堆內(nèi)構(gòu)件在役維修水下電火花成形裝備關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)

陳 罡，張永平

（1.寧波職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，浙江 寧波 315800；2.寧波市博虹機(jī)械制造開發(fā)有限公司，浙江 寧波 315010）

在核電廠運(yùn)行與維護(hù)過程中，要求具備在輻射、水下、遠(yuǎn)程控制等特定環(huán)境下對(duì)機(jī)械設(shè)備、結(jié)構(gòu)進(jìn)行切割、成形、修復(fù)等工藝與設(shè)備，傳統(tǒng)工藝方法在此應(yīng)用環(huán)境中有其局限性。水下電火花成形技術(shù)主要用于核電站堆內(nèi)設(shè)備在水中的機(jī)械成形，如表面平整成形，螺紋預(yù)制孔、銷孔、沉孔、盲孔等孔的成形，鍵槽的成形，斷絲錐、鉆頭，銹住的螺栓、冶金樣品的提取等，以及對(duì)堆內(nèi)壓緊部件、吊籃筒體、圍板、幅板上的螺釘進(jìn)行檢修和更換。

水下電火花成形技術(shù)是核電廠運(yùn)行、維護(hù)、退役過程中切割、成形的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前，國(guó)內(nèi)核電廠在該領(lǐng)域的應(yīng)用基本由國(guó)外壟斷，成本高昂。美國(guó)某公司將電火花成形技術(shù)應(yīng)用于核電廠維修的設(shè)備、結(jié)構(gòu)的成形及切割工況，其采用液壓控制驅(qū)動(dòng)原理，成形精度還有待進(jìn)一步提高[1]。俄羅斯使用電成形切割水下設(shè)備，成形過程中會(huì)產(chǎn)生許多飛濺物，需后續(xù)多次修整，故成形精度差、時(shí)間長(zhǎng)，且不能用于水下成形等工藝[2]。

本文的核電廠水下電火花成形裝置可應(yīng)用于水下成形、切割、表面平整等多個(gè)工況，不同應(yīng)用的電極驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)與脈沖電源相同，可通過統(tǒng)一接口夾持成形電極，具有良好的互換性。同時(shí)，電極驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，安裝互換便捷，成形精度與速度滿足各個(gè)工況要求。

1 水下電火花成形結(jié)構(gòu)

水下電火花成形裝置在核輻照劑量較強(qiáng)的水下工作，實(shí)現(xiàn)核電站堆內(nèi)構(gòu)件吊籃筒體與輻板圍板組件螺釘修復(fù)。其主要功能為：新螺栓所需沉孔的擴(kuò)大及防松位成形，同時(shí)具備對(duì)不銹鋼管進(jìn)行切割分段，對(duì)輻照監(jiān)督管支架上的釘、銷和角焊縫進(jìn)行切除成形，以及成形螺紋底孔和銷底孔的功能。

針對(duì)螺釘修復(fù)加工的具體需求及環(huán)境特點(diǎn)，水下電火花成形裝置的整體設(shè)計(jì)見圖1。通過運(yùn)輸平臺(tái)把水下電火花成形裝置送到堆內(nèi)構(gòu)件需要修復(fù)的位置，通過電氣控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電極做水平運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)圍板組件螺釘修復(fù)。水下電火花成形裝置主要由電極驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及其推進(jìn)裝置、各類電極與工裝夾具、電氣控制系統(tǒng)、脈沖電源及壓力水冷卻沖洗輔助系統(tǒng)等構(gòu)成，電極驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)是該裝置的關(guān)鍵功能部件[3]。

圖1 水下電火花成形裝置示意圖

2 關(guān)鍵功能部件設(shè)計(jì)

2.1 電極驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

電極驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是水下電火花成形裝置的關(guān)鍵部件之一。由電火花控制系統(tǒng)控制電機(jī)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，電機(jī)通過同步帶實(shí)現(xiàn)主驅(qū)動(dòng)軸的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)由導(dǎo)軌上的光柵尺位置信號(hào)反饋電火花成形深度信息，其成形精度較高。電極驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與電極夾具采用標(biāo)準(zhǔn)化的統(tǒng)一接口，因此適合于不同的成形工況，更換方便。電極驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2，主要包括：

