淺析乏燃料轉(zhuǎn)運(yùn)容器制造過程中的設(shè)計(jì)改進(jìn)

劉 帥，唐興齡，姚 琳

（中國核電工程有限公司，北京 100840）

隨著我國核電事業(yè)的快速發(fā)展，核安全問題已成為備受社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)話題，而核電產(chǎn)品的質(zhì)量與核安全緊密相連。質(zhì)量分為符合性和適用性兩個(gè)層次［1］。符合性質(zhì)量是指質(zhì)量符合規(guī)范或要求的程度，這些規(guī)范或要求涉及國際標(biāo)準(zhǔn)、國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等。質(zhì)量管理學(xué)家勞倫斯認(rèn)為，質(zhì)量并不意味著卓越或者優(yōu)秀，談?wù)撡|(zhì)量只有相對(duì)于特定的規(guī)范或要求才有意義［2］。因此，符合性質(zhì)量要求可以指導(dǎo)質(zhì)量檢驗(yàn)、質(zhì)量控制等具體工作，符合了規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)也就意味著具有了質(zhì)量。區(qū)別于符合性質(zhì)量，適用性質(zhì)量是指產(chǎn)品滿足顧客主觀需求的程度，這一概念由美國質(zhì)量管理專家朱蘭提出。適用性質(zhì)量要求適用于一切產(chǎn)品或服務(wù)，是一種以顧客為中心的主觀質(zhì)量觀。

我們?cè)陂_展核電相關(guān)產(chǎn)品的科研設(shè)計(jì)工作時(shí)，為了保證核安全，應(yīng)將產(chǎn)品的質(zhì)量符合性置于首位，以使產(chǎn)品完全滿足國家法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，伴隨著近幾年我國核電自主化和產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程，我們也應(yīng)注重核電產(chǎn)品的質(zhì)量適用性，以提高設(shè)計(jì)與制造工藝、應(yīng)用等多層面的配合度。

為了同時(shí)滿足質(zhì)量的符合性和適用性要求，我們應(yīng)通過采用多種質(zhì)量工具對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行不斷改進(jìn)。

1 乏燃料轉(zhuǎn)運(yùn)容器設(shè)計(jì)改進(jìn)背景

為了解決秦山地區(qū)乏燃料貯存問題，秦山第一核電廠和秦山第二核電廠擬采用“干法貯存”方案對(duì)乏燃料進(jìn)行貯存以保證核電廠各機(jī)組的正常換料能力。乏燃料轉(zhuǎn)運(yùn)容器（如圖1所示，以下簡稱“轉(zhuǎn)運(yùn)容器”）是秦山乏燃料干法貯存項(xiàng)目中的主要設(shè)備之一。在進(jìn)行干法貯存工作過程中，轉(zhuǎn)運(yùn)容器用于將裝有乏燃料組件的密封貯存罐轉(zhuǎn)運(yùn)到混凝土貯存模塊中。轉(zhuǎn)運(yùn)容器在轉(zhuǎn)運(yùn)操作時(shí)為密封貯存罐提供輻射屏蔽、結(jié)構(gòu)保護(hù)和乏燃料的散熱等功能。轉(zhuǎn)運(yùn)容器筒體為頂部開口底部封閉的圓柱形結(jié)構(gòu)。該部件由同心的內(nèi)筒體、外筒體與底部的法蘭焊接而成。內(nèi)、外筒體之間為鉛屏蔽層。容器筒體外側(cè)為中子屏蔽層，由鋼殼與沿周向均勻分布的散熱片組成，鋼殼與散熱片組成的腔室內(nèi)部通過灌裝中子屏蔽材料進(jìn)行中子屏蔽。轉(zhuǎn)運(yùn)容器主要參數(shù)見表1。

圖1 轉(zhuǎn)運(yùn)容器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Transfer cask structure

表1 轉(zhuǎn)運(yùn)容器主要參數(shù)Table 1 Main Parameters of Tansfer Cask

設(shè)計(jì)人員通過遵循質(zhì)量管理中的PDCA循環(huán)，針對(duì)轉(zhuǎn)運(yùn)容器設(shè)計(jì)過程中耳軸設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)與灌鉛工藝存在沖突這一問題進(jìn)行了設(shè)計(jì)改進(jìn)工作。這一改進(jìn)在滿足設(shè)計(jì)質(zhì)量符合性的同時(shí)提高了質(zhì)量適用性。

PDCA循環(huán)由美國質(zhì)量管理專家休哈特提出，并由戴明宣稱獲得普及，是全面質(zhì)量管理的思想基礎(chǔ)和方法依據(jù)。PDCA循環(huán)的含義是將質(zhì)量管理分為四個(gè)階段，即Plan（計(jì)劃）、Do（執(zhí)行）、Check（檢查）和Action（處理）［3］。

