重水堆裝卸料機(jī)管嘴安全鎖故障分析及處理

靳瀚博，茍 海，周建平，張 泰，葉 偉，曹烽華

（中核核電運行管理有限公司，浙江嘉興 314300）

0 引言

秦山核電三期共有兩臺從加拿大引進(jìn)的70 萬重水堆機(jī)組，具有不停堆換料的特點，目前秦三廠燃料操作系統(tǒng)共有5 臺裝卸料機(jī)服役。在重水堆機(jī)組中，裝卸料機(jī)管嘴組件屬于核一級壓力邊界，具有使裝卸料機(jī)正確對準(zhǔn)燃料通道端部件并進(jìn)行機(jī)械連接、確保裝卸料機(jī)和燃料通道間的重水密封等功能，在裝換料過程中有著重要作用。在機(jī)組運行過程中，管嘴安全鎖會出現(xiàn)動作不到位、位置指示失效、上鎖后意外解鎖等故障，其一旦意外失效則可能導(dǎo)致反應(yīng)堆慢化劑泄漏等嚴(yán)重后果。因此，制定針對性、切實可行的解決方案，對于燃料操作系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行具有重要意義。

1 裝卸料機(jī)管嘴安全鎖的工作原理

管嘴組件構(gòu)成了料倉外殼和燃料通道端部件之間壓力邊界的延伸部分，依靠4 個抱卡楔與1 個齒輪機(jī)構(gòu)實現(xiàn)抱卡動作，抱卡動作完成后管嘴安全鎖鎖住抱卡機(jī)構(gòu)、使其保持在“鎖緊位置”，整個抱卡流程結(jié)束。管嘴安全鎖全稱為管嘴組件安全鎖緊裝置，安裝在裝卸料機(jī)管嘴組件外部支撐筒的底部，其上部活塞套正好對準(zhǔn)抱卡機(jī)構(gòu)下端齒條，起到為下端抱卡齒條導(dǎo)向的作用。安全鎖本體分為活塞、活塞殼體（液壓缸）、開關(guān)組件及彈簧，為不影響裝卸料機(jī)在反應(yīng)堆端面的移動及抱卡，其設(shè)計體積較小。

1.1 運行方式

管嘴安全鎖的液壓缸通過一條管線與裝卸料機(jī)管嘴腔室相連接，當(dāng)管嘴腔壓力上升至3.79 MPa 以上時活塞伸出，直到管嘴腔壓力上升至5.86 MPa 時停止，活塞伸入下端抱卡齒條的鍵槽中達(dá)到鎖緊作用，使其不能向解除抱卡方向運動；當(dāng)管嘴腔壓力下降至3.79 MPa 后，活塞在彈簧力的所用下縮回，抱卡齒條重新恢復(fù)運動的功能，達(dá)到解除抱卡的條件。

管嘴安全鎖彈簧的主要功能是對活塞的底部支撐面施加作用力，與活塞缸壓力驅(qū)動方向相反，使活塞在管嘴腔室壓力下降的過程中緩慢回縮，在管嘴腔室壓力小于3.79 MPa 時保持完全回撤的狀態(tài)，使活塞頂部鎖舌撤出下端抱卡齒條的鍵槽，使其能夠向管嘴解抱的方向運動?；钊麣んw的頂部為凹形結(jié)構(gòu)，除了保護(hù)活塞與為活塞提供運動導(dǎo)向以外，活塞殼體還起到為下端抱卡齒條運動導(dǎo)向的作用，使活塞向上頂起時鎖舌能精準(zhǔn)地進(jìn)入鍵槽中。

1.2 位置指示

管嘴安全鎖的上鎖、解鎖位置靠4 個磁性開關(guān)指示，兩兩為一組被夾具固定在固定柱上。固定柱中有與活塞相連接的磁棒，活塞運動時磁棒也會跟隨運動，從而改變固定柱周圍的磁場、影響磁性開關(guān)閉合。磁性開關(guān)的兩端使用導(dǎo)線焊接，統(tǒng)一連接到管嘴安全鎖底部的航空插頭上。每個開關(guān)在主控室盤臺上均有獨立指示燈，但只有解鎖的兩個開關(guān)參與管嘴抱卡的邏輯控制，即安全鎖的兩個解鎖開關(guān)均閉合后才具備解除抱卡條件。

2 管嘴安全鎖故障分析

管嘴安全鎖是管嘴抱卡鎖緊的安全裝置，考慮到其運行可靠性，在設(shè)計時其結(jié)構(gòu)較為簡單。但是在秦山核電三期兩臺機(jī)組服役的近20 年來，管嘴安全鎖也出現(xiàn)過一些故障，甚至因為運行周期的增加、設(shè)備老化加劇，一些同類型的故障頻發(fā)。

