李海博+王炳炎

【摘 要】本文介紹了模塊化小堆堆內(nèi)設(shè)備裝卸的總體方案，對(duì)堆芯測(cè)量組件裝卸的工藝方案，主要工藝參數(shù)制定考慮的因素進(jìn)行了分析。對(duì)堆芯測(cè)量組件的專用裝卸設(shè)備進(jìn)行了詳細(xì)的描述，并結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)專用設(shè)備的主要參數(shù)及控制邏輯進(jìn)行了分析。

【關(guān)鍵詞】模塊化；堆芯測(cè)量；裝卸；專用設(shè)備

0 引言

模塊式小型反應(yīng)堆是一種基于最新的第三代反應(yīng)堆技術(shù)開發(fā)的多功能小型反應(yīng)堆。模塊化小型堆最大的特點(diǎn)是一體化、模塊化、安全性能高及多用途，實(shí)現(xiàn)了全堆系統(tǒng)一體化集成、反應(yīng)堆模塊廠內(nèi)加工、現(xiàn)場(chǎng)快速安裝[1]。該反應(yīng)堆配備了高安全性的非能動(dòng)安全系統(tǒng)，簡(jiǎn)化的系統(tǒng)方案帶來(lái)更好的可靠性和安全性，全堆模塊化設(shè)計(jì)和施工，提供更高效的運(yùn)行、安裝及檢修維護(hù)方式。

鑒于模塊式小堆體積小、占地少，相對(duì)于傳統(tǒng)大堆應(yīng)用更加靈活，能夠滿足區(qū)域性的供熱、供電，艦船反應(yīng)堆加裝等多樣性的需求，正日益受到全球核電大國(guó)的青睞。目前美日俄韓等國(guó)都在持續(xù)進(jìn)行各自的小型堆開發(fā)，如美國(guó)西屋公司牽頭開發(fā)的IRIS、俄羅斯OKMB開發(fā)的ABV小型堆、韓國(guó)的SMART、日本的MRX等。

由我國(guó)自主研發(fā)的ACP100模塊式小堆具有一體化設(shè)計(jì)特點(diǎn)，采用非能動(dòng)安全設(shè)施，總體技術(shù)達(dá)到三代核電水平。反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用一體化堆頂、內(nèi)置式直流蒸發(fā)器，以及分段式安裝的堆內(nèi)構(gòu)件，具有與傳統(tǒng)壓水堆型反應(yīng)堆不同的結(jié)構(gòu)形式。

1 概述

反應(yīng)堆堆內(nèi)設(shè)備是支撐燃料組件、控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、為冷卻劑提供流道的主要設(shè)備，在吊裝時(shí)應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行方案制定，并對(duì)起吊設(shè)備進(jìn)行仔細(xì)的受力核算[2]。ACP100模塊式小堆的堆內(nèi)構(gòu)件包括壓緊彈簧、上部壓緊筒體、下部壓緊組件、吊籃組件，以及堆芯測(cè)量組件等。其中堆芯測(cè)量組件包含了中子測(cè)量裝置、溫度測(cè)量熱電偶等，采用分散布置，集束安裝的設(shè)計(jì)方案，從堆頂貫穿進(jìn)入反應(yīng)堆堆芯內(nèi)部，對(duì)反應(yīng)堆的運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

從堆內(nèi)設(shè)備的布置形式來(lái)考慮，上部壓緊筒體與下部堆內(nèi)構(gòu)件具有完全不同的功能結(jié)構(gòu)和裝卸接口，因此上部壓緊筒體與下部壓緊組件、吊籃組件采用不同的吊裝專用設(shè)備進(jìn)行裝卸。堆內(nèi)設(shè)備的裝卸總體上包括以下工藝過(guò)程：①反應(yīng)堆開蓋前對(duì)一回路壓力邊界的卸除，包含堆芯測(cè)量組件密封結(jié)構(gòu)的解除和壓力容器密封緊固力的去除；②反應(yīng)堆開蓋后控制棒驅(qū)動(dòng)桿的脫扣及檢查、吊取；③堆芯測(cè)量組件的收取、壓緊彈簧組件和上部壓緊筒體的卸除，同時(shí)考慮整體貯存、水層屏蔽下的例行檢修工藝需求；④下部壓緊組件的卸除，以及導(dǎo)向管組件的單獨(dú)檢修工藝；⑤乏燃料組件的卸除、轉(zhuǎn)運(yùn)及貯存；⑥吊籃組件的卸除，水池內(nèi)臨時(shí)貯存、檢修以及復(fù)裝工藝。其中堆芯測(cè)量組件、上部壓緊筒體的裝卸與傳統(tǒng)壓水反應(yīng)堆完全不同。