2 轉(zhuǎn)運(yùn)容器研制過程中的設(shè)計(jì)改進(jìn)

2.1 轉(zhuǎn)運(yùn)容器耳軸結(jié)構(gòu)問題

耳軸是轉(zhuǎn)運(yùn)容器的重要組成部分，轉(zhuǎn)運(yùn)容器的耳軸分為兩個(gè)上部提升耳軸和兩個(gè)下部支撐耳軸，提升耳軸主要用于配合垂直吊具和起重機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)運(yùn)容器進(jìn)行吊裝操作，支撐耳軸用于轉(zhuǎn)運(yùn)容器在支撐托架上進(jìn)行垂直和水平位置之間的翻轉(zhuǎn)。提升耳軸和支撐耳軸的材料都選用ASME SA-750 TYPE 630。提升耳軸、支撐耳軸初始結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)運(yùn)容器耳軸結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Transfer cask trunnion structure

在初始設(shè)計(jì)中，提升耳軸和支撐耳軸均采用全焊透，耳軸部分結(jié)構(gòu)嵌在γ屏蔽層內(nèi)。這種設(shè)計(jì)能夠保證耳軸的焊接強(qiáng)度要求，但會(huì)對(duì)容器的灌鉛工藝造成困難。根據(jù)這種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，我們?cè)谥圃爝^程中需先對(duì)容器耳軸進(jìn)行焊接再灌鉛（γ屏蔽），而在灌鉛的過程中由于容器尺寸較大，需對(duì)容器表面溫度進(jìn)行嚴(yán)格的控制，但耳軸凸起會(huì)造成耳軸所在環(huán)向位置產(chǎn)生溫度差，從而造成灌鉛缺陷，對(duì)容器的γ屏蔽性能產(chǎn)生潛在風(fēng)險(xiǎn)。而制造工藝上又很難克服這一問題。為此，設(shè)計(jì)方對(duì)制造工序進(jìn)行了調(diào)整，即先對(duì)容器灌鉛，再焊接耳軸。容器的灌鉛過程如圖3所示。

圖3 樣機(jī)灌鉛加熱示意圖Fig.3 Transfer cask prototype heating

2.2 問題原因分析

由于轉(zhuǎn)運(yùn)容器耳軸結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，設(shè)計(jì)人員總結(jié)以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)并采用質(zhì)量管理中的魚骨圖等工具，進(jìn)行了全面的原因分析及歸納整理，詳細(xì)內(nèi)容如圖4所示。

圖4 原因分析魚骨圖Fig.4 Cause analysis fishbone diagram

通過質(zhì)量工具魚骨圖我們可以看出轉(zhuǎn)運(yùn)容器耳軸焊接結(jié)構(gòu)與γ屏蔽層灌鉛工藝沖突的幾個(gè)主要原因?yàn)椋?/p>

（1）設(shè)計(jì)人員缺乏制造經(jīng)驗(yàn)；

（2）制造廠工作人員與設(shè)計(jì)人員未提前進(jìn)行溝通；

（3）灌鉛加熱器結(jié)構(gòu)較為簡易；

（4）制造廠設(shè)備相關(guān)資料未及時(shí)更新；

（5）耳軸初始設(shè)計(jì)與灌鉛工藝不匹配。

制造廠客觀存在的一些問題是難以在短時(shí)間內(nèi)解決的，為配合轉(zhuǎn)運(yùn)容器研制項(xiàng)目的整體進(jìn)度，解決該問題，設(shè)計(jì)人員決定從設(shè)計(jì)端制訂對(duì)策，對(duì)耳軸焊接結(jié)構(gòu)、工裝順序進(jìn)行改進(jìn)。

2.3 針對(duì)耳軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題的改進(jìn)措施

設(shè)計(jì)人員對(duì)此開展了質(zhì)量管理活動(dòng)，并通過集思法等質(zhì)量工具對(duì)該問題提出了相應(yīng)的解決方案。

集思法又名頭腦風(fēng)暴法，由美國人奧斯本于1941年提出。在質(zhì)量改進(jìn)活動(dòng)中，該方法適用于問題解決的多個(gè)階段，有助于清楚地認(rèn)識(shí)問題，找出根本原因并尋求糾正措施。

設(shè)計(jì)改進(jìn)具體方案的實(shí)施，需通過如下幾個(gè)步驟逐步進(jìn)行：

（1）調(diào)整耳軸焊接與灌鉛順序。問題的根本在于耳軸位置影響了灌鉛加熱工裝對(duì)筒體的均勻加熱。該問題通過調(diào)整工裝順序可以得到解決，即將原本的先焊接耳軸再進(jìn)行灌鉛調(diào)整為先進(jìn)行灌鉛再焊接耳軸。實(shí)施該方案需確定新的耳軸結(jié)構(gòu)和焊接方式。

