堆內(nèi)構(gòu)件在役維修技術(shù)研究

黃 然,沈秋平,陳志清,焦向東,項(xiàng)達(dá)章,張永平

(1.上海核工程研究設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200233；2.北京石油化工學(xué)院，北京 102617；3.江蘇海獅泵業(yè)制造有限公司，江蘇 靖江 214537；4.江蘇省艾格森數(shù)控設(shè)備制造有限公司，江蘇 宿遷 223800)

反應(yīng)堆堆內(nèi)構(gòu)件是核電廠的核安全一級(jí)設(shè)備，位于反應(yīng)堆壓力容器內(nèi)，起支承和定位核燃料組件、提供冷卻劑流道和流量分配、為控制棒導(dǎo)向以及屏蔽中子和γ射線的作用。堆內(nèi)構(gòu)件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大，制造加工精度高，所處工作環(huán)境惡劣。在高溫、高壓、高輻照、流體沖擊以及振動(dòng)的共同作用下，隨著時(shí)間無法避免地會(huì)產(chǎn)生疲勞損傷或破壞，使得結(jié)構(gòu)連接件與緊固件磨損，甚至斷裂，并最終有可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)堆內(nèi)構(gòu)件喪失完整性和功能，釀成不可估量的事故。

為保證核電廠反應(yīng)堆的安全穩(wěn)定運(yùn)行，非常有必要通過有目的、有針對(duì)性地對(duì)堆內(nèi)構(gòu)件檢維修關(guān)鍵技術(shù)展開重點(diǎn)研究，自主開發(fā)掌握相關(guān)技術(shù)和工具，形成解決方案與應(yīng)對(duì)措施。

1 國內(nèi)外現(xiàn)狀及背景

國內(nèi)外核電業(yè)界與同行對(duì)反應(yīng)堆堆內(nèi)構(gòu)件在役維修相當(dāng)重視，并先后開展了相關(guān)研究工作。1998年10月6日至9日，國際原子能機(jī)構(gòu)核電廠壽命管理機(jī)構(gòu)國際工作組在捷克共和國首都布拉格召開堆內(nèi)構(gòu)件運(yùn)行情況專題會(huì)，對(duì)堆內(nèi)構(gòu)件的故障模式、檢查方法及維修技術(shù)的改進(jìn)給予了極大關(guān)注。

2001年秦山一期出現(xiàn)反應(yīng)堆堆內(nèi)構(gòu)件輻照監(jiān)督管支撐結(jié)構(gòu)松動(dòng)，在高速水流沖擊下導(dǎo)致輻照監(jiān)督管支撐彈簧斷裂脫落，破壞燃料組件的鋯-4合金包殼，造成反應(yīng)堆第一道屏障失效的事件。2002年重金聘請(qǐng)美國西屋公司對(duì)支撐結(jié)構(gòu)松動(dòng)給予成功修復(fù)。源自秦山一期30萬千瓦堆型的巴基斯坦恰?，敽穗娬綜1工程存在同樣的問題，2008年由秦山核電牽頭，借助外部力量，在反應(yīng)堆停堆換料時(shí)采取專項(xiàng)檢修，才得以解決。

為滿足核電廠反應(yīng)堆高輻射環(huán)境水下檢修維護(hù)作業(yè)的需求，發(fā)達(dá)國家開發(fā)了多種高科技檢修裝置或機(jī)器人系統(tǒng)，作業(yè)效果非常顯著。比如，在美國能源部資助下美國REDZONE機(jī)器人公司開發(fā)的遠(yuǎn)程控制單臂機(jī)器人，能在核反應(yīng)堆環(huán)境下具有一定的移動(dòng)距離、良好的可靠性和柔性以及較大的負(fù)載能力；美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室(ORNL)為芝加哥CP-5反應(yīng)堆研制的雙臂操作機(jī)器人系統(tǒng)，可以完成搬運(yùn)、拆卸等作業(yè)任務(wù)；日本東京電力公司為應(yīng)付福島事故后的核廢料清理工作，專門定制的爬行機(jī)器人Quince，可在核電站廢墟中靈活的剪斷、拾起廢材料等[1]。

2 堆內(nèi)構(gòu)件在役維修關(guān)鍵技術(shù)

