后處理廠乏燃料組件提升機(jī)制造工藝研究

李 軍

（西安核設(shè)備有限公司，西安 710021）

核電廠主要依靠燃料組件的裂變反應(yīng)進(jìn)行發(fā)電。當(dāng)裂變反應(yīng)進(jìn)行一段時(shí)間后，由于燃料棒中的鈾被消耗，燃料組件無(wú)法繼續(xù)滿足電廠的功率要求，被從堆芯中取出，變?yōu)榉θ剂?。乏燃料雖然可以暫時(shí)儲(chǔ)存在核電廠的乏燃料水池中，但是水池容量有限，且乏燃料具有高放射性，必須在水池容量飽和前將其運(yùn)送至乏燃料后處理廠進(jìn)行后處理。后處理的目的是從乏燃料中回收未衰變的鈾和钚等，實(shí)現(xiàn)核燃料的循環(huán)使用。

乏燃料首端處理的重要步驟為乏燃料組件的機(jī)械剪切。在機(jī)械剪切過(guò)程中，先利用組件提升機(jī)將準(zhǔn)備水池中的乏燃料組件提升至切割熱室下方，再將其轉(zhuǎn)移至機(jī)械切割首端熱室，最后用大型剪切機(jī)將其切成小段，露出被鋯包裹的乏燃料，便于后續(xù)操作。

在乏燃料組件首端處理過(guò)程中，組件提升機(jī)要直接提升具有高放射性的乏燃料組件，該操作對(duì)提升機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性、小車吊籃定位的準(zhǔn)確性、液壓系統(tǒng)的可靠性以及關(guān)鍵環(huán)節(jié)的操作精度有著嚴(yán)格的要求。因此，如何保證提升機(jī)的性能和精度成為設(shè)備制造過(guò)程中需要重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。影響操作精度的因素有很多，運(yùn)行精度取決于安裝精度，而安裝精度取決于加工精度。想要提高操作精度，就要從源頭入手，嚴(yán)格把控關(guān)鍵零部件的加工精度，達(dá)到設(shè)備精度要求。

1 組件提升機(jī)概述

組件提升機(jī)為機(jī)電一體化設(shè)備，長(zhǎng)度約12 m，與水平方向夾角約46.2°。此設(shè)備主要由提升小車、液壓缸、液壓系統(tǒng)、安全閘板裝置、行程開(kāi)關(guān)裝置、機(jī)架、支架以及長(zhǎng)桿工具等組成[1]。其中，液壓系統(tǒng)包括液壓站、控制臺(tái)和箱體。組件提升機(jī)的組成部分，如圖1 所示。

圖1 組件提升機(jī)的組成部分

2 關(guān)鍵零部件的制造技術(shù)難點(diǎn)和解決方案

2.1 液壓缸

液壓缸是組件提升機(jī)中最重要的執(zhí)行元件，其作用是將液壓能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，并與提升小車配合完成提升任務(wù)。液壓缸由缸體、活塞桿、缸蓋、缸底、活塞、導(dǎo)向套以及螺母等組成?；钊麠U安裝活塞和導(dǎo)向套后，在液壓的推動(dòng)下在缸體內(nèi)腔中進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)。如果缸筒內(nèi)壁表面較為粗糙，摩擦力增大，容易產(chǎn)生活塞滑移或爬行故障，進(jìn)而損壞其他密封件，影響設(shè)備的使用性能。因此，缸筒內(nèi)孔的加工品質(zhì)直接影響液壓缸的使用壽命和可靠性。

缸體總長(zhǎng)為6 000 mm，內(nèi)孔直徑為180 mm，公差為H8，內(nèi)孔表面的粗糙度要求為0.4 μm、圓度要求為0.018 mm、直線度要求為0.3 mm。內(nèi)孔的長(zhǎng)徑比為33 ∶1，屬于典型的大深徑比管件。再加上內(nèi)孔是缸體的關(guān)鍵構(gòu)件，對(duì)加工精度要求較高，因此液壓缸的加工難度較大。為了提升缸體的加工精度，可以采取如下措施。

第一，缸筒采用厚壁管毛坯料，加工時(shí)在內(nèi)外圓均留出余量[2]。

第二，在加工缸筒外圓時(shí)，要將外圓全長(zhǎng)直線度的偏差控制在0.1 mm 范圍內(nèi)，總長(zhǎng)尺寸公差應(yīng)控制在2 mm 以內(nèi)，以便補(bǔ)償后續(xù)兩端法蘭焊接時(shí)的焊接收縮。

