核設(shè)施退役技術(shù)分析

張元平

核設(shè)施退役過程中的重難點技術(shù)工作是反應(yīng)堆及一回路內(nèi)的涉核物項拆除及處置，其中反應(yīng)堆壓力容器與支撐結(jié)構(gòu)切割分離和反應(yīng)堆屏蔽結(jié)構(gòu)的切割拆除又是其中極為重要的一項工作。反應(yīng)堆支撐結(jié)構(gòu)是反應(yīng)堆壓力容器的重要支撐結(jié)構(gòu)件，其已被活化，表面輻射劑量率水平較高，屬于中高劑量放射性廢物，其上端與壓力容器焊接為一體，下端與附屬支撐結(jié)構(gòu)焊接相連。在壓力容器拆除時，需要將支撐結(jié)構(gòu)與壓力容器切割分離，壓力容器拆吊后，在空氣中對支撐結(jié)構(gòu)中水上部分進行切割解體，然后在拆除縱向固定機構(gòu)后，對支撐結(jié)構(gòu)下半部分進行水下切割解體。由于反應(yīng)堆屏蔽結(jié)構(gòu)采用夾鉛的特殊結(jié)構(gòu)，所以在退役拆解過程中不能使用熱切割(基于鉛低沸點的物理特性，熱切割時會產(chǎn)生鉛蒸汽造成污染，容易引起工作人員鉛中毒)，故只能采用冷切割的方式進行拆除，同時目標產(chǎn)品核安全等級高、拆除難度大、切割工藝要求嚴。

為了完成上述核設(shè)施退役過程中反應(yīng)堆壓力容器與支撐結(jié)構(gòu)切割分離和反應(yīng)堆屏蔽結(jié)構(gòu)的切割拆除任務(wù)，本文提出了一種能夠?qū)崿F(xiàn)遠距離操作和現(xiàn)場控制操作相結(jié)合的切割拆除技術(shù)，選用等離子切割技術(shù)實現(xiàn)反應(yīng)堆支撐結(jié)構(gòu)水下和水上部位的切割拆除，選用疊加超高壓水射流切割技術(shù)進行反應(yīng)堆屏蔽結(jié)構(gòu)切割拆除,實現(xiàn)夾鉛屏蔽結(jié)構(gòu)的冷態(tài)切割，同時根據(jù)核設(shè)施退役現(xiàn)場空間接口尺寸靈活配備各切割設(shè)備安裝基架平臺，然后再通過電氣控制系統(tǒng)對上述各設(shè)備進行系統(tǒng)集成與功能控制，進而解決反應(yīng)堆壓力容器與支撐結(jié)構(gòu)切割分離和反應(yīng)堆屏蔽結(jié)構(gòu)的切割拆除問題。

一、核設(shè)施退役切割技術(shù)論證分析

核設(shè)施退役切割技術(shù)實施主要流程為：由電氣控制系統(tǒng)通過程序操控設(shè)備安裝基架平臺的機械運動系統(tǒng)，確保各類割炬按規(guī)定的切割工藝要求進行切割軌跡運行，完成對所設(shè)定位置或部位的切割，實體設(shè)備部分主要由機械運動系統(tǒng)、等離子切割系統(tǒng)、超高壓水射流切割系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)四部分組成。

（一）機械運動系統(tǒng)

機械運動系統(tǒng)主要由基架、下車、上車、割炬升降與回轉(zhuǎn)機構(gòu)等組成，底部為帶有支腿的矩形基架?；艿囊粚M梁上載有一個下車，可實現(xiàn)Y 軸方向的直線運動；下車橫梁上載有一個上車，可實現(xiàn)x 軸方向的直線運動；上車載有升降管支架，安裝其內(nèi)的升降管可實現(xiàn)Z 軸方向的直線運動；安裝于上車車盤上的水平旋轉(zhuǎn)齒輪，通過上車的驅(qū)動裝置，可帶動安放其上的升降管支架等部件實現(xiàn)繞Z 軸(鉛直方向)的水平旋轉(zhuǎn)運動，構(gòu)成旋轉(zhuǎn)C 軸。