堆內(nèi)構(gòu)件在役維修技術(shù)屬于核電廠特種維修技術(shù)，受輻照環(huán)境、時(shí)間窗口、安全級(jí)別等多重因素的影響，現(xiàn)場(chǎng)維修時(shí)只能在屏蔽水層以下遠(yuǎn)距離操作。通過對(duì)：(1)水下電火花成形技術(shù)；(2)螺紋成形、螺釘緊固與防松沖壓技術(shù)；(3)三維激光和水下測(cè)量技術(shù)；(4)水下加工裝備輸送及定位夾持系統(tǒng)(TDS)；(5)水下吸塵裝置；(6)水下焊接技術(shù)；(7)水下浮游探測(cè)器；(8)模擬試驗(yàn)及臺(tái)架等八項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入研究與開發(fā)，建立一整套堆內(nèi)構(gòu)件在役維修技術(shù)及操作樣機(jī)，可基本解決堆內(nèi)構(gòu)件吊籃筒體與輻板圍板組件螺釘更換，以及吊籃筒體外側(cè)輻照監(jiān)督管修復(fù)等突出故障問題。操作樣機(jī)主體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 堆內(nèi)構(gòu)件在役維修操作樣機(jī)主體結(jié)構(gòu)Fig.1 The main structure of RVI in-service maintenance prototype

2.1 水下電火花成形技術(shù)

不同于普通工業(yè)中的電火花加工，堆內(nèi)構(gòu)件在役維修的水下電火花成形技術(shù)采用含硼去離子水作為工作介質(zhì)，目前在國內(nèi)市場(chǎng)極少有成功的實(shí)際工程應(yīng)用。

該水下電火花加工裝置(見圖2)主要由控制電柜(包括脈沖電源與控制系統(tǒng))、試驗(yàn)水箱、電極驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、工況模擬件、電極沖水系統(tǒng)及去離子水系統(tǒng)、電導(dǎo)率測(cè)試儀等組成。其中，控制電柜提供脈沖電源與電火花的加工控制；試驗(yàn)水箱提供加工平臺(tái)和容器；電極驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)裝夾加工電極，執(zhí)行加工動(dòng)作；電極沖水系統(tǒng)在電極加工時(shí)定向沖水，改善排屑效果；去離子水系統(tǒng)提供滿足要求的水質(zhì)[5]。

圖2 水下電火花加工裝置Fig.2 The underwater EDM device

為解決換料水池12 m水深壓力下傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和連接件的防水、防銹以及潤滑問題，在裝置的箱體前面板、底板及箱體罩之間首次運(yùn)用三層密封隔離方式，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前后進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，隔絕了外部環(huán)境水滲入箱體內(nèi)，影響伺服電機(jī)、光柵尺等電氣元件。既起到了密封作用，又可防止裝置腔內(nèi)空氣壓力過高。

為掌握在去離子水中正常加工的電導(dǎo)率閾值，確定水的電導(dǎo)率對(duì)加工性能的影響，即不同電導(dǎo)率條件下加工精度及性能與加工后尺寸精度及表面粗糙度的關(guān)系，通過選擇不同的電導(dǎo)率介質(zhì)進(jìn)行平面加工性能比較試驗(yàn)，實(shí)時(shí)測(cè)量并取得相應(yīng)的電導(dǎo)率波形曲線(見圖3)。

電導(dǎo)率/(μs/cm)工件電極電極損耗/mm粗糙度加工深度/mm加工時(shí)間0.70.33.22.52 h50 min20.353.22.63 h100.43.22.53 h1250.43.22.43 h10 min

圖3 水下電火花平面加工電導(dǎo)率影響Fig.3 The effect of electrical conductivity on underwater EDM machining plane

同樣，為獲得不同材質(zhì)電極加工的性能特性，采用各性能參數(shù)和材料的電極，如紫銅、石墨等(不同顆粒度大小、硬度指標(biāo)等)進(jìn)行大量試驗(yàn)，驗(yàn)證了在加工不同材料、不同介質(zhì)電導(dǎo)率時(shí)的加工性能(見表1)。

表1 水下電火花電極性能比較Table 1 Underwater EDM electrode performance comparison

通過試驗(yàn)與分析表明，在核電廠去離子水中進(jìn)行電火花加工時(shí)，電導(dǎo)率值總體平穩(wěn)，但隨著加工過程中碎屑的增多，去離子水中帶電導(dǎo)體的增加，電導(dǎo)率值成緩步上升的趨勢(shì)。采用水下吸塵裝置及時(shí)清理水中的加工碎屑，可有效抑制電導(dǎo)率值保持穩(wěn)定。在相同的電控參數(shù)下，不同等級(jí)的石墨電極對(duì)粗糙度影響小，但隨著電極顆粒度的增加，電極致密度降低，加工過程中損耗增大。同種加工深度，加工時(shí)間基本相同，不同等級(jí)電極對(duì)加工時(shí)間影響小，加工時(shí)間主要取決于電控參數(shù)。但紫銅電極與石墨電極在去離子水中加工特性差別較大，加工相同深度深孔，紫銅電極加工時(shí)間、損耗都較石墨電極大。

2.2 螺紋成形、螺釘緊固與防松沖壓技術(shù)