第三，當(dāng)焊接缸筒與兩端法蘭環(huán)時(shí)，在法蘭的外端面點(diǎn)焊不銹鋼工裝背板進(jìn)行加固，減少焊接應(yīng)力引起的法蘭內(nèi)側(cè)變形。

第四，對(duì)缸體整體進(jìn)行低溫消應(yīng)力熱處理，以消除缸體組合焊接時(shí)產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，避免材料硬度不均勻。

第五，采用穩(wěn)定性好、加工精度高的深孔拉鏜技術(shù)進(jìn)行內(nèi)孔精密加工。根據(jù)機(jī)械加工設(shè)備的特性，將整個(gè)加工過(guò)程分為粗鏜、精鏜和珩磨等工序。加工完成后，檢測(cè)構(gòu)件的各項(xiàng)尺寸，確保其滿足各項(xiàng)技術(shù)要求[3]。

2.2 提升小車

提升小車是組件提升機(jī)的執(zhí)行構(gòu)件，由輪架和車體組成。輪架是提升小車的基礎(chǔ)框架，也是車輪和輪軸的載體。為了保證小車平穩(wěn)運(yùn)行，輪架的輪軸孔必須保持在同一條直線上。車體安裝于輪架上，車體頂板上居中放置裝有乏燃料組件的吊籃。當(dāng)車體到達(dá)頂部時(shí)，吊籃的中心線必須與裝料井的中心線對(duì)齊，定位誤差不應(yīng)超過(guò)±2 mm。提升小車側(cè)面的推拉盒與液壓缸活塞桿連接。提升小車在提升過(guò)程中發(fā)揮著核心作用，其輪架和車體的加工精度直接影響提升機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性。

輪軸孔必須保證在同一條直線上，而輪軸孔的加工基準(zhǔn)為輪架側(cè)面，因此控制輪架側(cè)面的公差是保證輪軸孔加工質(zhì)量的關(guān)鍵。吊籃的中心線和活塞桿的推力中心線均與車體的豎向中心線重合，因此車體的鉛垂度和角度誤差是加工的重點(diǎn)控制指標(biāo)。

輪架截面的尺寸為100 mm×50 mm×12 mm，長(zhǎng)度為5 700 mm，側(cè)面平面度不應(yīng)大于0.5 mm，高度公差為±0.5 mm，輪架上的6 組輪軸孔應(yīng)均勻分布。目前，市面上沒(méi)有與輪架截面形狀和規(guī)格一致的成品槽鋼，若采用價(jià)格昂貴的定制槽鋼會(huì)增加成本，若采用板條冷彎成型則無(wú)法保證平面度和直線度[4]。經(jīng)過(guò)多方調(diào)研，確定采用機(jī)械將規(guī)格為60 mm 的厚鋼板加工成槽鋼的形狀。在加工過(guò)程中應(yīng)控制好質(zhì)量，確保各項(xiàng)公差均處在技術(shù)要求范圍內(nèi)。

車體結(jié)構(gòu)類似直角梯形，可以從焊接收縮量控制和整體機(jī)械加工控制2 個(gè)方面進(jìn)行精度控制。在進(jìn)行車體加工時(shí)，考慮到車體外框支承側(cè)板的坡口較大，結(jié)合過(guò)往經(jīng)驗(yàn)優(yōu)化零件內(nèi)外框架組的安裝順序，以便提高內(nèi)側(cè)板的支承力，避免外框架焊接變形，減少焊接收縮量。在進(jìn)行整體機(jī)械加工時(shí)，所有裝配面和定位孔要統(tǒng)一以整體豎向中心線為基準(zhǔn)，減少加工過(guò)程中因轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)導(dǎo)致的累積誤差。

2.3 機(jī)架

機(jī)架主要由導(dǎo)軌、導(dǎo)軌架和液壓缸支座組成，全長(zhǎng)約12 m，是液壓缸和提升小車的載體。液壓缸固定在機(jī)架下半段內(nèi)側(cè)導(dǎo)軌架的3 組支座上，提升小車置于機(jī)架導(dǎo)軌上。通過(guò)推拉液壓缸的活塞桿，使得提升小車在機(jī)架上升降。機(jī)架的加工難點(diǎn)在于導(dǎo)軌拼裝后全長(zhǎng)約12 m，其頂面必須在同一條直線上，且兩側(cè)導(dǎo)軌頂面的高度差不應(yīng)大于0.2 mm。導(dǎo)軌的加工精度決定著小車運(yùn)行的穩(wěn)定性，因此在加工時(shí)需要嚴(yán)格控制導(dǎo)軌的水平度。

