新型核電站裝卸料機水下攝像裝置*

黃尚青

(上海核工程研究設(shè)計院，上?！?00233)

0　引言

裝卸料機[1]是燃料裝卸和貯存系統(tǒng)中的一個主要設(shè)備，也是核電廠的關(guān)鍵設(shè)備之一，其功能是實現(xiàn)在反應(yīng)堆廠房內(nèi)燃料組件的裝卸。由于裝卸料機在水上操作燃料組件，因此對設(shè)備的安全性、可靠性及定位精度等都有較高要求，水下攝像裝置能夠有效地幫助操作人員觀察裝卸料機內(nèi)套筒的定位情況及抓具抓取燃料組件狀況，準確地完成燃料組件定位及燃料組件抓取操作。本文分析核電站常用的兩種裝卸料機攝像裝置各自的優(yōu)缺點，然后進行創(chuàng)新設(shè)計。

1　裝卸料機水下攝像裝置的特點

水下攝像系統(tǒng)[2]形式多樣，用于核電站中的水下攝像機主要分為普通攝像機和耐輻照攝像機，裝卸料機水下攝像機為耐輻照攝像機。目前，核電站中使用的裝卸料機水下攝像裝置主要為兩類：固定式水下攝像裝置和可伸縮式水下攝像裝置。文獻[3]介紹了一種已運行電站中的裝卸料機水下攝像機存在的問題，本文將針對這些問題及兩類攝像機的特點進行創(chuàng)新設(shè)計。

1.1　裝卸料機固定式水下攝像裝置

裝卸料機固定式水下攝像裝置由控制箱、監(jiān)視器、水下攝像機、照明裝置和水下電纜組成?？刂葡浜捅O(jiān)視器安裝在水面上的裝卸料機總控制臺上，水下攝像機、照明裝置、水下電纜安裝在水下的裝卸料機外套筒壁上。

該水下攝像機具有電動變焦功能，通過云臺調(diào)整攝像頭角度，借助水下照明裝置觀察燃料組件抽插操作。水下攝像機耐輻照劑量率為30 kGy/h，耐輻照累計劑量為1 MGy。

裝卸料機固定式水下攝像機固定在裝卸料機外套筒外部，如圖1所示。裝卸料機操作燃料組件時，燃料組件沿著裝卸料機外套筒升降，燃料組件活性區(qū)完整通過水下攝像機，其輻照劑量完全作用于攝像機本體，使攝像機極易受損。根據(jù)核電站運行經(jīng)驗反饋，一個換料周期后固定式水下攝像機即受輻照損壞，其鏡頭不能清晰地觀察燃料組件。由于所在水池具有較大輻射劑量，攝像機維修操作極為不便。另外，耐輻照攝像機造價昂貴，頻繁更換經(jīng)濟性較差。因此固定式水下攝像裝置改造值得深入研究。

1.2　裝卸料機可伸縮式水下攝像裝置

不同于裝卸料機固定式水下攝像裝置，可伸縮式水下攝像裝置的水下攝像機可跟隨內(nèi)套筒上下伸縮，避免了燃料組件活性區(qū)直接通過水下攝像機。

可伸縮式水下攝像裝置的攝像機安裝于裝卸料機內(nèi)套筒，內(nèi)套筒位于裝卸料機抓具中央，如圖2所示。由于水下攝像機及內(nèi)套筒與抓具同時上下運動，當抓具抓取燃料組件時，水下攝像機始終位于燃料組件上方，燃料組件活性區(qū)不通過攝像機，對攝像機輻照劑量較小。但是，由于攝像機位于抓具中央，其觀察視角局限性較大。同時，由于攝像機距離燃料組件上平面太近，不能有效地判定燃料組件的定位情況。因此該方案需要將抓具設(shè)計成中空形式，由4個抓爪分別驅(qū)動，這對抓具的結(jié)構(gòu)強度及抓爪操作同步性較為不利。

另外水下攝像機與燃料組件同步升降運動時，其信號電纜的收放也成為一個關(guān)鍵的設(shè)計問題。可伸縮式水下攝像裝置的信號電纜由電纜卷筒實現(xiàn)收放，該卷筒采用發(fā)條式電纜卷筒，其最大優(yōu)點為電纜無間斷，有利于視頻信號的傳輸。

圖3為Gleason不間斷式電纜卷筒結(jié)構(gòu)示意圖，該結(jié)構(gòu)能保證電纜不間斷地通過卷筒，其工作原理為：電纜由直徑為D的卷筒1進入，纏繞在卷筒1上，電纜繞過轉(zhuǎn)盤2，最后繞在卷筒3輸出；轉(zhuǎn)盤2自轉(zhuǎn)的同時可繞著卷筒1軸線旋轉(zhuǎn)，當電纜拉伸時，卷筒3轉(zhuǎn)動，帶動轉(zhuǎn)盤2圍繞卷筒1軸線轉(zhuǎn)動，此時纏繞在卷筒1上的外圈電纜沿著轉(zhuǎn)盤2光滑過渡至卷筒3的直徑為D的側(cè)轉(zhuǎn)盤，輸入端電纜不擰結(jié)；當電纜收縮時，卷筒3由發(fā)條作用轉(zhuǎn)動帶動輸出電纜纏繞在其轉(zhuǎn)盤上，轉(zhuǎn)盤2則在發(fā)條作用下將卷筒3的直徑為D的側(cè)轉(zhuǎn)盤電纜重新繞至卷筒1，同樣實現(xiàn)了輸入端電纜在收縮時不會擰結(jié)。該類型卷筒結(jié)構(gòu)緊湊，但其最小轉(zhuǎn)盤的半徑為76 mm，水下攝像機電纜最小彎曲半徑一般不小于90 mm，因此該卷筒不滿足信號電纜最小彎曲半徑要求。在實際使用中，視頻信號傳輸效果不佳，且由于提升力為卷筒發(fā)條彈力，在收放過程中受力不均，不易控制。

