已輻照燃料接收裝置設(shè)計(jì)

陳書(shū)華 黃新東 安彥波 任 荷 甕松峰

（中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院反應(yīng)堆燃料及材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610041）

0 引言

已輻照燃料接收裝置（以下簡(jiǎn)稱接收裝置）是某型核反應(yīng)堆換料檢修需要使用的專用設(shè)備之一，其功能是完成已輻照燃料組件在空氣中與水下之間的轉(zhuǎn)運(yùn)，空中轉(zhuǎn)運(yùn)通過(guò)換料機(jī)進(jìn)行，水下轉(zhuǎn)運(yùn)通過(guò)長(zhǎng)桿操作工具完成[1]。接收裝置的設(shè)計(jì)要在滿足其功能的同時(shí)保護(hù)操作人員免受過(guò)量輻照劑量。

1 設(shè)計(jì)思路

核反應(yīng)堆裝卸檢修工具的設(shè)計(jì)應(yīng)在滿足防止燃料組件跌落的同時(shí)保證操作人員免受超限劑量輻射[2]，因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)滿足以下要求：

（1）接收裝置必須具有輻射安全防護(hù)功能，對(duì)操作人員起到輻射防護(hù)作用；

（2）接收裝置在使用過(guò)程中應(yīng)保證燃料組件的安全；

（3）接收筒在上接收位置時(shí)，應(yīng)能與屏蔽筒組件的內(nèi)方孔對(duì)準(zhǔn)以便燃組件能順暢地通過(guò)，并且保證接收筒中的燃料組件在換料機(jī)的抓取范圍內(nèi)；

（4）裝有燃料組件的接收筒在接收位置時(shí)不會(huì)意外跌落；

（5）燃料組件的接收筒在抓取位置時(shí)，操作人員使用燃料組件長(zhǎng)桿工具應(yīng)能方便地轉(zhuǎn)運(yùn)燃料組件。

2 結(jié)構(gòu)介紹

根據(jù)接收裝置的各部分結(jié)構(gòu)功能進(jìn)行劃分，其主要由鑄鋼平臺(tái)、套環(huán)、鉛屏、導(dǎo)軌組件、池壁支撐組件、接收筒、電機(jī)傳動(dòng)裝置及其他部分組成，見(jiàn)圖1。

圖1 水下燃料接收裝置

2.1 鑄鋼平臺(tái)、套環(huán)和鉛屏

鑄鋼平臺(tái)用于整個(gè)接收裝置在水池面上的支撐，同時(shí)也是支承換料機(jī)的剛性平臺(tái)，套環(huán)安裝于鑄鋼平臺(tái)上，其直接與換料機(jī)接觸并為換料機(jī)提供定位，保證換料機(jī)抓具能夠順利進(jìn)入鉛屏的中心方孔；鉛屏中心方孔是燃料組件從換料機(jī)進(jìn)入接收筒的通道，鉛屏的徑向有180mm厚的鉛層和40mm厚的鋼板作為生物屏蔽層，頂部有235mm厚的鋼板（其上部的套環(huán)厚度為165mm）作為生物屏蔽層。見(jiàn)圖2。

圖2 鑄鋼平臺(tái)、套環(huán)和鉛屏

2.2 導(dǎo)軌組件

導(dǎo)軌組件為接收筒的運(yùn)動(dòng)提供限制，接收筒沿導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)軌為曲線導(dǎo)軌，上段豎直，下段向平臺(tái)外平滑彎曲，當(dāng)接收筒運(yùn)行到上接收位置時(shí)與鉛屏對(duì)接，此時(shí)換料機(jī)可以抓取或者釋放燃料組件。當(dāng)接收筒向下運(yùn)行時(shí)就會(huì)沿著導(dǎo)軌到達(dá)鑄鋼平臺(tái)外側(cè)的抓取位置，此時(shí)可以使用燃料組件長(zhǎng)桿抓具抓取或者釋放燃料組件。導(dǎo)軌組件包括左導(dǎo)軌和右導(dǎo)軌兩部分，都為U型槽導(dǎo)軌，U型槽能夠?qū)υ谄渲行凶叩慕邮胀矟L輪進(jìn)行限制，防止?jié)L輪脫離軌道。導(dǎo)軌組件的下部有導(dǎo)軌正支撐、導(dǎo)軌背支撐及導(dǎo)軌斜支撐等支撐，這些支撐保證導(dǎo)軌剛度。保證裝置經(jīng)長(zhǎng)期運(yùn)行或存放后不發(fā)生位移和變形。

2.3 池壁支撐組件

池壁支撐組件由鋼板焊接而成，其一端通過(guò)螺栓與導(dǎo)軌組件背面相連接固定，另一端上面焊接有調(diào)節(jié)裝置，調(diào)節(jié)裝置的調(diào)節(jié)螺桿通過(guò)支撐盤(pán)與水池壁相頂，在現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)，根據(jù)水池壁上預(yù)留的焊接板位置調(diào)整池壁支撐組件的位置，對(duì)齊后調(diào)節(jié)頂緊再將支撐盤(pán)與焊接板焊接固定。

2.4 接收筒

接收筒組件主要包括接收筒、滾輪、滾輪軸、拉軸、側(cè)架及底輪等組成，接收筒承接并包容已輻照燃料組件，上邊沿有一段喇叭導(dǎo)向段方便燃料組件進(jìn)入。在滾輪軸的兩端安裝有兩個(gè)滾輪，兩個(gè)滾輪沿著導(dǎo)軌組件上下運(yùn)行，而接收筒僅與上面的滾輪軸連接，接收筒底部有底輪，當(dāng)接收筒組件處于導(dǎo)軌組件下部的傾斜段向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，底輪沿著斜槽滑動(dòng)防止接收筒組件的傾斜。