（1）透明防水罩部件：主要功能為保證成形過程中的污水不向外擴(kuò)散，該裝置通過進(jìn)出水口與外部過濾裝置相連接，利用過濾達(dá)到成形區(qū)域水質(zhì)凈化的效果。透明防水罩由電極驅(qū)動(dòng)頭部件防水罩和成形加工前防水罩構(gòu)成。

（2）電極驅(qū)動(dòng)頭部件：通過連接不同電極和夾具部分，調(diào)整成形過程中不同的位置，在主軸的往復(fù)運(yùn)動(dòng)中實(shí)現(xiàn)放電成形，同時(shí)提供加工深度數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)加工閉環(huán)控制，在安全方面具有行程限位裝置，保護(hù)運(yùn)動(dòng)部件不受損壞。該部件是整個(gè)水下電火花成形裝置的重要部件，其主體和部分結(jié)構(gòu)件采用鑄鋁，最大限度地減少自重，外部用不銹鋼罩通過密封條絕對(duì)密封，在罩體上部裝有透明可視窗，以備在不拆卸主體結(jié)構(gòu)的情況下隨時(shí)觀測(cè)內(nèi)部運(yùn)動(dòng)部件狀況及是否有滲水等意外發(fā)生，便于檢修。

（3）驅(qū)動(dòng)頭底座攝像頭部件：該部件是電極驅(qū)動(dòng)頭部件的安裝平臺(tái)，與運(yùn)輸平臺(tái)的過渡連接裝置。在驅(qū)動(dòng)頭底座安裝攝像監(jiān)控部件、電氣連接輸送線繞輪、電極內(nèi)沖水水泵及支架等裝置。水下用攝像裝置穿過透明防水罩，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電火花成形加工狀況。

圖2 水下電火花成形裝置電極驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

2.2 電極裝置密封設(shè)計(jì)

要實(shí)現(xiàn)水下成形，電極裝置的密封設(shè)計(jì)極為重要。本裝置的主驅(qū)動(dòng)軸貫穿箱體的密封由三道密封結(jié)構(gòu)構(gòu)成，分別為外動(dòng)密封組件、內(nèi)動(dòng)密封組件和伸縮密封組件。這三道密封結(jié)構(gòu)和箱體組件構(gòu)成完整的密封空間，步進(jìn)電機(jī)組件、滑動(dòng)導(dǎo)軌組件等部件均安裝在此密封空間內(nèi)，從而保證水下成形的順利進(jìn)行。

水下電火花成形密封裝置見圖3，主要由外動(dòng)密封套環(huán)、外動(dòng)密封O型圈、內(nèi)動(dòng)密封O型圈、內(nèi)動(dòng)密封套環(huán)、伸縮密封套等零部件組成，結(jié)合箱體的前面板、底板及箱體罩形成完整的密封空間，主驅(qū)動(dòng)軸貫穿O型密封圈與伸縮密封套進(jìn)行前后進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。外動(dòng)密封O型圈安裝在外動(dòng)密封套環(huán)上，形成第一層動(dòng)密封，外動(dòng)密封套環(huán)通過螺栓安裝于箱體前面板外側(cè)，外動(dòng)密封O型圈采用鼓型O型橡膠圈。內(nèi)動(dòng)密封O型圈安裝在內(nèi)動(dòng)密封套環(huán)上，形成第二層動(dòng)密封，內(nèi)動(dòng)密封套環(huán)通過螺栓安裝于箱體前面板內(nèi)側(cè)，內(nèi)動(dòng)密封O型圈采用金屬套環(huán)型橡膠圈。當(dāng)水通過第一層密封面時(shí)，由第二層密封進(jìn)行隔絕，防止水向箱體內(nèi)滲入。伸縮密封套為第三層密封結(jié)構(gòu)，其為伸縮套形式，可隨著主驅(qū)動(dòng)軸做前后伸縮運(yùn)動(dòng)，該層密封主要截留滲過第一、二層的水，作為最終的密封層，并可將水保存在伸縮套密封空間內(nèi)，使?jié)B入的水不會(huì)對(duì)步進(jìn)電機(jī)、光柵尺等重要零部件產(chǎn)生影響。