圖1固定式裝卸料機水下攝像裝置布置圖2可伸縮式裝卸料機攝像機抓具

2　新型裝卸料機水下攝像裝置

固定式與可伸縮式裝卸料機水下攝像機裝置皆存在一定缺陷，針對這些問題，本文設(shè)計了一種新型的水下攝像裝置，并在核電站中得到應(yīng)用。

為了避免固定式水下攝像機固定于外套筒底部受過劑量輻照損壞，將水下攝像機設(shè)計為上下提升式；為了避免可伸縮式攝像機放置于內(nèi)套筒下部給抓具帶來的缺陷，將水下攝像機放置于外套筒外部。當燃料組件上升時，攝像機先于燃料組件提升至高于燃料組件；當燃料組件下降時，待燃料組件就位后，水下攝像機再下降至工作位置。

2.1　攝像機提升裝置

水下攝像機提升裝置選用電機卷筒方式，卷筒帶動鋼絲繩提升水下攝像機。水下攝像機升降運動采用滑塊導(dǎo)軌形式，如圖4所示。水下攝像機固定在滑塊上，卷筒提升滑塊，攝像機沿著軌道上升；卷筒反向釋放鋼絲繩時，攝像機依靠滑塊組件自重下降。

1-輸入卷筒；2-過渡轉(zhuǎn)盤；3-輸出卷筒 1- 攝像頭；2-球頭螺栓裝置； 3-滑塊；4-鋼絲繩

圖3Gleason不間斷式電纜卷筒結(jié)構(gòu)示意圖圖4提升裝置結(jié)構(gòu)示意圖

設(shè)計時充分考慮滑塊力學(xué)特性：①滑塊長度較長，受同樣扭矩時滑塊與導(dǎo)軌接觸力較小，阻力較?。虎诨瑝K中間滑槽切除，僅保留兩端滑槽，滑塊與導(dǎo)軌接觸面積減少，從而減少卡阻。攝像頭安裝在滑塊底板上，其安裝方式采用球頭螺栓連接，如圖5所示。上蓋板半球面球心略低于其下平面，下蓋板半球面球心略高于其上平面，此設(shè)計可使球頭螺栓放在兩蓋板間時能有效夾緊。攝像機通過連接套與球頭螺栓剛性連接，當攝像機角度調(diào)整結(jié)束后，上下蓋板壓緊球頭螺栓，然后用螺釘將上下蓋板緊固于滑塊底板，從而達到攝像機角度調(diào)整的效果。

2.2　攝像機電纜收放控制

攝像機升降過程中其電纜收放控制同樣是一個非常重要的問題，原電纜卷筒直徑較難符合本設(shè)備電纜最小彎曲半徑要求。因此新方案電纜收放控制采用了滑輪結(jié)構(gòu)，如圖6所示。該結(jié)構(gòu)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)信號電纜的不間斷，而且能夠?qū)崿F(xiàn)電纜受力恒定、攝像機穩(wěn)定下降。

1-攝像頭；2-連接套；3-球頭螺栓； 1-支耳；2-滑輪箱；3-動滑輪； 4-下蓋板；5-上蓋板 4-銷軸；5-定滑輪

圖5可調(diào)節(jié)球頭螺栓裝置圖6電纜收放控制的滑輪結(jié)構(gòu)

定滑輪和動滑輪均放置于一個不銹鋼板做成的盒子內(nèi)，滑輪軸向與盒子內(nèi)壁間隙設(shè)計為2 mm，使動滑輪不能軸向擺動。定滑輪銷軸將定滑輪、滑輪箱上部固定在外套筒外壁，支耳將滑輪箱下部固定在外套筒外壁?；喯湟粋?cè)留有開口，保證定滑輪部分露出滑輪箱，則電纜可以從定滑輪進入，繞過動滑輪，最后纏繞在焊接于滑輪箱側(cè)面的柱子上作為固定。由于采用動滑輪自重作為配重，則電纜上下時能在繃緊狀態(tài)下收放。這種設(shè)計有以下幾個優(yōu)點：①保證了電纜的連續(xù)性；②滿足電纜最小彎曲半徑要求；③攝像機電纜受力恒定，由于動滑輪質(zhì)量固定，電纜受力始終為其質(zhì)量一半；④結(jié)構(gòu)簡單，體積小，易于布置。

3　結(jié)語

新型裝卸料機水下攝像裝置是在充分分析了固定式與可伸縮式裝卸料機水下攝像裝置的基礎(chǔ)上設(shè)計的。該裝置解決了固定式裝卸料機水下攝像裝置一次換料周期便損壞的問題，避免了可伸縮式抓具機械結(jié)構(gòu)及工藝性較差的問題，避免了可伸縮式電纜卷筒體積大，電纜彎曲半徑不達標及價格昂貴的問題。

新型裝卸料機水下攝像裝置易于加工，易于保養(yǎng)維修，視覺范圍好于可伸縮式攝像機，不僅解決了水下攝像機的問題，同時也為裝卸料機抓具設(shè)計提供了更廣的思路。

參考文獻：

[1]鄭明光,杜圣華.壓水堆核電站工程設(shè)計[M].上海:上海科學(xué)技術(shù)出版社，2013.

[2]奚立峰,陳良益.水下電視攝像系統(tǒng)的研制與開發(fā)[J].上海交通大學(xué)學(xué)報，1997,31(6):129-132.

[3]彭峰，劉德軍，李興雷,等.裝卸料機技術(shù)改造方案探討[J].中國機械，2014(13):241.