2 堆芯測(cè)量組件同步裝卸方法

2.1 實(shí)現(xiàn)同步裝卸的工藝方案

近年來(lái)國(guó)產(chǎn)化的堆芯測(cè)量傳感器得到了普遍應(yīng)用，包括測(cè)量燃料中心溫度的套管式高溫?zé)犭娕冀M件，測(cè)量燃料包殼伸長(zhǎng)的差動(dòng)變壓器型位移傳感器以及測(cè)量輻照然料元件中子通量和通量分布的自給能探測(cè)器和測(cè)量燃料包殼溫度和考驗(yàn)元件出入口冷卻劑溫度的鎧裝熱電偶等[3]。模塊式小堆堆芯測(cè)量組件通過(guò)8個(gè)集束裝置分別插入各自導(dǎo)管內(nèi)，再深入堆芯。集束裝置安裝在上部壓緊筒體上，反應(yīng)堆卸料前需要卸除上部壓緊筒體，這樣就不得不先將堆芯測(cè)量組件提出堆芯，并且必須將其提升至一個(gè)較高的高度，使得堆芯測(cè)量組件最下端的核心段進(jìn)入壓緊筒體上的導(dǎo)管內(nèi)部，避免在復(fù)裝時(shí)由于脫離導(dǎo)向而無(wú)法再次裝入堆芯。因此堆芯測(cè)量組件在換料時(shí)就存在一個(gè)實(shí)現(xiàn)與上部壓緊筒體同步裝卸的問題。

目前AP1000的堆芯測(cè)量組件在檢修時(shí)采用整體更換的方案，即將其支撐架整體拆除進(jìn)入專用存放架上后再逐組處理探測(cè)器組件。由于模塊式小堆支承堆芯測(cè)量組件的集束裝置與上部壓緊筒體采用了一體化設(shè)計(jì)，沒有單可供獨(dú)吊裝的支撐架，因此探測(cè)器組件必須先行進(jìn)行提升卸除操作。為實(shí)現(xiàn)與上部壓緊筒體的同步卸除，我們?cè)谄鋵Ｓ玫蹙呱霞友b了堆芯測(cè)量組件的裝拆裝置，在吊取筒體的同時(shí)將堆芯測(cè)量組件提出堆芯，一起運(yùn)至存放水池內(nèi)，并實(shí)現(xiàn)探測(cè)器的臨時(shí)固定功能。其拆卸和復(fù)裝的方法如圖1所示。拆卸時(shí)，先進(jìn)行解除密封操作；然后使用專用吊具進(jìn)行上部壓緊筒體的吊取以及同時(shí)實(shí)現(xiàn)堆芯測(cè)量組件操作段的裝夾；之后將堆芯測(cè)量組件提升約3.7米，直至其下端完全脫離堆芯進(jìn)入上部壓緊筒體導(dǎo)管內(nèi)；就位后在上位對(duì)其進(jìn)行臨時(shí)固定操作；逐組進(jìn)行提升、固定操作，直至全部組件脫離堆芯；最后使用專用吊具將上部壓緊筒體和堆芯測(cè)量組件同時(shí)吊運(yùn)至存放水池進(jìn)行存放；復(fù)裝時(shí)則先將兩者同時(shí)吊運(yùn)至堆內(nèi)，再分別將堆芯測(cè)量組件逐組插入堆芯內(nèi)部，最后進(jìn)行密封操作。

2.2 工藝參數(shù)制定考慮的主要因素

工藝參數(shù)的制定和專用設(shè)備主要設(shè)計(jì)參數(shù)的確定需要考慮反應(yīng)堆廠房?jī)?nèi)與裝卸工藝路徑相關(guān)的環(huán)境條件、操作對(duì)象的狀態(tài)及其與反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系、同時(shí)從輻射防護(hù)的角度還應(yīng)將人員安全、輻射屏蔽等因素考慮在內(nèi)。通過(guò)分析，綜合各方面的因素來(lái)確定堆芯測(cè)量組件的上位標(biāo)高、裝夾位置標(biāo)高、專用工具尺寸等詳細(xì)參數(shù)。

堆芯測(cè)量組件解除密封后，提升前頂端接頭位于標(biāo)高-5.7米處（水池蓋板位置為0米標(biāo)高），組件總長(zhǎng)約8米，在下位時(shí)底端置于堆芯內(nèi)部。專用吊具就位于上部壓緊筒體法蘭上，為保證吊具上部不入水，吊具操作位置應(yīng)高于堆水池實(shí)際水深，其尺寸約8.5米。堆芯測(cè)量組件與上部壓緊筒體共同起吊后為保證輻射屏蔽效果，筒體法蘭距離水面至少約2米。考慮組件長(zhǎng)度，實(shí)際提升進(jìn)入筒體內(nèi)的位置應(yīng)保證起吊后平移操作開始時(shí)，下端頭位于實(shí)際標(biāo)高-6.5米處；而組件抽出和插入操作的裝夾位置則應(yīng)考慮吊具上的堆芯測(cè)量組件輔助操作裝置所能到達(dá)的最低位置，使其位于堆芯測(cè)量組件頂端向下約0.8米處，起吊前實(shí)際標(biāo)高位置為-6.5米。