圖3 水下電火花成形密封裝置

2.3 電氣控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)與脈沖電源系統(tǒng)采用自主技術(shù)來實(shí)現(xiàn)在去離子水中進(jìn)行電火花成形放電。水下電火花放電的介質(zhì)為含硼去離子水，而非常用的電火花成形工作液。由于水的電導(dǎo)率高于電火花工作液，即放電擊穿前的能量衰減較大，為了盡量減少衰減的能量，設(shè)計(jì)了并聯(lián)電容加速擊穿電路，加快火花擊穿的速度，從而降低能量衰減，滿足在含硼去離子水中的電火花成形加工。

水下電火花成形機(jī)床的控制器和驅(qū)動(dòng)部分的距離較長(zhǎng)，通常比常規(guī)設(shè)備的傳輸距離大5倍以上，且工作環(huán)境存在較強(qiáng)的核輻射，所以水下電火花成形機(jī)床需有較好的抗衰減和抗干擾能力。常規(guī)電火花成形機(jī)床的光柵尺信號(hào)傳輸采用TTL信號(hào)，接收端采用RC濾波；針對(duì)水下成形，光柵尺的信號(hào)傳輸采用差分電路RS422信號(hào)，接收端采用RC濾波[4]。采用L-C濾波器會(huì)降低負(fù)載阻抗，從而增加濾波效果，發(fā)揮濾波器的作用及降低干擾。為了抑制高頻對(duì)智能控制裝置的干擾，采用低通濾波器濾除電路中的高頻成分，從而改善脈沖電源質(zhì)量。由于傳感器信號(hào)長(zhǎng)距離傳輸?shù)乃p，為了能在10 m以下的深水中正常放電，采用RS422信號(hào)傳輸標(biāo)準(zhǔn)可有效滿足核電站水深的電火花成形加工要求。

為了克服岸上操作平臺(tái)與水下電火花加工距離較遠(yuǎn)的問題，研制了遠(yuǎn)程便攜式電火花控制盒，可在岸上調(diào)試平臺(tái)模擬調(diào)試；在水下成形電極對(duì)刀時(shí)，通過攝像監(jiān)控裝置進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)及快速精確控制，從而實(shí)現(xiàn)水下復(fù)雜情況下的控制要求。

3 實(shí)驗(yàn)分析

3.1 密封性能實(shí)驗(yàn)

密封性能實(shí)驗(yàn)包括常壓和加壓兩項(xiàng)動(dòng)密封性能實(shí)驗(yàn)，電火花加工電極及其推進(jìn)裝置的工作環(huán)境為水下1～10 m，硼的質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2%、水溫≤50℃的去離子水環(huán)境。

3.1.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

如圖4所示，將電極驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)樣機(jī)置于密閉水箱底部，樣機(jī)與水箱通過耐壓中空管連接于水箱頂部，連接樣機(jī)和控制電柜的電源線和數(shù)據(jù)線通過耐壓中空管與水密封隔離，水箱頂部與氣源穩(wěn)壓器通過高壓氣管連接，在加壓實(shí)驗(yàn)中提供0.1 MPa的外部壓力，模擬10 m水壓實(shí)驗(yàn)的壓力要求。實(shí)驗(yàn)過程中，樣機(jī)在控制電柜驅(qū)動(dòng)下做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，模擬水下放電成形動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)水下模擬成形密封實(shí)驗(yàn)。

圖4 密封性能實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)圖

3.1.2 常壓動(dòng)密封性能實(shí)驗(yàn)

常壓動(dòng)密封實(shí)驗(yàn)無需加載0.1 MPa氣壓，由控制電柜控制電極驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在至少0.5 m水中做全行程進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，并持續(xù)24 h。實(shí)驗(yàn)過程中，全行程不得少于110 mm，驅(qū)動(dòng)頻率為100次/min，目測(cè)檢查是否有滲透，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行是否平穩(wěn)。

