海外“華龍一號(hào)”可燃毒物組件抓具機(jī)械結(jié)構(gòu)改進(jìn)

馬 超

(中國(guó)中原對(duì)外工程有限公司，北京 100044)

可燃毒物組件抓具是海外“華龍一號(hào)”核島廠房燃料操作與貯存系統(tǒng)的關(guān)鍵性設(shè)備，其良好的設(shè)計(jì)、制造與最終的使用直接關(guān)乎換料大修的效率、工期乃至順利實(shí)現(xiàn)與否。然而，據(jù)以往核電廠該設(shè)備使用的反饋來(lái)看，總是問(wèn)題頻頻，不盡如人意。相關(guān)問(wèn)題的出現(xiàn)、解決造成了大量人力物力的投入。經(jīng)過(guò)分析，機(jī)械結(jié)構(gòu)的不合理是導(dǎo)致可燃毒物組件抓具在操作與使用過(guò)程中出現(xiàn)組件與抓具卡阻的主要原因之一。因此，海外“華龍一號(hào)”中的該設(shè)備十分有必要在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造方面對(duì)以往出現(xiàn)的這些問(wèn)題進(jìn)行針對(duì)性規(guī)避與改進(jìn)，目標(biāo)做到“安全又高效、好用又耐用”。

1 海外“華龍一號(hào)”可燃毒物組件抓具功能簡(jiǎn)介

可燃毒物組件抓具主要在首次換料時(shí)用于操作可燃毒物組件，在其他的每一個(gè)換料期間用于抓取次級(jí)中子源棒組件。提升可燃毒物組件的操作為電動(dòng)操作，抓爪的抓取和釋放為手動(dòng)操作。其功能為：將可燃毒物組件從燃料組件中抽出，然后將其插到可燃毒物組件存放架中；將可燃毒物組件從可燃毒物組件存放架中抽出，然后將其插到乏燃料組件中；將可燃毒物組件從燃料組件中抽出，然后將其插到乏燃料組件中。

2 海外“華龍一號(hào)”可燃毒物組件抓具機(jī)械抓取功能原理概述

海外“華龍一號(hào)”可燃毒物組件抓具導(dǎo)向裝置主要由兩對(duì)導(dǎo)向耙組成，彼此成90°分布，當(dāng)抽取或插入可燃毒物組件時(shí)起到定位和導(dǎo)向作用。導(dǎo)向耙的開(kāi)啟和閉合主要是由行走機(jī)構(gòu)中的凸輪及連接調(diào)節(jié)拉桿和連桿的主軸聯(lián)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。抓具抓取組件的上升下降是通過(guò)一個(gè)方形框架內(nèi)的兩個(gè)導(dǎo)向輪執(zhí)行的，導(dǎo)向輪在方形框架的兩根角鋼間滑動(dòng)。導(dǎo)向輪旁設(shè)有S形槽，導(dǎo)向輪被提升時(shí)，凸輪槽一并會(huì)提升，當(dāng)導(dǎo)向輪上升至凸輪及連桿所在位置時(shí)，凸輪銷會(huì)進(jìn)入到S形槽中。由于S形槽呈S形，S形槽向上運(yùn)動(dòng)會(huì)推動(dòng)其中的凸輪銷，凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)連桿運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而使導(dǎo)向耙關(guān)閉(或開(kāi)啟)，實(shí)現(xiàn)可燃毒物組件定位。

目前，無(wú)論是以往的核電廠還是海外“華龍一號(hào)”，可燃毒物組件抓具都是通過(guò)上述機(jī)械結(jié)構(gòu)與原理實(shí)現(xiàn)組件抓取與定位?？梢钥闯觯扇级疚锝M件抓具設(shè)計(jì)上柔性連接較多，在抓具抓取過(guò)程中易因?yàn)榕c可燃毒物組件發(fā)生干涉而導(dǎo)致柔性部件變形進(jìn)一步導(dǎo)致卡阻。所以在抓具設(shè)計(jì)之初，在機(jī)械結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)對(duì)抓具相關(guān)薄弱點(diǎn)的優(yōu)化與改進(jìn)就顯得十分必要了。