（2）調(diào)整耳軸結(jié)構(gòu)位置。耳軸焊接與灌鉛順序的調(diào)整，使得此前耳軸部分的焊接強(qiáng)度發(fā)生改變（初始耳軸設(shè)計(jì)為嵌入γ屏蔽層內(nèi)，進(jìn)行全焊透）。為保證耳軸部位強(qiáng)度，設(shè)計(jì)人員需對(duì)耳軸的結(jié)構(gòu)重新進(jìn)行考量。對(duì)此，設(shè)計(jì)人員制訂了兩種方案（如圖5和圖6所示）。

圖5 耳軸設(shè)計(jì)改進(jìn)方案1Fig.5 Trunnion design improvement 1

圖6 耳軸設(shè)計(jì)改進(jìn)方案2Fig.6 Trunnion design improvement 2

設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行過初步計(jì)算并與制造廠溝通后，得出方案1具備更高的可行性和合理性，并予以采納。方案具體實(shí)施內(nèi)容為：在距離外筒體內(nèi)壁5 mm的位置加工與耳軸底部對(duì)接的槽，再將耳軸焊至外筒體上，將耳軸區(qū)域與灌鉛區(qū)域隔離，從而避免耳軸焊接時(shí)對(duì)γ屏蔽層造成局部損壞。

（3）在耳軸底部加裝加強(qiáng)板。頂部提升耳軸和底部支撐耳軸在吊裝和翻轉(zhuǎn)以及運(yùn)輸操作的過程中將承受較大的應(yīng)力，由于方案1未達(dá)到初始設(shè)計(jì)的耳軸焊接強(qiáng)度，因此設(shè)計(jì)改進(jìn)方案在耳軸根部加裝了加強(qiáng)板（如圖5所示）以滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。

以上三個(gè)步驟為針對(duì)耳軸結(jié)構(gòu)問題的設(shè)計(jì)改進(jìn)方案，解決了設(shè)計(jì)人員在轉(zhuǎn)運(yùn)容器設(shè)計(jì)過程中發(fā)現(xiàn)的耳軸焊接與灌鉛工藝沖突的問題。

2.4 設(shè)計(jì)改進(jìn)有效性檢查

為論證上述改進(jìn)方案的有效性，即驗(yàn)證設(shè)計(jì)質(zhì)量符合性，設(shè)計(jì)人員通過運(yùn)用ANSYS有限元分析軟件對(duì)加裝了加強(qiáng)板的耳軸結(jié)構(gòu)和筒體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了受力分析。圖7為耳軸及其周圍筒體結(jié)構(gòu)在吊裝操作過程中的最大應(yīng)力分布。結(jié)果顯示，該結(jié)構(gòu)能夠滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。

圖7 耳軸及周圍筒體結(jié)構(gòu)在吊裝過程中的最大應(yīng)力分布Fig.7 The max stress distribution of trunnions and surrounding structures occurs during hoisting

轉(zhuǎn)運(yùn)容器的筒體采用的材料是SA-240 304不銹鋼，上部提升耳軸和下部支撐耳軸采用的材料均為ASME SA-705 630（H1150）材料。材料性能參數(shù)見表2和表3。

表2 耳軸材料性能參數(shù)（-30～450℃）Table 2 Material property of trunnion

表3 筒體材料性能參數(shù)（-30～450℃）Table 3 Material property of cask

數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明設(shè)計(jì)人員針對(duì)耳軸結(jié)構(gòu)提出的設(shè)計(jì)改進(jìn)方案在理論上是切實(shí)可行的，通過后續(xù)與制造廠的對(duì)接也確認(rèn)了實(shí)際工裝操作的可行性。該設(shè)計(jì)改進(jìn)的有效性得到了充分論證。

3 結(jié)語

設(shè)計(jì)人員遵循PDCA活動(dòng)原則，對(duì)科研設(shè)計(jì)中的設(shè)計(jì)問題進(jìn)行分析，提出解決方案：首先明確問題根源所在，從原因分析入手，使用質(zhì)量管理工具魚骨圖對(duì)多種原因一一分析并進(jìn)行列舉；然后根據(jù)現(xiàn)實(shí)情況制訂可行的解決方案并對(duì)方案進(jìn)行論證和有效性分析。設(shè)計(jì)人員通過對(duì)耳軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，解決了轉(zhuǎn)運(yùn)容器耳軸焊接與灌鉛工藝沖突的問題，同時(shí)確保了轉(zhuǎn)運(yùn)容器耳軸和筒體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。在保證設(shè)計(jì)質(zhì)量符合性的同時(shí)，提高了樣機(jī)制造的效率，保證了科研項(xiàng)目的總進(jìn)度，提高了設(shè)計(jì)的適用性。