2.1 常見故障

根據(jù)管嘴安全鎖的結(jié)構(gòu)特點，其在裝卸料機(jī)服役過程中主要存在的故障可分為機(jī)械結(jié)構(gòu)故障與開關(guān)指示故障兩大類。其中，機(jī)械故障為在對裝卸料機(jī)抱卡功能定期試驗的過程中，在管嘴抱卡及安全鎖上鎖的狀態(tài)下，驗證管嘴抱卡機(jī)構(gòu)在改狀態(tài)下不能接觸抱卡但卻“意外”可以解抱。在這種狀態(tài)下，裝卸料機(jī)在反應(yīng)堆端面換料過程中，一旦出現(xiàn)意外解抱將導(dǎo)致反應(yīng)堆內(nèi)大量慢化劑噴射泄漏，后果不可接受。

開關(guān)指示故障則具體表現(xiàn)為，上鎖或解鎖狀態(tài)下指示失去同步、無法點亮指示燈等。由于換料操縱員不能判斷管嘴安全鎖是否處于上鎖狀態(tài)，如果強(qiáng)行操作管嘴抱卡機(jī)構(gòu)解除抱卡則存在損壞設(shè)備的風(fēng)險，這將嚴(yán)重影響裝卸料機(jī)正常的裝換料進(jìn)度及核安全。

2.2 故障分析

秦山核電三期二號機(jī)組A 側(cè)的裝卸料機(jī)曾出現(xiàn)過執(zhí)行管嘴抱卡機(jī)構(gòu)和安全鎖邏輯連鎖試驗中，在管嘴抱卡在通道上、安全鎖上鎖的情況下，執(zhí)行裝卸料機(jī)管嘴解除抱卡測試時管嘴“意外”解除抱卡的情況，連鎖試驗未通過。

分析后認(rèn)為，故障的主要原因為裝卸料機(jī)在設(shè)定Y 尺寸的時候設(shè)定值偏大。Y 尺寸為在裝卸料機(jī)抱卡力設(shè)置在55 000～60 000 lb（24947.58～27 215.54 kg）時，設(shè)定管嘴下齒條上的安全鎖擋塊圓弧底部與安全鎖頭之間的距離（即安全鎖鎖頭與下齒條板塊之間的間隙），一般設(shè)定為0.16～0.21 英寸（4.064～5.334 mm）。其主要作用是保證管嘴意外解除抱卡后仍有足夠的力量維持密封性，防止重水的泄漏。發(fā)生故障時測量Y 尺寸偏大1.8 mm，這直接導(dǎo)致在管嘴抱卡的狀態(tài)下抱卡行程偏高、管嘴腔室內(nèi)的壓力偏低，安全鎖不能完全上鎖。

在檢修期間，測量裝卸料機(jī)抱卡力5 次、Y 尺寸1 次；重復(fù)4 次管嘴抱卡測量Y 尺寸的數(shù)據(jù)，分別為6.78 mm、4.82 mm、4.32 mm和4.14 mm，油壓2.95 MPa，抱卡力59 000 lb（26 761.95 kg）?？膳袛酁?，歷史檢修中對Y 尺寸測量不準(zhǔn)確，應(yīng)連續(xù)測量幾次并取其中相近數(shù)據(jù)的平均值，而且歷史檢修中管嘴抱卡油壓不穩(wěn)定也是影響Y 尺寸測量的原因之一。

安全鎖上鎖與解鎖兩個位置均有一對磁性開關(guān)，開關(guān)本質(zhì)為干簧管開關(guān)。由于一個位置靠兩個磁性開關(guān)指示的特點，會出現(xiàn)兩個開關(guān)不同時點亮的情況。每只開關(guān)對應(yīng)一個計算機(jī)D/I 信號，在計算機(jī)檢測到兩個D/I 信號不同步后會觸發(fā)失去同步報警，會干擾換料操縱員對管嘴安全鎖位置的判斷，影響換料安全。

秦山核電三期的干簧管備件為兩端金屬引腳外露，不銹鋼包殼內(nèi)部充膠且手動焊接。單根開關(guān)的兩端使用焊接的方式連接導(dǎo)線至航空插頭上，與主控室中的指示燈構(gòu)成回路，開關(guān)觸發(fā)后指示燈點亮同時觸發(fā)D/I 信號。開關(guān)制作的過程中引腳與套管不同軸可能相互觸碰，在上堆服役過程中造成接地短路。由于干簧管開關(guān)的特殊材質(zhì)，引腳焊接的過程中長時間高溫會影響開關(guān)的性能，引腳上殘留的助焊劑會導(dǎo)致絕緣進(jìn)行一步的下降，焊接點如存在虛焊現(xiàn)象也將導(dǎo)致回路電阻增大。在上堆經(jīng)過長時間通電、輻射等條件故障會進(jìn)一步出現(xiàn)。

另外，根據(jù)干簧管磁性開關(guān)的導(dǎo)通特點，判斷為同組的兩個開關(guān)在導(dǎo)通設(shè)定上存在問題。查詢管嘴安全鎖的離線檢修歷史發(fā)現(xiàn)，在檢修規(guī)程中沒有對同組干簧管開關(guān)導(dǎo)通時間的設(shè)定。