3 海外“華龍一號(hào)”可燃毒物組件抓具機(jī)械結(jié)構(gòu)改進(jìn)

3.1 可燃毒物組件抓具與阻流塞(阻力塞)抓具的分離

以往核電項(xiàng)目的可燃毒物組件抓具往往同阻流塞(又稱阻力塞，以下均稱“阻流塞”)組件抓具集成在同一抓具中，通過(guò)手輪驅(qū)動(dòng)圈數(shù)來(lái)控制抓具上升的高度。就提升高度而言，可燃毒物組件提升高度較高(海外30萬(wàn)kW機(jī)組為3365 mm，海外“華龍一號(hào)”機(jī)組為4035 mm)，阻流塞組件提升高度較低(海外30萬(wàn)kW機(jī)組為378 mm，海外“華龍一號(hào)”機(jī)組為400 mm)。這種將可燃毒物組件抓具與阻流塞組件集成在同一抓具的提升操作是通過(guò)調(diào)整自鎖鉤環(huán)來(lái)限制抓具上升高度的。譬如在抓取阻流塞組件時(shí)，需將自鎖鉤環(huán)鋼絲繩放松，可燃毒物組件導(dǎo)向裝置處于自鎖狀態(tài)，這時(shí)，抓具抓取的組件提升高度將被限制，因此只能用于抓取行程較低的阻流塞組件。但實(shí)際操作過(guò)程中，往往會(huì)由于在抓取阻流塞組件時(shí)，操作工人忘記將自鎖鉤環(huán)鋼絲繩放松，而出現(xiàn)將阻流塞組件抓取高度過(guò)高的誤操作，造成抓具損傷。以海外某核電30萬(wàn)kW機(jī)組為例，海外“華龍一號(hào)”抓具的改進(jìn)之處可見(jiàn)表1。

表1 海外某30萬(wàn)kW機(jī)組與海外“華龍一號(hào)”可燃毒物組件抓具的對(duì)比Table 1 Comparison of the burnable poison assembly handing tools between an overseas 300 MW unit and overseas Hualong One

從第2節(jié)的介紹可以得知，可燃毒物組件抓具本身是一個(gè)操作復(fù)雜，易發(fā)生故障的抓具?？紤]到抓具使用階段是分秒必爭(zhēng)的核電廠換料時(shí)期，為了降低抓具的故障發(fā)生率，避免影響換料，首先將可燃毒物組件同阻流塞組件分離，變成兩個(gè)抓具是十分有必要的。

3.2 對(duì)誤操作的防范

3.2.1 機(jī)械限位的設(shè)置

以往的可燃毒物組件抓具多為人工操作，通過(guò)手輪驅(qū)動(dòng)圈數(shù)控制抓具上升的高度，容易出現(xiàn)手輪驅(qū)動(dòng)圈數(shù)錯(cuò)誤而導(dǎo)致抓具上升高度錯(cuò)誤的現(xiàn)象。海外“華龍一號(hào)”可燃毒物組件抓具在行程上段終點(diǎn)設(shè)置了機(jī)械限位，從而可有效避免人為誤操作產(chǎn)生的超行程現(xiàn)象。

3.2.2 初始位的設(shè)置

以往的核電廠該抓具的設(shè)計(jì)使用過(guò)程中，可能由于未設(shè)置初始位，導(dǎo)致抓頭始終處于抓取位置，極易出現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)誤操作導(dǎo)致抓頭連接管被頂彎。在海外“華龍一號(hào)”可燃毒物組件抓具的機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中，設(shè)置了抓具初始位(在零位上方100 mm處)，非使用狀態(tài)下，抓具從零位退回停留在初始位，避免了抓頭與組件頭部碰撞，導(dǎo)致抓頭連接管被頂彎。

3.3 避免可燃毒物組件卡阻在抓具中而進(jìn)行的機(jī)械結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

3.3.1 避免可燃毒物組件卡在支撐板上而進(jìn)行的改進(jìn)

