核電廠乏燃料升降斗驅(qū)動失效原因分析及對策

章 熙

（中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江嘉興 314300）

0 引言

秦三廠乏燃料升降斗組件是乏燃料傳輸系統(tǒng)的重要組成部分，其主要作用是將乏燃料從裝卸料機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)至乏燃料水池中，其中每臺機(jī)組各有一臺乏燃料升降斗，用于將乏燃料從空氣中轉(zhuǎn)運(yùn)至乏燃料水池中，保證乏燃料的冷卻，自2020 年4 月2 日以來，2 號機(jī)C 側(cè)升降斗多次出現(xiàn)鋼絲繩松馳報(bào)警的問題，導(dǎo)致?lián)Q料過程中斷和功能驗(yàn)證失敗，影響了正常的換料過程，同時(shí)對乏燃料的冷卻構(gòu)成了威脅。查閱兩臺機(jī)組的歷史，發(fā)現(xiàn)兩臺機(jī)組升降斗驅(qū)動失效問題持續(xù)存在。乏燃料升降斗在運(yùn)行過程中如果出現(xiàn)驅(qū)動失效，換料盤臺CRT 一般會出現(xiàn)“Drive Stuck”報(bào)警。出現(xiàn)驅(qū)動失效報(bào)警的現(xiàn)象分為兩類：①單一報(bào)警；②伴隨其他報(bào)警：如鋼絲繩松弛報(bào)警、電源失效報(bào)警、運(yùn)動方向錯誤報(bào)警、超速報(bào)警及由控制回路中斷而產(chǎn)生的報(bào)警。

統(tǒng)計(jì)了從2010 年至2021 年因?yàn)樵O(shè)備故障而導(dǎo)致升降斗驅(qū)動失效的工單數(shù)量為40 個，故障統(tǒng)計(jì)和分類如圖1 所示。升降斗下降失效的故障原因主要來自于：①力矩限制器故障；②升降斗驅(qū)動力矩過大；③電機(jī)故障；④軸編碼器故障；⑤控制器故障。針對前兩種機(jī)械故障原因進(jìn)行分析，并提出相對合適的改進(jìn)措施，從而降低故障發(fā)生的次數(shù)，有效提高設(shè)備的可靠性，確保乏燃料棒能夠順利進(jìn)入水池，及時(shí)得到有效的冷卻，確保燃料包殼的安全可靠。

圖1 故障統(tǒng)計(jì)和分類

1 乏燃料傳輸系統(tǒng)概述

乏燃料傳輸系統(tǒng)（圖2）由驅(qū)動機(jī)構(gòu)和傳輸機(jī)構(gòu)兩個部分組成，其中驅(qū)動機(jī)構(gòu)包括乏燃料升降斗剎車、電機(jī)、力矩限制器、減速齒輪箱。傳輸機(jī)構(gòu)包括裝卸料機(jī)、乏燃料通道、卷揚(yáng)機(jī)、升降斗、升降斗導(dǎo)軌、水下傳輸小車等部分。

圖2 乏燃料傳輸系統(tǒng)

在進(jìn)行乏燃料卸料操作時(shí)，裝卸料機(jī)將從通道卸下的乏燃料經(jīng)由推桿通過管嘴、乏燃料通道推送至乏燃料升降斗上，此時(shí)升降斗電機(jī)剎車釋放，電機(jī)啟動，經(jīng)過減速齒輪箱帶動卷揚(yáng)機(jī)釋放鋼絲繩將乏燃料升降斗經(jīng)傳輸軌道緩緩下降至乏燃料卸料池底，而后乏燃料被放置在池底的水下傳輸小車上，由小車將乏燃料轉(zhuǎn)運(yùn)至乏燃料存放池進(jìn)行冷卻。

2 升降斗組件結(jié)構(gòu)概述

升降斗是半圓槽形，重約270 kg（圖3），由兩組萬向滾輪（包含16 個銅輪）和一組固定滾輪（包含4 個銅輪）組成，這些滾輪由一個固定支架和一個滾輪支架連接在一起，其中萬向滾輪在圓軌道上運(yùn)行，固定導(dǎo)向滾輪在傾斜軌道上運(yùn)行。

圖3 乏燃料升降斗

3 乏燃料升降斗驅(qū)動失效原因分析及對策

3.1 力矩限制器故障的原因及對策

乏燃料升降斗力矩限制器的功能是升降斗上升過程中設(shè)定限值力矩，在升降斗上升過程中驅(qū)動力矩過大時(shí)打滑，以保護(hù)驅(qū)動電機(jī)。

