小堆裝卸料機(jī)關(guān)鍵制造技術(shù)研究

李軍

（西安核設(shè)備有限公司，西安 710021）

0 引言

裝卸料機(jī)是核電廠燃料操作與貯存系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一，它橫跨于反應(yīng)堆廠房換料水池上方，由提升、抓取、旋轉(zhuǎn)、運(yùn)行、定位、報(bào)警和顯示系統(tǒng)等部分組成，能做X、Y、Z三個(gè)坐標(biāo)軸方向的運(yùn)動，在堆腔內(nèi)能做0°～270°范圍內(nèi)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。在停堆換料期間，可以在水下抓取具有高放射性的核燃料組件，并能在堆芯和燃料運(yùn)輸系統(tǒng)或暫存架之間輸送和裝卸燃料組件，能安全可靠地完成堆芯燃料組件更換和倒換作業(yè)[1]。

“ACP100”是中核集團(tuán)經(jīng)過十余年自主研發(fā)的多功能模塊化小型壓水堆堆型?；谛《研脱b卸料機(jī)在燃料組件長度、運(yùn)行路徑和操作標(biāo)高等設(shè)計(jì)輸入條件方面與以往的M310堆型和華龍堆型設(shè)備相比均存在較大差異，為減少堆芯布置及操作標(biāo)高等設(shè)計(jì)輸入條件對設(shè)備性能的不利影響，降低設(shè)備設(shè)計(jì)和工程供貨風(fēng)險(xiǎn)，小堆裝卸料機(jī)關(guān)鍵部件樣機(jī)應(yīng)采用可靠且經(jīng)過科研驗(yàn)證的技術(shù)和結(jié)構(gòu)，以確保裝卸料機(jī)能夠滿足安全、高效操作燃料組件的要求[2]。

1 研制總體技術(shù)

1.1 關(guān)鍵部件構(gòu)成

小堆裝卸料機(jī)關(guān)鍵部件由以下部分組成：1）主起升機(jī)構(gòu)。裝卸料機(jī)執(zhí)行垂直方向運(yùn)行功能的部件。2）上部塔架結(jié)構(gòu)。主起升機(jī)構(gòu)的支承和保持中心運(yùn)動的結(jié)構(gòu)件。3）固定套筒。用于燃料組件保護(hù)和伸縮套筒升降導(dǎo)向的管狀部件，燃料組件在運(yùn)輸過程中整體位于固定套筒內(nèi)部。4）伸縮套筒。裝卸料機(jī)上連接抓具和主起升鋼絲繩的部件，用于實(shí)現(xiàn)抓具在垂直方向的運(yùn)動。5）抓具。用于對燃料組件實(shí)施抓取和釋放操作的部件。

1.2 研制內(nèi)容

按照合同和科研技術(shù)任務(wù)書的要求，需要完成小堆裝卸料機(jī)關(guān)鍵部件科研樣機(jī)的加工制造、電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)集成、試驗(yàn)臺架設(shè)計(jì)搭建，以及科研樣機(jī)的組裝、調(diào)試和試驗(yàn)等內(nèi)容。

圖1 小堆裝卸料機(jī)

1.3 研制技術(shù)方案

1）機(jī)械關(guān)鍵部件的加工制造。機(jī)械關(guān)鍵部件都是影響裝卸料精度和性能的重要鋼結(jié)構(gòu)部件。根據(jù)各零部件的設(shè)計(jì)圖樣和功能使用，從原材料質(zhì)量控制、制造工藝優(yōu)化、焊接工藝評定和無損檢測等方面進(jìn)行一系列的創(chuàng)新性改進(jìn)，對其加工制造過程中要求的各關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行了重點(diǎn)控制，確保各部件精度滿足設(shè)計(jì)文件要求。

2）電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)集成。發(fā)揮“小核心、大協(xié)作”創(chuàng)新戰(zhàn)略優(yōu)勢，與專業(yè)自動化研究所合作開展“電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)集成”的研發(fā)，共同推動產(chǎn)學(xué)研深度融合。電控系統(tǒng)整體由操作臺、伺服驅(qū)動系統(tǒng)、位置編碼器、提升稱重系統(tǒng)和現(xiàn)場開關(guān)等部分組成，并通過電氣互聯(lián)實(shí)現(xiàn)完整的裝卸料機(jī)監(jiān)測與控制功能。

3）試驗(yàn)臺架設(shè)計(jì)搭建。結(jié)合公司內(nèi)部實(shí)際承制設(shè)備狀態(tài)，通過對華龍堆型和小堆堆型設(shè)備相關(guān)接口尺寸和空間布局尺寸進(jìn)行綜合分析評估，小堆裝卸料機(jī)研制采用廠內(nèi)正在承制的華龍一號堆型某核電項(xiàng)目裝卸料機(jī)大、小車作為配套試驗(yàn)臺架，相關(guān)接口尺寸和空間布局基本吻合。根據(jù)操作標(biāo)高要求對堆芯底座高度進(jìn)行提升抬高調(diào)整，滿足了抓具抓取燃料組件主起升全行程要求。驅(qū)動抓具抓取、釋放的壓縮空氣系統(tǒng)也采用此核電項(xiàng)目壓縮空氣系統(tǒng)各零部件作為配套，用于整機(jī)調(diào)試試驗(yàn)。