從以往核電廠該設(shè)備使用反饋的問(wèn)題來(lái)看，可燃毒物組件(棒束)在插回過(guò)程中由于抓具中心與支撐板中心產(chǎn)生較大偏差，或者棒束與支撐板間隙過(guò)小，往往會(huì)出現(xiàn)可燃毒物組件(棒束)卡在支撐板的現(xiàn)象。海外“華龍一號(hào)”的可燃毒物組件抓具棒束與支撐板理論間隙為9.72 mm/9.74 mm(見(jiàn)圖1)，而海外某核電30萬(wàn)kW機(jī)組為9.07 mm。所以，若可燃毒物組件棒束無(wú)嚴(yán)重彎曲，同時(shí)抓具頭與支撐板中心位置偏差在要求范圍內(nèi)，將不會(huì)出現(xiàn)組件卡在支撐板上的現(xiàn)象。

圖1 棒束與支撐板理論間隙9.72 mm/9.74 mmFig.1 The theoretical gap between the rod bundle and the supporting plate is 9.72 mm/9.74 mm

3.3.2 避免可燃毒物組件卡在導(dǎo)向耙而進(jìn)行的改進(jìn)

導(dǎo)向耙裝置是可燃毒物組件抓具定位、導(dǎo)向組件棒束的關(guān)鍵部件。從以往的海外核電廠經(jīng)驗(yàn)反饋來(lái)看，可燃毒物組件棒束極易出現(xiàn)卡在導(dǎo)向耙上出現(xiàn)無(wú)法釋放的現(xiàn)象，海外“華龍一號(hào)”在結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上采取了以下措施來(lái)著重避免此問(wèn)題的出現(xiàn)：

1)以往海外核電項(xiàng)目可燃毒物組件抓具的設(shè)計(jì)中導(dǎo)向耙剛度可能較低，較易變形，而海外“華龍一號(hào)”導(dǎo)向耙的支架為一個(gè)整體，支架自身變形相對(duì)較小，對(duì)比見(jiàn)圖2、圖3。

圖2 海外某核電30萬(wàn)kW機(jī)組導(dǎo)向耙通過(guò)兩側(cè)兩個(gè)獨(dú)立的支架連接Fig.2 The guide harrow of an overseas 300 MW nuclear power unit is connected by two independent supports on both sides

圖3 海外“華龍一號(hào)”導(dǎo)向耙通過(guò)一個(gè)整體支架連接Fig.3 The guide harrow of an overseas Hualong One is connected by an integral support

2)海外“華龍一號(hào)”可燃毒物組件抓具與以往海外核電廠可燃毒物組件抓具導(dǎo)向耙定位原理與結(jié)構(gòu)有區(qū)別與重大改進(jìn)，海外“華龍一號(hào)”可燃毒物組件抓具設(shè)計(jì)較海外某核電30萬(wàn)kW機(jī)組設(shè)計(jì)定位失效的可能性低：海外某核電30萬(wàn)kW機(jī)組可燃毒物組件抓具的組件棒束中有4根棒束是由通過(guò)導(dǎo)向耙合抱定位(見(jiàn)圖4)。而合抱定位的方式并不可靠，一旦導(dǎo)向耙翻轉(zhuǎn)角度出現(xiàn)偏差，即可能會(huì)導(dǎo)致這4根棒束定位失效。海外“華龍一號(hào)”可燃毒物組件抓具的所有組件棒束全部均由兩個(gè)方向的導(dǎo)向耙的導(dǎo)向齒交錯(cuò)形成定位孔來(lái)定位(見(jiàn)圖5)，這種定位方式可以更加嚴(yán)格、有效地約束組件棒束。反應(yīng)后的組件棒束即使存在一定的變形，也可以通過(guò)這種定位方式得到一定的修正。

圖4 海外某核電30萬(wàn)kW機(jī)組中4根棒束通過(guò)合抱定位Fig.4 Four rod bundles in an overseas 300 MW nuclear power unit are positioned by embracing

圖5 海外“華龍一號(hào)”所有棒束均由導(dǎo)向耙的導(dǎo)向齒交錯(cuò)形成定位孔來(lái)定位Fig.5 All rod bundles of an overseas Hualong One are positioned by the guide teeth of the guide harrow staggered to form positioning holes