目前對力矩限制器的維修策略是每2 年檢查打滑力矩，要求值是16～20 N·m，力矩限制器不解體。

2021 年8 月13 日，1 號機(jī)組乏燃料升降斗出現(xiàn)驅(qū)動失效報(bào)警，檢查力矩限制器的打滑力矩在11～20 N·m 波動，升降斗驅(qū)動力矩（要求16.3～20.3 N·m）已出現(xiàn)偏差，8 月14 日維修人員對力矩限制器進(jìn)行解題檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)摩擦片厚度不均勻，且表面有黑褐色摩擦痕跡。

查找力矩限制器的維修歷史，可以發(fā)現(xiàn)力矩限制器在長時(shí)間的運(yùn)行后，力矩有所波動（表1），出現(xiàn)過定期檢查發(fā)現(xiàn)力矩限制器力矩變小的情況。力矩限制器靠2 個摩擦片的摩擦來設(shè)定力矩，長時(shí)間的運(yùn)行必然會磨損摩擦片，摩擦片磨損后可能導(dǎo)致設(shè)定力矩波動或變小。

表1 力矩限制器打滑力矩測量歷史數(shù)據(jù)N·m

因此從維修來看，僅定期檢查力矩限制器力矩是不夠的，還要檢查力矩限制器內(nèi)摩擦片的情況，才能保證力矩限制器設(shè)定的力矩穩(wěn)定，避免出現(xiàn)力矩限制器設(shè)定的力矩變小的情況。結(jié)合多年的運(yùn)行和維修經(jīng)驗(yàn)、工作內(nèi)容和工作地點(diǎn)、設(shè)備運(yùn)行情況，確定與乏燃料升降斗剎車解體采用同樣的周期，每8 年做一次力矩限制器內(nèi)摩擦片解體檢查。

3.2 升降斗驅(qū)動力矩過大原因及對策

乏燃料升降斗導(dǎo)向軌道分為斜線段、曲線段、豎直段3 個部分，升降斗在這3 個部分由電機(jī)驅(qū)動時(shí)的力矩稱為升降斗的驅(qū)動力矩。

對于2010 年以來2 臺機(jī)組升降斗驅(qū)動失效的原因統(tǒng)計(jì)（圖2）可以發(fā)現(xiàn)，升降斗驅(qū)動失效大部分原因是升降斗的驅(qū)動力矩過大，導(dǎo)致卷揚(yáng)機(jī)鋼絲繩松弛報(bào)警或者力矩限制器打滑。根據(jù)多次故障現(xiàn)象和檢修經(jīng)驗(yàn)得出，升降斗驅(qū)動力矩超標(biāo)的原因有：①升降斗滾輪磨損；②升降斗滾輪與軸之間卡澀；③升降斗上滾輪支架卡澀。

3.2.1 升降斗滾輪磨損原因及對策

2020 年4 月3 日，2 號機(jī)組C 側(cè)發(fā)生同樣的故障，檢查發(fā)現(xiàn)圓導(dǎo)軌的滾輪表面磨成凹槽形，圓導(dǎo)軌上的對角滾輪間隙都大于0.76 mm，更換滾輪并設(shè)定間隙，檢查6 個滾輪凹槽處的最小外徑分別為60.90 mm、68.08 mm、68.88 mm、68.14 mm、69.12 mm、68.72 mm，最大磨損量約為1.8 mm，磨損后的滾輪向內(nèi)凹陷情況如圖4 所示。

圖4 磨損后的滾輪向內(nèi)凹陷

升降斗滾輪磨損的直接原因是滾輪磨損導(dǎo)致與軌道的接觸面積增加，摩擦力阻力增加，而間隙增加導(dǎo)致升降斗傾斜度增加，導(dǎo)致升降斗運(yùn)行阻力增加，兩個互相作用最終導(dǎo)致升降斗下降失效。根本原因是缺乏有效的預(yù)防性維修，未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決問題，因?yàn)殚g隙測量設(shè)定只是一個過程標(biāo)準(zhǔn)，升降斗運(yùn)行力矩的大小才是最終的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，而運(yùn)行力矩的大小是由滾輪的狀態(tài)及與軌道的間隙決定的。

應(yīng)對策略：預(yù)防性維修添加了升降斗滾輪間隙標(biāo)準(zhǔn)。圓軌道銅輪：對滾輪外徑小于69.20 mm 的圓軌道滾輪進(jìn)行更換；角軌道滾輪：對滾輪外徑小于63.00 mm 的角軌道滾輪進(jìn)行更換。