導(dǎo)軌由4 節(jié)尺寸為5 800 mm×190 mm×2 mm的板條組成。導(dǎo)軌位于導(dǎo)軌架中間，導(dǎo)軌架的上下面均為非加工面。在加工和安裝導(dǎo)軌時(shí)，首先要在導(dǎo)軌頂面預(yù)留余量。其次，將導(dǎo)軌架固定在專用鋼平臺(tái)工裝上，以鋼平臺(tái)工裝工作面為基準(zhǔn)，通過(guò)組裝、定位和調(diào)整與導(dǎo)軌連接并緊固，保證整體的直線度。最后，進(jìn)行一次裝夾，同時(shí)加工2 組導(dǎo)軌的頂面，以滿足圖紙的尺寸精度要求。

3 設(shè)計(jì)和搭建試驗(yàn)臺(tái)架

組件提升機(jī)制造完成后，需在試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行整機(jī)組裝、調(diào)試和試驗(yàn)，目的是驗(yàn)證組件提升機(jī)的整體性能，確保其滿足圖紙技術(shù)條件要求。組件提升機(jī)在運(yùn)行時(shí)的豎向高差約為10 m。為了完全模擬組件提升機(jī)的安裝、調(diào)試工況，在公司核電生產(chǎn)及物料控制（Production Material Control，PMC）廠房試驗(yàn)水池上搭建試驗(yàn)臺(tái)架，利用水池地面與池底的高差實(shí)現(xiàn)提升機(jī)的實(shí)際運(yùn)行高差，以便最大限度節(jié)省成本。試驗(yàn)臺(tái)架搭建示意圖，如圖2 所示。

圖2 試驗(yàn)臺(tái)架搭建示意圖

4 機(jī)電聯(lián)調(diào)試驗(yàn)

在試驗(yàn)臺(tái)架上完成組件提升機(jī)組裝后，開(kāi)始進(jìn)行機(jī)電聯(lián)調(diào)試驗(yàn)。

第一，正常上電和系統(tǒng)啟動(dòng)。設(shè)備連接完成后接通電源，通電正常。啟動(dòng)液壓系統(tǒng)，操作臺(tái)各儀器顯示正常、液壓元器件狀態(tài)正常、各開(kāi)關(guān)信號(hào)響應(yīng)正常。

第二，空載試驗(yàn)和超載試驗(yàn)。在空載狀態(tài)下，操作提升小車到達(dá)上料工位后停留30 min，無(wú)工作介質(zhì)泄漏現(xiàn)象。在超載狀態(tài)下，即荷載為吊籃和模擬組件質(zhì)量的1.1 倍，操作提升小車到達(dá)上料工位后停留30 min，小車運(yùn)行平穩(wěn)、停位準(zhǔn)確，活塞桿不存在殘余變形，同時(shí)在液壓機(jī)保壓期間無(wú)工作介質(zhì)泄漏現(xiàn)象。

第三，聯(lián)鎖功能試驗(yàn)。在安全閘板開(kāi)啟到位后，系統(tǒng)才能啟動(dòng)液壓缸推動(dòng)提升機(jī)小車向上或向下運(yùn)動(dòng)。在收到首端控制室發(fā)出的“允許提升或下降”信號(hào)后，系統(tǒng)才能操作提升機(jī)上升或下降。

第四，系統(tǒng)運(yùn)行試驗(yàn)。在自動(dòng)和手動(dòng)模式下，按照操作運(yùn)行步驟進(jìn)行提升轉(zhuǎn)運(yùn)試驗(yàn)。在兩種模式下液壓控制系統(tǒng)均具有可靠性，液壓缸和提升小車運(yùn)行平穩(wěn)，小車停位準(zhǔn)確。

設(shè)備機(jī)電聯(lián)調(diào)試驗(yàn)的成功充分驗(yàn)證了提升機(jī)的各項(xiàng)性能和精度均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，檢驗(yàn)了組件提升機(jī)的制造質(zhì)量，也證明了加工工藝的有效性[5]。目前，此設(shè)備已經(jīng)正式投入使用，且取得了良好的應(yīng)用效果。

5 結(jié)語(yǔ)

組件提升機(jī)是乏燃料后處理首端處理過(guò)程中的核心設(shè)備，其安全和高效關(guān)系到核安全，重要性不言而喻。整個(gè)設(shè)備機(jī)電聯(lián)調(diào)試驗(yàn)的成功，充分驗(yàn)證了組件提升機(jī)各項(xiàng)性能和精度均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，確保了組件提升機(jī)的制造質(zhì)量，也展示了制造工藝的合理性。此次液壓缸內(nèi)孔的精密加工，使相關(guān)行業(yè)人員掌握了采用拉鏜法加工深徑比大、孔軸線精度要求高的深孔工件的新工藝方法。