常壓動(dòng)密封實(shí)驗(yàn)歷時(shí)31 h后，將樣機(jī)放于水箱底部，水位高度為0.7 m。實(shí)驗(yàn)過程中，主軸頭在全行程113.5 mm做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，頻率為100次/min，動(dòng)態(tài)目測(cè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行是否平穩(wěn)、無震動(dòng)，密封效果是否良好。

3.1.3 加壓動(dòng)密封性能實(shí)驗(yàn)

在常壓動(dòng)密封實(shí)驗(yàn)后，加載0.1 MPa氣壓，模擬10 m水深繼續(xù)進(jìn)行加壓動(dòng)密封性能實(shí)驗(yàn)?？刂齐姌O驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在水中做全行程進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，并持續(xù)24 h。實(shí)驗(yàn)過程中，全行程不得少于110 mm，驅(qū)動(dòng)頻率為100次/min，目測(cè)檢查是否有滲透，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行是否平穩(wěn)。

高壓動(dòng)密封實(shí)驗(yàn)歷時(shí)28 h，主軸頭在全行程113.5 mm做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，頻率為100次/min。水箱內(nèi)的高壓氣泵注氣恒定加壓至0.1 MPa，模擬10 m深水水壓；期間，極限加壓至0.5 MPa，模擬50 m深水水壓，運(yùn)行1 h。動(dòng)態(tài)目測(cè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行是否平穩(wěn)、無震動(dòng)，密封效果是否良好。

3.1.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

如圖5所示，通過常壓與加壓兩類動(dòng)密封性能實(shí)驗(yàn)，對(duì)樣機(jī)進(jìn)行拆解檢測(cè)，結(jié)果顯示箱體內(nèi)無任何滲水現(xiàn)象，各運(yùn)動(dòng)部件均完好且運(yùn)行正常。實(shí)驗(yàn)分別采用DK35、DK701密封圈進(jìn)行主軸兩次密封，目測(cè)密封圈拆解過程發(fā)現(xiàn)，第一道DK35密封圈有少量滲水，存儲(chǔ)于兩道密封圈之間；第二道DK701密封圈無滲水現(xiàn)象，密封效果良好，主軸表面與密封圈接觸部位光滑，出現(xiàn)的少量磨痕不影響使用。

圖5 實(shí)驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果

3.2 各工況成形性能實(shí)驗(yàn)

3.2.1 成形幅板螺釘所需的沉孔

加工實(shí)驗(yàn)所需的水溫、硼濃度同密封性能實(shí)驗(yàn)相同。加工沉孔的直徑為41.00 mm，成形深度為21.50 mm，成形電極材料為石墨EDM-200，共采用三道工序完成，各工序的成形參數(shù)見表1。加工結(jié)果見圖6。

表1 沉孔加工參數(shù)

圖6 成形效果與成形電極

3.2.2 吊籃筒體壁平整去毛刺加工

本實(shí)驗(yàn)對(duì)操作面為150 mm×135 mm的表面進(jìn)行平整加工，采用了三種不同的成形參數(shù)（表2），加工電極材料為石墨EDM-200。加工結(jié)果見圖7，三次加工半小時(shí)內(nèi)的加工深度分別為0.671、0.953、1.077 mm，加工表面粗糙度Ra值分別為5.3、5.9、6.3 μm，滿足表面平整修復(fù)的要求。

表2 平整加工參數(shù)

圖7 三種加工效果對(duì)比圖

4 結(jié)束語

針對(duì)核電站不同的堆內(nèi)構(gòu)件，吊籃筒體與輻板圍板組件螺釘修復(fù)成形中提出的要求，為實(shí)現(xiàn)在不同工況下的電極、夾持裝置和電極驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通配連接的要求，設(shè)計(jì)了水下電火花成形裝備。通過工況實(shí)驗(yàn)測(cè)試和檢測(cè)數(shù)據(jù)分析可知，水下電火花系統(tǒng)滿足堆內(nèi)構(gòu)件修復(fù)的工程要求。水下環(huán)境的電極驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在核電堆內(nèi)修復(fù)領(lǐng)域不僅具有開創(chuàng)性的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，還填補(bǔ)了技術(shù)空白。開發(fā)的水下電火花加工裝置可廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)不同系列的核電站，根據(jù)不同的工況要求滿足電站運(yùn)行與維護(hù)的需求。