在上述四個軸的運動中，由X、Y、Z 三個軸合成的直線運動，可使裝于升降管下端的割炬沿要求的平面或空間任意軌跡到達基架所圍成筒體空間的各點，再通過與C 軸的旋轉(zhuǎn)聯(lián)動，可在切割平面或曲面時，調(diào)整割炬始終能保持與切割工件曲面切線的垂直，即切割點軌跡可以是平面內(nèi)也可以是空間內(nèi)的直線、曲線，因此可滿足不同的使用要求，其主要切割組合方式如下：

1.水平直線：X.Y 軸合成實現(xiàn)；

2.水平圓環(huán)：X.Y.C 軸合成實現(xiàn)；

3.垂直直線：Z 軸實現(xiàn)；

4.垂直圓環(huán)：Z，C 軸合成實現(xiàn)。

（二）等離子切割系統(tǒng)

數(shù)控等離子切割技術(shù)是集數(shù)控技術(shù)、等離子切割技術(shù)、逆變電源于一體的高新技術(shù)[1]，等離子切割系統(tǒng)主要由主電源箱、切割控制器、匯流氣排、冷卻水增壓器、傳輸線纜和接線板、高頻引弧箱、割炬七部分組成。選用等離子切割方式進行反應(yīng)堆壓力容器支撐結(jié)構(gòu)切割拆除時，將等離子切割割炬依附安裝在機械運行系統(tǒng)的Z 軸下端位置的割炬夾持機構(gòu)上，結(jié)合數(shù)控系統(tǒng)的程序操作可順利執(zhí)行反應(yīng)堆壓力容器支撐結(jié)構(gòu)的切割實施，等離子切割系統(tǒng)配設(shè)時主要選型特點如下：

1.盡量選擇目前國內(nèi)可靠性較高的大電流等離子弧切割機，以增加切割厚度；

2.主電源箱、氣源、水源等與割炬之間的傳輸距離應(yīng)滿足現(xiàn)場距離要求；

3.切割時應(yīng)能實時反饋切割電流、電壓等設(shè)備主要運行參數(shù)。

為滿足現(xiàn)場切割要求，等離子切割系統(tǒng)控制分就地控制和集中控制兩種方式，兩種方式均設(shè)有斷弧報警、斷弧坐標記憶功能，具體控制方式如下。

1.就地控制：通過等離子切割設(shè)備自身開關(guān)進行控制，步驟如下。

打開等離子電源開關(guān)→開啟水循環(huán)系統(tǒng)一開啟工作氣并形成水幕→等離子切割機控制器起弧→等離子切割機控制器熄弧。

2.集中控制：通過控制柜集中控制等離子設(shè)備的起弧、滅弧，步驟如下。

打開等離子電源開關(guān)→開啟水循環(huán)系統(tǒng)→按下控制面板自定義鍵選擇進入等離子界面→選擇等離子模式后，便可通過控制面板上起弧、斷弧自定義鍵對等離子設(shè)備進行控制。

（三）超高壓水射流切割系統(tǒng)

超高壓水射流切割是通過高壓發(fā)生器將水增壓后，利用虹吸抽取砂管中的石榴砂來提高切割物體效率，又被稱做水刀，屬于冷切割工藝，切割后材料的機械與物理性能以及材質(zhì)的晶間結(jié)構(gòu)均不會遭到破壞[2]。超高壓水射流切割系統(tǒng)主要由高壓發(fā)生器、切割槍、供砂系統(tǒng)、循環(huán)水泵、水箱、水刀持臂組件等組成。將超高壓水射流切割割炬依附安裝在機械運行系統(tǒng)的Z 軸下端位置的割炬夾持機構(gòu)上，結(jié)合數(shù)控系統(tǒng)的程序操作可順利執(zhí)行反應(yīng)堆壓力容器夾鉛屏蔽結(jié)構(gòu)的切割實施。超高壓水射流切割系統(tǒng)配設(shè)時應(yīng)滿足以下要求：