對(duì)于堆內(nèi)構(gòu)件圍輻板及輻照監(jiān)督管支架螺釘、銷的水下安裝、固定和防松，最直接的解決辦法是采用長柄專用工具進(jìn)行遠(yuǎn)程操作和控制。通過研制水下遠(yuǎn)距離螺釘和防松帽安裝工具、防松安裝與鎖緊工具、攻絲工具、鉸孔工具、銷安裝工具等一系列專用工藝裝備和器具，逐漸掌握攻絲、螺紋緊固及防松帽沖壓的工藝方法，確定出螺栓的擰緊力矩和防松帽沖壓的力度。

以堆內(nèi)構(gòu)件上規(guī)格M20×65的螺釘為例，最終可實(shí)現(xiàn)螺釘緊固力矩500 N·m，防松帽防松沖壓力達(dá)750 N，以及1件/5分鐘的工作效率。同時(shí)一體化設(shè)計(jì)執(zhí)行相似操作的工具，增強(qiáng)互換性，方便操作，使得整體結(jié)構(gòu)更加緊湊，功能更加完備。

2.3 三維激光和水下測(cè)量技術(shù)

考慮水上與水下的兩種不同工況，實(shí)際測(cè)量時(shí)對(duì)水上大型組件制造與裝配形位公差的測(cè)量以及設(shè)備空間幾何尺寸的測(cè)量，采用三維激光測(cè)量系統(tǒng)。由調(diào)平后三維激光跟蹤儀逐一掃描設(shè)定的靶點(diǎn)，在Spatial Analyzer軟件(SA)中構(gòu)造成平面，得到每個(gè)點(diǎn)的直線距離和水平度。而在水下則利用孔徑/孔距測(cè)量工具、水下測(cè)量基準(zhǔn)、徑向距離測(cè)量工具、間隙測(cè)量工具等遠(yuǎn)距離定位和測(cè)量對(duì)象的孔徑、孔距、距離、間隙等幾何量，來判斷空間平面的幾何變形，為修正提供依據(jù)。

2.4 水下加工裝備輸送及定位夾持系統(tǒng)(TDS)

作為堆內(nèi)構(gòu)件在役維修的基礎(chǔ)工作平臺(tái)，水下加工裝備輸送及定位夾持系統(tǒng)(TDS)為每一步工藝流程提供水上水下的精確傳輸與定位支撐，以及壓空、液壓、電力和操作空間。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)高9 m，水下部分3～7 m，采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)8 m長軸絲桿，最大輸送距離7.4 m，承載量約300 kg，工具托盤可水平推進(jìn)152 mm，系統(tǒng)垂直重復(fù)精度可達(dá)到0.1 mm。

借助于TDS系統(tǒng)，在吊籃(下部堆內(nèi)構(gòu)件)法蘭上建立起一個(gè)底層維修臺(tái)架，通過三個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)(維修平臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制子系統(tǒng)、監(jiān)控子系統(tǒng)和水下測(cè)量子系統(tǒng))分布式控制，將各類工裝夾具傳輸?shù)降趸@指定位置進(jìn)行相應(yīng)水下加工，實(shí)現(xiàn)鉆孔、鉸孔、攻絲、打磨平面、切除焊縫、安裝螺栓或定位銷等操作。

2.5 水下吸塵裝置

水下吸塵裝置是一種水流通過式水下過濾裝置，在運(yùn)用水下電火花加工時(shí)，啟動(dòng)水下吸塵裝置能夠及時(shí)凈化過濾水質(zhì)，清除與搜集水中的異物，解決由于電火花(電極)放電產(chǎn)生石墨炭棒粉末和金屬粉末影響水質(zhì)濁度的問題。

針對(duì)核電廠不同的應(yīng)用環(huán)境，研制的三種不同規(guī)格產(chǎn)品(見圖4)，泵最大功率分別為15 HP(四筒)、7.5 HP(雙筒)與4 HP(單筒)，揚(yáng)程可達(dá)16～47 m，過濾精度最小為1 μm。維修操作時(shí)，將其整體吊入水池中，接通筒內(nèi)潛水泵電源，池水被抽入至濾筒內(nèi)過濾后排出，不間斷的形成水流連續(xù)循環(huán)，并將雜質(zhì)和異物截留在濾芯內(nèi)部。

圖4 三種不同規(guī)格的水下吸塵裝置Fig.4 Three different sizes of underwater vacuum cleaners

2.6 水下焊接技術(shù)

按照作業(yè)方式的不同，核電廠水下焊接可以分為水下濕式焊接、水下干式焊接和水下局部干式焊接三種類型。濕式焊接一般采用水下焊條直接進(jìn)行焊接，通常形成的焊縫質(zhì)量較差；干式焊接的焊接質(zhì)量雖然最好，但在堆內(nèi)構(gòu)件維修過程中無法營造一個(gè)全干的焊接環(huán)境。隨著現(xiàn)代自動(dòng)化技術(shù)的提高，水下局部干式自動(dòng)焊接以其相對(duì)經(jīng)濟(jì)、靈活的優(yōu)勢(shì)，逐漸脫穎而出，開始在核電廠水下設(shè)備焊接領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)工程應(yīng)用[2]。