3)海外“華龍一號(hào)”可燃毒物組件抓具在兩組導(dǎo)向耙形成的定位原理與精度方面做了重大改進(jìn)與提升。以往的可燃毒物組件棒束會(huì)頻繁出現(xiàn)卡在導(dǎo)向耙位置，可能是因?yàn)榘羰诓寤厝剂辖M件過(guò)程中，定位精度不足，棒束未正確插入燃料組件，而抓具仍繼續(xù)下降，棒束被擠壓彎曲變形，從而導(dǎo)致組件卡阻于導(dǎo)向耙位置。以海外某核電30萬(wàn)kW機(jī)組為例，海外“華龍一號(hào)”抓具兩組導(dǎo)向耙形成的定位方孔與棒束之間的間隙，比海外某核電30萬(wàn)kW機(jī)組抓具定位孔與棒束之間的間隙?。呵罢邔?dǎo)向耙定位齒縫寬度為 10.2 mm，棒束直徑為φ9.7 mm(見(jiàn)圖6)；而后者定位齒縫寬度為13 mm/11 mm，棒束直徑為φ10 mm(見(jiàn)圖7)。抓具導(dǎo)向耙定位精度相對(duì)更精確，可有效減小棒束因定位偏移過(guò)大而無(wú)法準(zhǔn)確插入燃料組件的可能。

圖6 海外某核電30萬(wàn)kW機(jī)組定位齒縫寬度13 mm/11 mm(棒束直徑10 mm)Fig.6 The width ofthe locating slot of a 300 MW overseas nuclear power unit is 13 mm/11 mm (rod bundle diameter is 10 mm)

圖7 海外“華龍一號(hào)”定位齒縫寬度10.2 mm(棒束直徑9.7 mm)Fig.7 The positioning slot width 10.2 mm (rod bundle diameter 9.7 mm) of overseas Hualong One

3.3.3 避免可燃毒物組件外套筒故障導(dǎo)致組件與工具無(wú)法脫離而進(jìn)行的改進(jìn)

可燃毒物組件抓具抓取組件的抓頭主要是轉(zhuǎn)動(dòng)上部手柄驅(qū)動(dòng)撥叉撥指帶動(dòng)外套筒轉(zhuǎn)動(dòng)從而鎖定抓頭，當(dāng)出現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)上部手柄無(wú)法使撥叉帶動(dòng)外套筒轉(zhuǎn)動(dòng)，或外套筒行程不到位的故障情況，就會(huì)導(dǎo)致可燃毒物組件與可燃毒物組件抓具無(wú)法脫離。為避免此問(wèn)題的出現(xiàn)，海外“華龍一號(hào)”可燃毒物組件抓具在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上進(jìn)行了改進(jìn)：撥叉軸上、下部支撐面均設(shè)有銅套，而不是奧氏體不銹鋼之間直接相互接觸。不銹鋼與銅套配合可有效降低摩擦力，避免了不銹鋼之間的直接接觸造成咬死的可能。同時(shí)，操作手柄與撥叉軸之間傳動(dòng)力矩的圓柱銷直徑6 mm，安全系數(shù)冗余量足夠，應(yīng)不會(huì)被扭轉(zhuǎn)力剪斷。

4 結(jié)論

海外“華龍一號(hào)”可燃毒物組件抓具總結(jié)了之前國(guó)內(nèi)外核電項(xiàng)目同類設(shè)備的經(jīng)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了與阻流塞抓具的分離，設(shè)置了抓具機(jī)械限位、初始位，同時(shí)在避免可燃毒物組件卡在支撐板、導(dǎo)向耙、外套筒對(duì)抓具機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了針對(duì)性改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備性能的重大提升。根據(jù)海外“華龍一號(hào)”項(xiàng)目業(yè)主等相關(guān)單位反饋的情況，海外“華龍一號(hào)”可燃毒物組件抓具得到了一致好評(píng)，實(shí)現(xiàn)了“安全又高效、好用又耐用”的既定目標(biāo)。