密封槽上，安裝就位后,啟動(dòng)清洗裝置，完成頂蓋密封槽“O”環(huán)壓道表面的清潔工作，見(jiàn)圖1。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)技術(shù)路線可以確定關(guān)鍵技術(shù)有兩個(gè)，首先是頂蓋密封槽的安全可靠的清洗技術(shù)其次是自動(dòng)化/半自動(dòng)化的控制技術(shù)。關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)如下：

3.2.1 清洗技術(shù)方案

采用機(jī)械刷、拋光式，摩擦干法清洗工藝，完成密封面的清潔工作，清洗裝置清洗組件結(jié)構(gòu)示意圖，見(jiàn)圖2。

圖2 清洗組件結(jié)構(gòu)圖

3.2.2 控制技術(shù)方案

清洗裝置自動(dòng)化、智能化運(yùn)動(dòng)控制，其特點(diǎn)如下：

（1）采用遠(yuǎn)距離線控輪式小車(chē)自走工作方式，有效降低操作人員工作時(shí)受到較大輻射劑量的侵害；

（2）一鍵操作即可自動(dòng)完成清洗裝置的干法清洗、粉塵廢屑收集貯存等多項(xiàng)任務(wù)，操作簡(jiǎn)單，自動(dòng)化程度高；

（3）不依賴(lài)其他裝置或附件，獨(dú)立完成壓力容器頂蓋密封槽清洗工作，對(duì)工作環(huán)境要求低。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

清洗裝置由機(jī)械系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)兩部分組成，其中機(jī)械系統(tǒng)由小車(chē)組件、清洗組件、吸塵組件等部分組成，見(jiàn)圖3。

圖3

4.1 機(jī)械系統(tǒng)

4.1.1 小車(chē)組件

小車(chē)組件由驅(qū)動(dòng)組件，導(dǎo)向組件，車(chē)架和從動(dòng)輪組成。

驅(qū)動(dòng)組件為清洗裝置提供動(dòng)力，安裝在小車(chē)的前部。其由電機(jī)、軸套、圓錐車(chē)輪傳動(dòng)副、驅(qū)動(dòng)輪組成。電機(jī)為伺服電機(jī)，可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。圓錐齒輪傳動(dòng)副的減速比i=1.5。兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪分別行走在壓力容器密封槽的內(nèi)外側(cè)的法蘭面上。為了增加驅(qū)動(dòng)輪與法蘭面見(jiàn)的摩擦力，驅(qū)動(dòng)輪外圈所選用的材料為聚氨酯。

車(chē)架由車(chē)體，把手和支撐件組成。車(chē)體為不銹鋼板，作為支撐結(jié)構(gòu)件，在其前部焊有一個(gè)把手，便于人工操作，支撐件為不銹鋼彎折件其內(nèi)放置吸塵管在其后端安裝兩個(gè)行走輪，輪子的外層材料采用聚氨酯。

導(dǎo)向組件在驅(qū)動(dòng)輪的后面和行走輪的前面各安裝一個(gè)。其徑向位置與外側(cè)的清洗砂布輪在同一圓周上。它由輪軸、螺母、連接桿、軸承及軸承座組成。輪軸下端有一導(dǎo)向輪，導(dǎo)向輪外層材料采用聚氨酯，直徑略小于密封槽寬，輪軸與連接桿之間采用螺紋連接，可實(shí)現(xiàn)輪軸的上下移動(dòng)并用螺母鎖緊。清洗時(shí)，輪軸下移進(jìn)入壓力容器頂蓋密封槽內(nèi)，調(diào)節(jié)軸承座徑向位置，使導(dǎo)向輪與密封槽外側(cè)面接觸，起到導(dǎo)向作用。清洗結(jié)束后，輪軸上移，使驅(qū)動(dòng)輪和行走輪與地面接觸，平穩(wěn)放置。

4.1.2 清洗組件

清洗裝置的清洗功能由清洗組件完成。它由清洗部件、罩殼、升降調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和彈簧連桿機(jī)構(gòu)組成。清洗部件有兩組，一組是由兩個(gè)砂布輪組成，另一組由兩個(gè)清洗布輪構(gòu)成。兩組輪分別由帶減速器的伺服電機(jī)通過(guò)同步帶傳動(dòng)帶動(dòng)它們高速旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)兩個(gè)密封槽的清理，旋轉(zhuǎn)的砂布輪可去除污物，旋轉(zhuǎn)的布輪可進(jìn)行清潔。為防止出現(xiàn)粉塵四處飄揚(yáng)的現(xiàn)象，設(shè)置罩殼罩住砂布輪和布輪。罩殼下部有橡膠密封條，其緊貼在壓力容器頂蓋法蘭面上，上部為管座，與吸塵器連接，可將粉塵吸入吸塵組件中。罩殼還為電機(jī)提供支撐。罩殼通過(guò)升降調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)吊掛在車(chē)體下方，升降調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)采用絲杠、螺母方式實(shí)現(xiàn)清洗組件的升降調(diào)節(jié)，旋轉(zhuǎn)螺母，絲杠帶動(dòng)清洗部件上下運(yùn)動(dòng)。清洗時(shí)，將清洗組件下移，使砂布輪和布輪進(jìn)入頂蓋的密封槽內(nèi)，然后旋轉(zhuǎn)兩個(gè)彈簧連桿機(jī)構(gòu)上方的螺母，調(diào)節(jié)砂布輪和布輪處于清洗的最佳位置并壓緊。清洗完畢后，提升罩殼，使砂布輪和布輪脫離密封槽。在更換清洗輪時(shí)，只需拆下壓緊條（罩殼放置清洗部件的開(kāi)口正下方的密封壓緊條）并提升彈簧連桿機(jī)構(gòu)的杠桿旋轉(zhuǎn)清洗部件，將其清洗輪旋出罩殼即可進(jìn)行更換清洗輪。