基于水下局部干式MIG全自動(dòng)焊的遙操作堆內(nèi)構(gòu)件維修水下自動(dòng)焊接試驗(yàn)裝置(見圖5)，模擬30 m水深工程環(huán)境，采用水下微型排水氣罩包裹焊槍，形成局部干式空間，突破了焊接機(jī)頭環(huán)境適應(yīng)性、焊接機(jī)頭與焊接件水下相對(duì)運(yùn)動(dòng)控制、排水氣罩氣流穩(wěn)定以及密封墊阻燃、焊接視頻監(jiān)控等關(guān)鍵技術(shù)，解決了水下環(huán)境熔化極氣體保護(hù)焊電弧控制和熔池保護(hù)等技術(shù)難題。

圖5 核電廠檢修水下焊接試驗(yàn)裝置Fig.5 Nuclear power plant maintenance underwater welding test device

在裝置內(nèi)模擬實(shí)際工況對(duì)304與321不銹鋼進(jìn)行堆焊與對(duì)接焊，通過漢諾威弧焊質(zhì)量分析儀對(duì)焊接參數(shù)進(jìn)行采集和分析，并經(jīng)過拉伸試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)和硬度測(cè)試等力學(xué)性能試驗(yàn)以及滲透檢測(cè)、超聲波檢測(cè)和射線檢測(cè)等無損探傷檢驗(yàn)，結(jié)果表明試件焊縫成型良好，焊接質(zhì)量高，強(qiáng)度與各項(xiàng)性能滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求。

2.7 水下浮游探測(cè)器

水下浮游探測(cè)器(ROV)(見圖6)是核輻射環(huán)境下一種有效的水下檢查與監(jiān)視設(shè)施，主要由浮游器本體、綜合控制與監(jiān)測(cè)硬件子系統(tǒng)、控制軟件與信息處理子系統(tǒng)三個(gè)部分組成，具備基本航行、應(yīng)急航行、異物抓取、水下視頻和水下照明等五大功能[4]。

圖6 水下浮游探測(cè)器Fig.6 The underwater floating detector

該裝置結(jié)構(gòu)為攜帶俯仰云臺(tái)的四艙分離本體型式，通過CAN總線控制，最遠(yuǎn)控制距離可達(dá)50 m，能夠自動(dòng)定向、定深運(yùn)動(dòng)和水中長時(shí)間懸停，適用于高輻射、弱酸性的水下核環(huán)境作業(yè)和其他多種水下非核民用領(lǐng)域。

2.8 模擬試驗(yàn)及臺(tái)架

為了驗(yàn)證維修設(shè)備的功能和操作可靠性，按照維修對(duì)象及實(shí)際工作環(huán)境，在12 m×8 m×6 m試驗(yàn)水池內(nèi)設(shè)置試驗(yàn)臺(tái)架和試驗(yàn)件，進(jìn)行輻板螺釘與輻照監(jiān)督管更換1∶1全模擬試驗(yàn)，通過水下電火花去除原螺孔和支架，并重新擴(kuò)孔、絞絲和制作防松槽，安裝新的螺釘、防松帽及輻照監(jiān)督管，取得較理想的試驗(yàn)結(jié)果(見圖7)。

圖7 輻板螺釘與輻照監(jiān)督管更換試驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Plate screw and irradiation monitoring pipe replacement test results

3 總結(jié)與展望

隨著核電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和裝機(jī)容量的增加，在役核電機(jī)組數(shù)量不斷增多，為保證核電站的有效可利用率，核電站關(guān)鍵設(shè)備尤其如堆內(nèi)構(gòu)件的長期安全、穩(wěn)定運(yùn)行顯得格外重要。堆內(nèi)構(gòu)件在役維修技術(shù)的研發(fā)，全面論證了堆內(nèi)在役維修的可行性和應(yīng)用能力，提供了核電發(fā)展所必需的配套手段和技術(shù)保障。并且，該技術(shù)成果還可廣泛用于：(1)核電廠堆內(nèi)設(shè)備水下維修，如輻照監(jiān)督管(或板)、輻板螺釘、指套管的修復(fù)等；(2)核電廠精確尺寸測(cè)量，如反應(yīng)堆壓力容器V型密封環(huán)槽的直徑測(cè)量等；(3)核電廠水下切割與成型加工，如取樣切割、退役設(shè)備解體、打孔、表面平整等；(4)核環(huán)境下水池或容器的維修、檢測(cè)、清潔、異物拾取、目視檢查等水下作業(yè)。在我國現(xiàn)階段的核電發(fā)展形勢(shì)下，具有良好的推廣應(yīng)用價(jià)值和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。