3 優(yōu)化措施

通過對管嘴安全鎖故障的歸納，運用思維導(dǎo)圖工具對故障的根本原因進(jìn)行細(xì)化，從而提出優(yōu)化方案。

3.1 改進(jìn)Y 尺寸設(shè)定方式

Y 尺寸設(shè)定的越精準(zhǔn)，管嘴抱卡力量越穩(wěn)定，管嘴安全鎖上鎖的可靠性就越高。因此，在對裝卸料機(jī)抱卡力及Y 尺寸測量的檢修規(guī)程中，可添加“需要重復(fù)抱卡至少3 次完成Y 尺寸的測量，并且連續(xù)3 次測量值滿足標(biāo)準(zhǔn)范圍”的要求，以提高檢修工作中的標(biāo)準(zhǔn)。同時，將管嘴抱卡力量適當(dāng)提高、使其穩(wěn)定，防止在后續(xù)的工作中出現(xiàn)Y 尺寸偏大的情況。

3.2 優(yōu)化安全鎖位置指示

為徹底解決焊接過程中長期高溫、助焊劑殘留、開關(guān)引腳虛焊、制作過程中開關(guān)與套管不同軸等問題，可以改進(jìn)開關(guān)的制作方式。新制式備件中干簧管開關(guān)被完整包裹在單側(cè)開口的包殼當(dāng)中，內(nèi)部充膠封堵，使用自動機(jī)器焊接連接導(dǎo)線，避免人工焊接的長時間高溫度開關(guān)造成影響。開關(guān)組件整體除導(dǎo)線端部外無外露部分，絕緣性能可靠。

隨機(jī)選取10 根新式開關(guān)與10 根原有開關(guān)，使用安全鎖內(nèi)的磁棒作為磁場靠近開關(guān)，使開關(guān)閉合。測量開關(guān)的閉合電阻。測量新舊開關(guān)電阻值均在0.32～0.37 Ω，證明新制式內(nèi)部的干簧管開關(guān)觸發(fā)后的性能與原有開關(guān)相同。

使用離線1 號管嘴安全鎖，將兩個位置的4 個開關(guān)編號，上鎖位置（1 號、2 號）、解鎖位置（3 號、4 號），1 號、3 號安裝新制式開關(guān)，2 號、4 號安裝原有開關(guān)。對管嘴安全鎖打壓，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為：壓力升高，安全鎖鎖頭伸出，解鎖開關(guān)在3.1±0.8 MPa 斷路，上鎖開關(guān)在6.0±0.8 MPa 閉合導(dǎo)通；壓力降低，安全鎖鎖頭回縮，上鎖開關(guān)在5.0±0.8 MPa 時斷路，解鎖開關(guān)在3.1±0.8 MPa 閉合導(dǎo)通。

對管嘴安全鎖進(jìn)行20 次動作試驗，結(jié)果表明新舊開關(guān)均能準(zhǔn)確指示管嘴安全鎖的鎖頭狀態(tài)，同時新舊開關(guān)均能保持初始的設(shè)定壓力差值（圖1）。

圖1 壓力上升及壓力下降位置開關(guān)觸發(fā)情況

經(jīng)驗證，新制式開關(guān)完全可以替代現(xiàn)有制式開關(guān)。并且在前期無需進(jìn)行人工制作，開關(guān)引腳包在不銹鋼包殼內(nèi)，徹底消除了焊接時高溫對干簧管開關(guān)的影響、在檢修規(guī)程中開關(guān)引腳接地及導(dǎo)線因受應(yīng)力從焊點脫開的可能，對減少裝卸料機(jī)管嘴安全鎖缺陷數(shù)量、提升設(shè)備可靠性有著積極作用。

3.3 優(yōu)化檢修方式

在檢修過程中，通過對檢修手段的優(yōu)化可同樣起到良好效果，通過管嘴安全鎖開關(guān)指示失去同步的問題指向，在安全鎖的檢修程序中添加了“降壓至兩個解鎖開關(guān)剛好閉合時的壓力差最好低于70 kPa，如果壓差過大則對開關(guān)重新微調(diào)，再進(jìn)行打壓驗證”的要求。修改維修規(guī)程以后，經(jīng)過長期的檢修論證，證明該改進(jìn)確實有效。同時在標(biāo)準(zhǔn)工單的質(zhì)量計劃（Quality Plan，QP）中，增加了“用手操泵對管嘴安全鎖進(jìn)行打壓試驗前，確認(rèn)手操泵壓力為0 時安全鎖上鎖開關(guān)斷開，解鎖開關(guān)閉合”的內(nèi)容，這對于安全鎖開關(guān)在后續(xù)上堆運行中狀態(tài)的保持有積極作用。

4 結(jié)論

本文通過對重水堆核電廠裝卸料機(jī)管嘴安全鎖的故障分析，明確了裝卸料機(jī)Y 尺寸設(shè)定偏大及安全鎖開關(guān)檢修方式會影響安全鎖上鎖性能。通過試驗對其進(jìn)行論證，同時將理論運用于實踐，得到良好的效果，確認(rèn)了改進(jìn)Y 尺寸設(shè)定方法及新制式開關(guān)的可用性，為后續(xù)裝卸料機(jī)管嘴安全鎖的檢修工作提供了技術(shù)支持。