4）樣機(jī)的組裝、調(diào)試和試驗(yàn)。以固定套筒齒輪旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)組裝為基礎(chǔ)，嚴(yán)格按設(shè)計(jì)要求對相關(guān)部件裝配指標(biāo)進(jìn)行質(zhì)量檢測控制。從各子系統(tǒng)的單體調(diào)試（14個(gè)小項(xiàng)）到整機(jī)機(jī)電聯(lián)調(diào)（12個(gè)小項(xiàng)），提出各類關(guān)鍵點(diǎn)的控制及調(diào)整的方法、步驟。通過37項(xiàng)嚴(yán)格的功能性試驗(yàn)（模擬實(shí)際運(yùn)行工況及事故工況），驗(yàn)證小堆裝卸料機(jī)關(guān)鍵部件對燃料組件操作的安全可靠性、靈活性、穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，并檢測小堆裝卸料機(jī)關(guān)鍵部件的各項(xiàng)性能指標(biāo)是否滿足設(shè)計(jì)要求。

2 關(guān)鍵制造技術(shù)

2.1 主起升焊接構(gòu)件的精密加工技術(shù)

主起升構(gòu)件由鋼架結(jié)構(gòu)和塔架結(jié)構(gòu)兩個(gè)單獨(dú)的部件通過螺栓連接而成。鋼架結(jié)構(gòu)是由型鋼組焊而成的框式焊接結(jié)構(gòu)件，其上面安裝有主起升電動機(jī)減速機(jī)、鋼絲繩卷筒、吊點(diǎn)支架、制動器等。塔架是圓筒框架式焊接構(gòu)件，它安裝在固定套筒上法蘭面上，支撐鋼架結(jié)構(gòu)。鋼架結(jié)構(gòu)和塔架結(jié)構(gòu)組裝后要保證整體同心度，所以兩者加工的關(guān)鍵點(diǎn)是塔架下部法蘭的中心與上部鋼架結(jié)構(gòu)各孔組所形成的中心要在同一軸線上。

主起升焊接構(gòu)件的關(guān)鍵制造技術(shù)為：1）鋼架結(jié)構(gòu)的組對焊接采用“三維柔性焊接鋼平臺定位焊接”，利用平臺自帶的專用夾具可實(shí)現(xiàn)鋼架結(jié)構(gòu)的精確定位和夾緊功能，以減小整體的焊接變形；2）整體精密機(jī)加工采取“輔助工藝墊板，轉(zhuǎn)化統(tǒng)一基準(zhǔn)”方式，分別確保鋼架結(jié)構(gòu)和塔架的各安裝孔系相對位置準(zhǔn)確，以此來保障伸縮套筒整體吊點(diǎn)位置準(zhǔn)確。

2.2 固定套筒管與法蘭的定位裝配技術(shù)

固定套筒主要由法蘭、不銹鋼管[3]、卡箍等焊接而成，總長度約為8 m。固定套筒通過回轉(zhuǎn)軸承安裝在小車架的法蘭上，為伸縮套筒提供導(dǎo)向和支承，并保持伸縮套筒處于垂直狀態(tài)。為了保證整體機(jī)加工過程中卡箍導(dǎo)向輪安裝面與法蘭端面的垂直度，必須保證鉚焊階段套筒管與法蘭的組對精度。

固定套筒的關(guān)鍵制造技術(shù)是套筒管與法蘭裝配方式采用“止口式帶公差配合的精確裝配定位”。套筒管在單件齊頭定基準(zhǔn)過程中，在保證圖樣最小壁厚的前提下同時(shí)加工出定位止口，與法蘭公差配合。這樣裝配后可以進(jìn)一步提高法蘭面和卡箍的裝配精確度，有效減小組對誤差，更能保證法蘭和套筒管的同軸度和垂直度要求。

2.3 伸縮套筒的加工技術(shù)

伸縮套筒是連接抓具和主起升鋼絲繩的部件，用于實(shí)現(xiàn)抓具在垂直方向的運(yùn)動。它由大長度、薄管壁的不銹鋼管與其它小型不銹鋼零件焊接而成，全長近9 m，筒身兩側(cè)導(dǎo)軌的加工精度極高。由于這類薄壁不銹鋼細(xì)長桿狀焊接構(gòu)件剛性極差、易變形，其整體加工技術(shù)一直是機(jī)械加工行業(yè)里的難點(diǎn)，況且此伸縮套筒又比以往堆型裝卸料機(jī)伸縮套筒長度還長1 m左右，加工難度大幅提高。

伸縮套筒最主要的加工難點(diǎn)在于加工應(yīng)力的消除。此關(guān)鍵制造技術(shù)是通過“來回翻轉(zhuǎn)、小切削量、多道加工，同時(shí)穿插自然時(shí)效”的工藝方法，過程中釋放應(yīng)力，最大限度地消除加工應(yīng)力對導(dǎo)軌整體精度的影響。