1.增壓器系統(tǒng)和切割系統(tǒng)應(yīng)保證在超高工作壓力下設(shè)備運行的穩(wěn)定性；

2.設(shè)備輸出壓力持續(xù)穩(wěn)定，達到物項切割要求；

3.油泵電機功率符合要求，能夠確保壓力穩(wěn)定，確保切割效率優(yōu)良；

4.切割頭應(yīng)能夠360°旋轉(zhuǎn)，可以切割任意角度位置的物體。

為滿足現(xiàn)場切割要求，高壓水切割系統(tǒng)的控制與等離子控制系統(tǒng)控制方式一樣，分就地控制和集中控制，具體控制方式如下。

1.就地控制：通過超高壓水射流切割設(shè)備開關(guān)進行控制，步驟如下。

確保設(shè)備水、電、氣、砂都準備好后，打開自動供砂系統(tǒng)氣源開關(guān)，由儲砂罐向自動供沙閥內(nèi)供砂→開啟高壓發(fā)生器油泵開關(guān)，直至油泵運轉(zhuǎn)平穩(wěn)→開啟高壓發(fā)生器高壓運行開關(guān)，超高壓水射流切割系統(tǒng)開始工作→關(guān)閉停止切割時，則關(guān)閉高壓發(fā)生器高壓運行開關(guān)→關(guān)閉高壓發(fā)生器油泵開關(guān)→切斷供電開關(guān)，切割結(jié)束。

2.集中控制：通過控制柜集中控制超高壓水射流切割系統(tǒng)的油泵開/關(guān)、高壓開/關(guān)，步驟如下。

確保各設(shè)備水、電、氣、砂準備就緒后→開啟自動供砂系統(tǒng)氣源，往自動供沙閥內(nèi)供砂→按下控制柜控制面板自定義鍵，選擇水刀手動模式，選擇水刀切割模式→開啟按下油泵開，高壓開，水刀系統(tǒng)開始工作→關(guān)閉按下高壓關(guān)，油泵關(guān)，水刀系統(tǒng)停止工作，緊急情況下可按下水刀急停鍵。

（四）電氣控制系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)主要由數(shù)控系統(tǒng)、全數(shù)字化驅(qū)動系統(tǒng)、自動補償裝置、專業(yè)手持終端、伺服電機、編碼器、位置開關(guān)等組成，數(shù)控系統(tǒng)通過與驅(qū)動系統(tǒng)的集成，配合自動化系統(tǒng)構(gòu)成完整的數(shù)字化系統(tǒng)。由于機械運動系統(tǒng)的主要運動軌跡是由X,Y,Z 軸三個直線運動與C 軸旋轉(zhuǎn)運動合成的，所以需要精確地控制各軸的位置。因此，在這四個運動軸上均裝有高精度光電編碼器，以便能夠及時記憶和反饋各軸的實時位置信息，實現(xiàn)閉環(huán)控制。其主要控制系統(tǒng)功能包括下述內(nèi)容：

1.設(shè)置切割起點、終點的坐標數(shù)據(jù)，切割長度、角度等參數(shù)設(shè)置功能；

2.切割過程規(guī)劃和編程；

3.零點跟蹤返回；

4.程序控制切割實施；

5.現(xiàn)場操作和遙控操作；

6.切割路徑及實時工作狀態(tài)顯示。

二、核設(shè)施退役切割技術(shù)影響評價

核設(shè)施退役切割專用技術(shù)的設(shè)計開發(fā)，解決了我國核設(shè)施退役反應(yīng)堆放射性物項安全切割拆除的重大難題，提升了核退役保障系統(tǒng)專用設(shè)備及技術(shù)的質(zhì)量和效率，極大地降低了核設(shè)施退役為國家?guī)淼暮税踩芸仫L(fēng)險，增強了我國在核設(shè)施退役領(lǐng)域的技術(shù)實力，使我國形成了從核設(shè)施設(shè)計開發(fā)、制造運行到退役拆除完整閉環(huán)的全流程技術(shù)管理能力。

三、結(jié)語

核設(shè)施退役既是一項大型復(fù)雜的技術(shù)工作，更是一件影響深遠的政治工作，因為它涉及到環(huán)境保護、公眾利益和國土安全[3]。隨著核設(shè)施退役任務(wù)的常態(tài)化開展，核設(shè)施退役保障要求的不斷提高，我們只有通過不斷學(xué)習(xí)和總結(jié)核設(shè)施退役活動中的各類經(jīng)驗反饋，不斷研制和開發(fā)各類新裝備新技術(shù)，才能將核設(shè)施退役任務(wù)開展過程中的各類風(fēng)險有效降低,才能順利開展核設(shè)施退役工作,才能切實做到核設(shè)施退役實施過程的合理可控。中國軍轉(zhuǎn)民