散裂中子源慢化器反射體遙控維護工藝研究

馬靜靜，湯 泓，趙崇光，李常峰，賈學(xué)軍

MA Jing-jing1,2, TANG Hong1,2, ZHAO Chong-guang1,2, LI Chang-feng1,2, JIA Xue-jun3

（1.中國科學(xué)院高能物理研究所東莞分部，東莞 523803；2.東莞中子科學(xué)中心，東莞 523803；3.中國科學(xué)院物理研究所，北京 100190）

0 引言

我國迄今最大的國家重大科學(xué)裝置——中國散裂中子源（以下簡稱CSNS）將于2017年前后建成[1]。CSNS的建成將在物理學(xué)、化學(xué)、生命科學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)、環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域?qū)χ袊皷|南亞地區(qū)產(chǎn)生巨大的社會和經(jīng)濟效益[2]。CSNS建成后將進入世界四大散裂中子源行列，成為發(fā)展中國家擁有的第一臺散裂中子源[3]。慢化器反射體是中國散裂中子源靶站的核心部件，設(shè)計壽命10年，壽命期滿后進行維護更換。

慢化器反射體插件是CSNS靶站核心部件，慢化器將高能質(zhì)子入射靶后通過散裂反應(yīng)產(chǎn)生的高能量中子慢化為低能量中子供中子散射實驗使用，反射體集反射、慢化和新產(chǎn)生中子的能力為一體。反射體結(jié)構(gòu)龐大，總重約32t，呈圓柱形臺階狀，最大直徑1.3米，最小直徑1米，高4.59米，由于高度較高，為了便于維護更換，設(shè)計為四段，段與段之間通過長螺栓連接。慢化器安裝在最下段反射體內(nèi)部，慢化器進出水管和低溫冷卻管向上延伸，固定在反射體側(cè)壁上，慢化器和反射體以整體插件的形式進行安裝。散裂反應(yīng)產(chǎn)生中子的同時也產(chǎn)生大量的放射性核素，并向外發(fā)射二次粒子，如γ射線，α射線等，該粒子將慢化器反射體插件活化，因此整個維護過程必須遙控操作。

1 慢化器反射體遙控維護流程

慢化器反射體插件安裝在靶站氦容器內(nèi)，更換時首先要將其從氦容器中吊出，然后轉(zhuǎn)運至存儲容器，在吊裝前要進行一系列前處理工作。具體遙控維護流程如下。

1.1 剪管

下面三段輻射較強的慢化器反射體插件的吊裝需要屏蔽容器，為了節(jié)省屏蔽容器空間，吊裝前先將與插件固定且高出插件的工藝管剪斷。工藝管主要有進出水管和低溫輸送管，低溫輸送管為三層管道，內(nèi)層管為真空絕熱管、中間為冷卻介質(zhì)管、外層是檢漏氣體管，該種管道在增強管道性能的同時也增加了遙控維護條件下的剪切難度，要求剪管工具具有較高的性能，選用國外進口液壓剪刀[4]。整個剪管過程工作人員不準(zhǔn)直視，在剪管之前將攝像頭安裝在長柄操作桿上，放入氦容器合適位置，通過觀察視頻系統(tǒng)顯示屏進行剪管。液壓剪刀安裝在另一條長柄操作桿上，吊車將其吊入氦容器，工作人員利用一端可夾緊豎直長柄的水平操作桿調(diào)整液壓剪刀的位置。

1.2 夾管

管道剪斷后將其從氦容器中夾出，然后吊入儲存容器儲存。夾管工具安裝在豎直操作長柄上，通過水平操作橫桿調(diào)整位置，具體夾管過程與剪管過程相同。

1.3 拆螺栓

為了便于維護，慢化器反射體插件設(shè)計為四段，段與段間均通過四根長螺栓連接固定，吊裝前確保螺栓拆松。用氣動扳手進行拆螺栓，氣動扳手安裝在豎直長柄上，通過水平操作橫桿調(diào)整位置，具體拆卸過程與剪管過程相同。

1.4 吊裝

由于最上段反射體插件放射性很小，直接裸吊出氦容器，下面三段放射性較強不能裸吊，吊裝過程需要屏蔽罩（也稱轉(zhuǎn)運容器）[5]。每段反射體頂部中心位置固定一個吊裝螺栓，利用帶內(nèi)螺紋、通電后可自動開合的zip-lift吊具與吊裝螺栓咬合。由于頂部吊車高度十幾米，且吊車運行和起吊速度太快，很難完成zip-lift吊具與吊裝螺栓的精密捕捉，因此設(shè)計了一臺可移動三軸平臺進行吊裝。

首先將轉(zhuǎn)運容器定位到氦容器口正上方；其次將三軸平臺固定在轉(zhuǎn)運容器頂部，在固定之前已將掛在三軸平臺上的zip-lift吊具中心調(diào)至轉(zhuǎn)運容器頂部吊裝口中心。將zip-lift吊具吊入氦容器與吊裝螺栓精密捕捉；然后將慢化器反射體插件吊入轉(zhuǎn)運容器，推入推拉抽屜，慢化器反射體插件放置在推拉抽屜上，松開吊具，蓋上吊裝孔蓋；最后利用頂部吊車將三軸平臺先吊走，再將轉(zhuǎn)運容器吊至熱室頂部吊裝口正上方。