2.5 電機(jī)傳動(dòng)裝置

電機(jī)傳動(dòng)裝置主要由電機(jī)、減速器、卷盤(pán)、鋼絲繩、軸承以及卷盤(pán)支架組件等組成。鋼絲繩連接卷盤(pán)和接收筒，電機(jī)帶動(dòng)卷盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)接收筒的升降運(yùn)動(dòng)。電機(jī)選用速度控制性能較好且自帶編碼器的伺服電機(jī)，其自帶的旋轉(zhuǎn)編碼器可以間接地給出接收筒位置信息，減速器則采用蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)型減速器。

2.6 其他

其他部分主要有轉(zhuǎn)向滑輪組件、載荷傳感用定滑輪及限位裝置等。轉(zhuǎn)向滑輪組件主要用于改變鋼絲繩的走向。載荷傳感用定滑輪中裝有載荷傳感器，用來(lái)監(jiān)測(cè)鋼絲繩的拉力，為過(guò)載保護(hù)和失重保護(hù)提供信號(hào)。限位裝置用來(lái)檢測(cè)接收筒組件是否到位，為控制系統(tǒng)對(duì)電機(jī)的控制提供信號(hào)輸入，分為上限位裝置、下限位裝置和換料機(jī)聯(lián)鎖限位。

3 計(jì)算校核

3.1 計(jì)算輸入設(shè)定

（1）設(shè)滿載情況下接收筒總重2637N；

（2）接收筒運(yùn)行速度為1m/min，最大速度4.5m/min）；

（3）卷盤(pán)直徑為 320mm～412mm；

（4）接收筒側(cè)架尺寸見(jiàn)圖3。

圖3 接收筒側(cè)架

3.2 運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受力分析

將運(yùn)動(dòng)分成三部分：上部豎直段、中間圓弧過(guò)渡段及下部?jī)A斜段。對(duì)接收筒的側(cè)架進(jìn)行分析，簡(jiǎn)化后力學(xué)分析模型如下：

圖4 力學(xué)分析示意圖

得出：

鋼絲繩拉力F=2637N；

θ=0°（上部豎直段）接收筒側(cè)架對(duì)軌道壓力N1=N2=1.5G=3956N；

θ=30°（中間圓弧過(guò)渡段）接收筒側(cè)架對(duì)軌道壓力達(dá)到最大N1=N2=1.732G=4567N；

θ=45°（下部?jī)A斜段）接收筒側(cè)架對(duì)軌道壓力N1=N2=1.673G=4412N；

3.3 電機(jī)、減速器選型

3.3.1 選擇交流伺服電機(jī)：

F：鋼絲繩拉力為2637N；

v：設(shè)計(jì)最大速度為4.5m/min；

η：傳動(dòng)效率，這里取35%。

根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，電機(jī)在拖動(dòng)負(fù)載起動(dòng)的暫態(tài)過(guò)程中，其暫態(tài)輸出功率為平穩(wěn)狀態(tài)下功率的1.5～2倍，所以選擇額定功率0.9kW的松下全數(shù)字式交流伺服電機(jī)MGMA900W，主要參數(shù)如下：

表1

3.3.2 選擇減速機(jī)

擬選擇三聯(lián)傳動(dòng)SLS系列蝸輪蝸桿減速機(jī)。由輸出最大速度v出=4.5r/min、卷盤(pán)直徑320mm～412mm和電機(jī)額定轉(zhuǎn)速n額定=1000rpm得出減速比 i=n額定/v出=222.2

由鋼絲繩拉力F=2637N、卷盤(pán)最大直徑D=412mm，得出驅(qū)動(dòng)卷盤(pán)需要轉(zhuǎn)矩：

T工作=F·D/2=543.2Nm，減速機(jī)許用轉(zhuǎn)矩：

TN≥T工作f1f2f3=814.8Nm

f1、f2、f3分別為工作機(jī)系數(shù)、原動(dòng)機(jī)系數(shù)、起動(dòng)系數(shù)。根據(jù)接收裝置使用情況查詢?nèi)?lián)傳動(dòng)選型手冊(cè)得出f1=1.5，f2=1.0，f3=1.0。選擇三聯(lián)SLSAF87R57減速機(jī)，其主要參數(shù)如下：

表2

3.4 鋼絲繩

F0≥F·n=26.37kN

F0：鋼絲繩破斷拉力；

n：安全系數(shù)，考慮到水下工作及不可更換性，該處n取10；

F：鋼絲繩最大工作靜拉力，為2637N。

由于在水下工作，因此選擇不銹鋼絲繩6.00NAT1×19+IWSGB/T 9944，其最小破斷拉力為30.4kN。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算分析，確定接收裝置的設(shè)計(jì)是合理的，目前該設(shè)備已經(jīng)在實(shí)際工程中得到應(yīng)用，且效果良好。

[1]黃新東,洪龍.核電換料檢修[M].成都:西南交通大學(xué)出版社,2013.

[2]中廣核工程有限公司.壓水堆核電廠核島設(shè)計(jì)·核島工藝系統(tǒng)和布置設(shè)計(jì)[M].北京:原子能出版社,2010.