3.2.2 升降斗滾輪與軸之間卡澀原因及對策

維修人員將無法轉(zhuǎn)動的滾輪拆下解體后發(fā)現(xiàn)滾輪內(nèi)孔與軸表面有磨損拉毛的現(xiàn)象，原因是升降斗在運(yùn)行過程中，由于受升降斗組件自身重力影響，滾輪的孔在軸上長期向一側(cè)受力，導(dǎo)致受力不均，加速了磨損和毛刺的形成。而且卸料池房間的特殊性導(dǎo)致房間內(nèi)灰塵較多，可能有堅(jiān)硬的異物進(jìn)入軸與孔之間長期作用形成缺陷。

針對以上缺陷，維修人員首先對拉毛的部分進(jìn)行修復(fù)，對于缺陷較深，狀態(tài)差的直接進(jìn)行更換。在回裝前涂抹防咬劑對其進(jìn)行保護(hù)。

3.2.3 升降斗組件上滾輪支架卡澀原因分析及對策

由于升降斗組件作用的導(dǎo)軌為兩條平行軌道，且存在斜線、曲線和直線段3 個不同狀態(tài)，作用在兩根軌道上的兩組滾輪由一根支架連接，該支架與上滾輪支架間存在可調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)動副（圖5中①位置），且上、下兩個滾輪支架與滾輪組件之間也存在可調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)動副（圖5 中②位置），升降斗在軌道上動作時(shí)需要不斷調(diào)節(jié)滾輪的狀態(tài)來達(dá)到滾輪在軌道的一個良性受力的目的。

圖5 升降斗上滾輪支架卡澀位置

在進(jìn)行2 號機(jī)組C 側(cè)乏燃料升降斗滾輪整體更換的工作中，維修人員將升降斗組件整體拆除后，在對升降斗組件各關(guān)節(jié)部位進(jìn)行檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)升降斗上滾輪支架與升降斗組件之間的轉(zhuǎn)動副卡死，無法旋轉(zhuǎn)，而且上、下兩組滾輪連接軸在滾輪支架上均轉(zhuǎn)動困難，存在卡澀現(xiàn)象。解體后發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)軸與軸套之間以及滾輪軸與滾輪支架之間存在拉毛現(xiàn)象或銹跡。這些部位在升降斗動作時(shí)能夠隨著升降斗位置的變化對滾輪支架進(jìn)行自動調(diào)整，一旦卡澀甚至卡死，升降斗組件在動作時(shí)由于受力而發(fā)生傾斜，導(dǎo)致軌道上的滾輪受力不均，阻力增大，驅(qū)動力矩隨之增大，最終導(dǎo)致驅(qū)動失效。

維修人員對卡澀的部位進(jìn)行清潔和修復(fù)，涂抹少量防咬劑，回裝至軌道之后，滾輪支架能夠隨著位置移動自由轉(zhuǎn)動，升降斗的驅(qū)動力矩大幅降低。由于該問題會導(dǎo)致升降斗組件整體發(fā)生傾斜，使?jié)L輪受力不均，是導(dǎo)致升降斗驅(qū)動力矩在短時(shí)間內(nèi)多次偏大的根本原因，在發(fā)生升降斗驅(qū)動力矩偏大問題時(shí)要著重關(guān)注該位置狀態(tài)，盡早做出處理。

通過更換滾輪、調(diào)整滾輪間隙、修復(fù)受損的滾輪軸與偏心套、修復(fù)滾輪支架軸和軸套等措施對2 臺機(jī)組4 臺升降斗進(jìn)行了檢查和修復(fù)，逐漸將4 套升降斗的驅(qū)動力矩調(diào)整至最佳狀態(tài)（表2），自2022 年1 月以來2 臺機(jī)組還未發(fā)生升降斗因?yàn)轵?qū)動力矩增大而驅(qū)動失效的缺陷，設(shè)備可靠性得到了增強(qiáng)。

表2 升降斗當(dāng)前驅(qū)動力矩N·m

4 結(jié)束語

乏燃料升降斗系統(tǒng)由于運(yùn)輸乏燃料棒時(shí)人員無法靠近的特殊性，設(shè)備可靠性要求高。通過對缺陷工單的統(tǒng)計(jì)分類，總結(jié)乏燃料升降斗下降失效的2 種故障模式：力矩限制器故障、升降斗驅(qū)動力矩過大，對上述故障原因逐一進(jìn)行分析，并提出相對應(yīng)預(yù)防措施。通過有效的預(yù)防性維修，降低乏燃料升降斗驅(qū)動失效故障率，提高設(shè)備可靠性，避免出現(xiàn)乏燃料棒長期暴露在空氣中無法冷卻的情況，確保乏燃料棒在傳輸過程中的安全。