1.5 轉(zhuǎn)運

慢化器反射體插件吊入熱室的過程與吊入轉(zhuǎn)運容器過程相同，吊入熱室后利用熱室內(nèi)吊車將其轉(zhuǎn)運至地下室儲存容器。

2 慢化器反射體遙控維護設(shè)備

2.1 長柄液壓剪刀

液壓剪刀液壓泵功率3675瓦，液壓剪刀最大輸入壓強為34.5Mpa，通過在液壓泵上安裝壓強表進行測試，最大輸出壓強為78Mpa。因此該液壓的額定壓強能夠滿足實驗要求。原裝液壓剪刀為手持式，將其改裝，通過螺栓固定在長柄操作桿上，如圖1所示。通過試驗證明長柄液壓剪刀可順利完成三層管道的剪切，圖2為被剪斷的三層管。

2.2 長柄夾具

夾具的驅(qū)動方式為氣缸驅(qū)動，由于管道的外徑和長度不同，針對不同外徑的管道，夾具夾頭的設(shè)計采用加大角度夾頭，并為能夠穩(wěn)定地夾緊較長管道，將夾具設(shè)計成三爪結(jié)構(gòu)，將三爪結(jié)構(gòu)安裝在長柄操作桿上，針對不同方向的管設(shè)計了橫向夾具和縱向夾具，如圖3所示。通過試驗證明該夾具可順利夾取各種斷管，圖4為夾取試驗結(jié)果。

圖1 長柄液壓剪刀

圖2 剪斷的三層管

圖3 橫向夾具和縱向夾具

圖4 夾取試驗結(jié)果

2.3 長柄氣動扳手

為了防止氣動扳手拆裝螺栓時將反射體定位銷打斷，且為了更有利于氣動扳手與吊裝螺栓的定位與拆裝，減少在工作時產(chǎn)生的晃動，在氣動扳手上焊接一根止轉(zhuǎn)臂，該止轉(zhuǎn)臂能夠與反射體上的U型槽實現(xiàn)配合。將氣動扳手改裝為長柄氣動扳手，如圖5所示。通過實驗證明該氣動扳手可順利擰松長螺栓，圖6為長螺栓擰松狀態(tài)。

圖5 改造后的氣動扳手

圖6 擰松長螺栓

2.4 轉(zhuǎn)運容器

轉(zhuǎn)運容器屏蔽層為鉛，由于鉛的強度極低，很容易發(fā)生變形，桶體屏蔽層由三層組成：內(nèi)外兩層為碳鋼筒體，起支撐作用；中間一層罐鉛，起屏蔽作用[6]。容器底部開孔，該結(jié)構(gòu)主要包括鉛罐體、底座以及底部推拉抽屜。由于底部推拉抽屜體積較大、行程較長，將底座分成左右兩段，吊裝時對接。由于實際吊裝環(huán)境較差，左右底座對接精度較低，而推拉抽屜重約3噸，為了減小抽屜與底座的摩擦系數(shù)，考慮對接精度較低，最終決定在左右底座和抽屜側(cè)壁固定若干鋼珠滾輪。通過電機帶動絲杠螺母傳動從而實現(xiàn)抽屜的推拉動作。圖7為轉(zhuǎn)運容器剖面圖。

圖7 轉(zhuǎn)運容器剖面圖

圖8 三軸平臺

2.5 三軸平臺

三軸平臺起吊葫蘆為環(huán)鏈變頻電葫蘆，水平橫向和縱向的微調(diào)通過伺服電機驅(qū)動、直線導(dǎo)軌導(dǎo)向。伺服電機的驅(qū)動通過遠程控制柜遙控操作，為了避免現(xiàn)場調(diào)試劑量累計，在吊裝前將掛在電葫蘆上的zip-lift吊具中心位置與轉(zhuǎn)運容器吊裝口中心對準(zhǔn)，并將該坐標(biāo)設(shè)置為原點。無論以后將其調(diào)整至任何位置，都可通過控制系統(tǒng)回到原點。圖8為三軸平臺。

3 結(jié)束語

通過在試驗平臺上對模擬慢化器反射體的大量遙控維護試驗，開發(fā)出一套可行的遙控維護工藝，具體包括維護流程和維護設(shè)備。對核電站和大科學(xué)輻射裝置遙控維護具有一定的參考價值。

[1] 陳延偉.中國散裂中子源(C S N S)[J].中國科學(xué)院院刊,2011,26(6):725-728.

[2] 王芳衛(wèi),嚴(yán)啟偉,梁天驕,等.第一講 中子散射與散裂中子源[J].物理,2005,34(10):731-738.

[3] 韋杰.中國散裂中子源簡介[J].現(xiàn)代物理知識,2007,19(6):22-29.

[4] 陳海彬,郭建文,李榮泳,等.遙控維護條件下冷卻管道剪切試驗[J].東莞理工學(xué)院學(xué)報,2013,20(01):51-56.

[5] Quan-zhi YU, Zhi-liang HU, Bin ZHOU. The radiation assessment for the maintenance scenarios of CSNS inner reflector plug . Progress in Nuclear Science and Technology(2013).

[6] 胡文生,陳煜浩.大型短距離防護轉(zhuǎn)運容器的設(shè)計與制造[J].核動力工程,1996,17(3):274-278.