4.1.3 吸塵組件

吸塵組件完成清洗粉塵和污物的收集，由工業(yè)吸塵器和過(guò)濾系統(tǒng)組成。

4.2 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)清洗裝置的人機(jī)交互、電氣控制驅(qū)動(dòng)等功能，可完成清洗裝置的自動(dòng)或半自動(dòng)控制運(yùn)行，電氣控制系統(tǒng)由控制柜和控制系統(tǒng)兩部分組成。

4.2.1 控制柜

采用金屬控制柜，通過(guò)按鍵完成對(duì)清洗裝置的操作?？刂乒衽c小車(chē)之間電纜采用快插插頭方式連接。

4.2.2 控制系統(tǒng)

整個(gè)系統(tǒng)由主控制系統(tǒng)、數(shù)字交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等部分構(gòu)成。由主控制系統(tǒng)發(fā)出指令，通過(guò)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制小車(chē)組件的運(yùn)動(dòng)。

電氣控制系統(tǒng)主要包括以下特點(diǎn)：

具有安全可靠、自動(dòng)化程度高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)；

采用可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)，突出了系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)理念，對(duì)系統(tǒng)的邏輯運(yùn)行關(guān)系，失效情況、可靠度的預(yù)測(cè)分配進(jìn)行科學(xué)合理的分配和評(píng)估；

控制系統(tǒng)具有自檢功能和故障定位、報(bào)警功能、能提示用戶(hù)正確設(shè)置參數(shù)，在顯示界面上有自檢的工況結(jié)果顯示；

控制系統(tǒng)具有在任何情況下可強(qiáng)制中斷任務(wù)回到默認(rèn)狀態(tài)的功能，從而保護(hù)整個(gè)系統(tǒng)。

5 清洗裝置產(chǎn)品參數(shù)

在清洗裝置制造過(guò)程中根據(jù)質(zhì)保體系、產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造工藝要求，通過(guò)對(duì)生產(chǎn)條件、關(guān)鍵工序、檢驗(yàn)等多方面的控制，確保了清洗裝置的制造質(zhì)量，產(chǎn)品各項(xiàng)產(chǎn)品參數(shù)如下：

（1）重量：約 42kg；

（2）外形尺寸：約 1100mm×420mm×400mm；

（3）電源：380V/50Hz；

（4）電功率：約3kW；

（5）清洗裝置工作行走速度：0－4m/min（可調(diào)）；

（6）清洗輪轉(zhuǎn)速：0－1500r/min(可調(diào))；

（7）壽命：10 年(不包括易損件)。

6 性能試驗(yàn)

6.1 空載試驗(yàn)

對(duì)整個(gè)系統(tǒng)連續(xù)進(jìn)行了6小時(shí)連續(xù)通電空載試驗(yàn)，1小時(shí)的空載運(yùn)行試驗(yàn)，經(jīng)檢驗(yàn)設(shè)備表現(xiàn)正常，穩(wěn)定性良好，無(wú)故障現(xiàn)象出現(xiàn)。

6.2 清洗效果試驗(yàn)

將清洗裝置安裝到模擬試驗(yàn)件上,在模擬試驗(yàn)件頂蓋密封槽“O”環(huán)壓道上人為涂覆一些污物和表面附著物以及局部制造銹跡，啟動(dòng)程序完成清洗及整機(jī)運(yùn)行試驗(yàn)，允許清洗兩次。經(jīng)檢驗(yàn)整機(jī)運(yùn)行正常、無(wú)故障現(xiàn)象，表面污物、附著物及局部制造的銹跡清洗干凈，清洗效果滿(mǎn)足使用要求。

7 工程應(yīng)用

在軍工領(lǐng)域，清洗裝置進(jìn)行了反應(yīng)堆壓力容器頂蓋密封槽的清洗工作，整個(gè)清洗工作過(guò)程順利，無(wú)異常情況出現(xiàn)，清洗效果滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，較好地完成工程任務(wù)。

8 研制結(jié)論

（1）通過(guò)對(duì)清洗裝置進(jìn)行的試驗(yàn)和工程應(yīng)用,證明清洗裝置設(shè)計(jì)方案和采用的制造工藝路線是正確合適的，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到使用要求；

（2）清洗裝置清洗效果和試驗(yàn)運(yùn)行結(jié)果表明清洗裝置系統(tǒng)自動(dòng)化程度高，穩(wěn)定可靠，能滿(mǎn)足反應(yīng)堆壓力容器頂蓋密封槽的清洗要求；一鍵操作即可自動(dòng)完成反應(yīng)堆壓力容器頂蓋密封槽的干法清洗、粉塵廢屑收集貯存等多項(xiàng)任務(wù)，避免了維修人員清洗時(shí)受到較大輻射劑量的侵害，大幅度提高清洗工作效率和清洗質(zhì)量；

（3）在研制過(guò)程中,采用了標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、可靠性設(shè)計(jì)等現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)，突出強(qiáng)調(diào)了系統(tǒng)的可靠性要求，保證了清洗裝置系統(tǒng)的總體質(zhì)量要求；該清洗裝置填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)反應(yīng)堆壓力容器頂蓋密封槽自動(dòng)清洗領(lǐng)域研究的空白。