2.4 抓具立柱焊接結(jié)構(gòu)體的加工技術(shù)

楔塊自鎖式抓具是一種全新結(jié)構(gòu)形式的抓具。立柱焊接結(jié)構(gòu)體是整個(gè)抓具部件的安裝載體，是由1個(gè)不銹鋼叉形板和4個(gè)不銹鋼半圓型立柱通過卡槽定位焊接為一體的焊接結(jié)構(gòu)件。此焊接構(gòu)件的設(shè)計(jì)非常特殊，立柱下部空間沒有任何剛性固定和相互牽制，整體剛度較弱，在焊接過程中極易引起立柱無規(guī)律變形（內(nèi)收、外張或者扭曲），導(dǎo)致焊后整體尺寸超差嚴(yán)重；另外，由于剛度和焊接應(yīng)力的共同影響，機(jī)加工過程中伴隨有加工變形發(fā)生，從而喪失原有的加工精度。

圖2 伸縮套筒

立柱焊接結(jié)構(gòu)體加工難點(diǎn)在于如何防止焊接變形及焊后如何消除內(nèi)應(yīng)力，保證最終加工后尺寸的穩(wěn)定性。此關(guān)鍵制造技術(shù)在于采用“設(shè)計(jì)制作專用夾具工裝，焊后3種應(yīng)力消除結(jié)合，數(shù)控坐標(biāo)定位精密加工”的新工藝方法來控制和預(yù)防這種焊接構(gòu)件的變形，并對其產(chǎn)生的焊接變形進(jìn)行矯正，以保證整體構(gòu)件的尺寸穩(wěn)定性及最終機(jī)加工精度的準(zhǔn)確性。

3 創(chuàng)新性和先進(jìn)性

3.1 制造關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

3.1.1 主起升鋼絲繩卷筒結(jié)構(gòu)優(yōu)化

將主起升鋼絲繩卷筒左右捻繩槽有效圈數(shù)各增加2圈，鋼絲繩壓板安裝孔順繩槽螺旋線方向布置。首次從設(shè)計(jì)和制造加工上徹底解決了鋼絲繩纏繞圈數(shù)和鋼絲繩頭壓板安裝孔的布置問題，加強(qiáng)了鋼絲繩的防滑作用，滿足起升高度有效行程的要求[4]。

3.1.2 懸吊頭結(jié)構(gòu)改進(jìn)

將懸吊頭整體組焊結(jié)構(gòu)改為3個(gè)精加工零件通過機(jī)械裝配連接的結(jié)構(gòu)形式。解決了因整體焊后機(jī)加工形狀和定位公差尺寸不穩(wěn)定而導(dǎo)致的最終組裝困難問題。

將懸吊頭上支板下方吊耳由焊接結(jié)構(gòu)改為止口公差定位、螺栓固定裝配為一體結(jié)構(gòu)。解決了焊后整體加工困難的問題，同時(shí)也提高了整體的同心度。

3.2 調(diào)試關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

3.2.1 試驗(yàn)用模擬燃料組件的自主設(shè)計(jì)制造與應(yīng)用

根據(jù)小堆堆型燃料組件的相關(guān)技術(shù)參數(shù)，針對公司以往使用的模擬燃料組件的缺陷，設(shè)計(jì)開發(fā)全新的模擬燃料組件。該模擬組件結(jié)構(gòu)更簡化合理，降低加工難度并減少制造工序，易保證尺寸及形位公差，且整體外觀更為美觀，解決了裝卸料機(jī)在調(diào)試過程中需要使用模擬燃料組件來完成的相關(guān)試驗(yàn)項(xiàng)目。

圖3 主起升鋼絲繩卷筒

3.2.2 新型帶針試驗(yàn)裝置自主設(shè)計(jì)制作與應(yīng)用

針對新型楔塊式抓具的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，自主設(shè)計(jì)制作了一套新式可拆卸、精度高的帶針試驗(yàn)裝置。該裝置利用抓具本體的上法蘭作為載體，設(shè)計(jì)簡單、合理、緊湊且易安裝，解決了裝卸料機(jī)所有試驗(yàn)項(xiàng)目中最難的對中精度試驗(yàn)和回轉(zhuǎn)精度試驗(yàn)問題。

圖4 小堆模擬燃料組件

4 結(jié)論

小堆裝卸料機(jī)的成功研制，為后續(xù)項(xiàng)目市場承攬打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。此次研制的成功，解決了多項(xiàng)重要技術(shù)難點(diǎn)，是對“ACP100小堆”技術(shù)國產(chǎn)化的有力支持，將創(chuàng)造良好的經(jīng)濟(jì)效益和顯著的社會效益。

核燃料裝卸與貯存系統(tǒng)（PMC系統(tǒng)）承擔(dān)著核電廠核燃料組件裝卸與儲存的重要功能，是核電廠實(shí)現(xiàn)帶核運(yùn)行的一項(xiàng)前提條件，現(xiàn)已引起越來越多的關(guān)注，專業(yè)化程度也越來越高。小堆裝卸料機(jī)的成功研制，對于推動核電安全發(fā)展和自主創(chuàng)新具有重要意義[5]。