3 專用設(shè)備研制

3.1 功能及組成

堆芯測(cè)量組件操作裝置是上部壓緊筒體吊具的一部分，安裝在吊具的中下部，但該裝置卻是單獨(dú)控制的一套完整的自動(dòng)化操作設(shè)備。它完成的主要功能包括：①堆芯測(cè)量組件在上下兩個(gè)位置的裝夾；②堆芯測(cè)量組件的提升操作、插入操作；③堆芯測(cè)量組件在上端位置的定位。

該操作裝置共分為三層結(jié)構(gòu)，最上層包含一圈定位夾頭，在堆芯測(cè)量組件上位實(shí)施臨時(shí)固定；中層為提升裝置，拆卸階段在實(shí)施夾持后提升堆芯測(cè)量組件至上位；下層為復(fù)裝機(jī)構(gòu)，在復(fù)裝階段通過(guò)夾持、插入動(dòng)作，將組件逐組插入壓緊筒體，使其恢復(fù)至下位安裝位置。上層定位夾頭與提升及插入裝置分開布置，操作裝置試驗(yàn)樣機(jī)主體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

提升裝置由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、絲杠、導(dǎo)向桿、提升板、鎖緊裝置組成。電機(jī)和絲杠、導(dǎo)向桿等部件組成線性運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，鎖緊裝置安裝于提升板上隨其進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)。鎖緊裝置內(nèi)置凸輪壓緊機(jī)構(gòu)，當(dāng)操作把手在手動(dòng)或氣動(dòng)驅(qū)使下進(jìn)行旋轉(zhuǎn)時(shí)，內(nèi)置的凸輪壓緊機(jī)構(gòu)將驅(qū)動(dòng)中心的卡套實(shí)現(xiàn)伸縮動(dòng)作，卡套伸出時(shí)，堆芯測(cè)量裝置端頭將被鎖死，縮回時(shí)則釋放。端頭鎖死后再進(jìn)行提升，反之到達(dá)下位后則進(jìn)行釋放操作。

下層復(fù)裝機(jī)構(gòu)由夾持裝置、推送機(jī)構(gòu)、就位滑槽等幾個(gè)部分組成。其中就位滑槽是一組可供復(fù)裝機(jī)構(gòu)在工作位置和非工作位置之間移動(dòng)的滑軌機(jī)構(gòu)，需要進(jìn)行插入操作時(shí)則在手動(dòng)或氣動(dòng)作用下移動(dòng)至工作位置。在試驗(yàn)樣機(jī)中，由于只進(jìn)行了單根堆芯測(cè)量組件的插入試驗(yàn)，因此滑槽設(shè)計(jì)為直線式，在實(shí)際產(chǎn)品中將進(jìn)行4根堆芯測(cè)量組件的操作，因此滑槽形式將根據(jù)實(shí)際情況更改為均布的環(huán)形滑軌。推送裝置由內(nèi)置氣缸、固定板和推動(dòng)板組成，氣缸安裝在固定板上，推動(dòng)板將在氣動(dòng)作用下作上下運(yùn)動(dòng)。夾持裝置則安裝在推動(dòng)板的最底端，夾持裝置內(nèi)置雙層楔形夾緊塊，外形為開放的C形結(jié)構(gòu)，便于堆芯測(cè)量組件夾持段進(jìn)入夾緊機(jī)構(gòu)內(nèi)，在組件進(jìn)入夾緊機(jī)構(gòu)后，通過(guò)推動(dòng)裝置的上下運(yùn)動(dòng)，即可實(shí)現(xiàn)組件的自動(dòng)夾緊、推送、插入、松弛的動(dòng)作循環(huán)。

3.2 設(shè)計(jì)參數(shù)及控制邏輯

3.2.1 提升及夾持力

為了明確夾緊機(jī)構(gòu)的實(shí)際最大夾持力以及提升組件所需的提升力，我們開展了大量的試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的收集，得出了提升和推送力的最大值，從而得出了所需的夾持力。試驗(yàn)時(shí)考慮了全部集束管的形態(tài)，取其中具有最大彎曲量的2種集束管狀態(tài)，進(jìn)行了單根堆芯測(cè)量組件提升及推送力測(cè)試。在堆芯測(cè)量組件夾持塊上加裝測(cè)力計(jì)，人工手動(dòng)對(duì)組件全程進(jìn)行提升和推送，并記錄每一步操作力的最大測(cè)量值，實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示，在具有最大彎曲量的集束狀態(tài)下，全程推送力最大值為550N，提升力最大值為584N。

3.2.2 運(yùn)行邏輯及控制方案

從提高工作效率方面考慮，堆芯測(cè)量組件操作裝置分別設(shè)置提升組件和推送組件，兩者分別執(zhí)行不同的操作任務(wù)，通過(guò)同一套控制器進(jìn)行控制。

用于操作裝置動(dòng)作控制的參數(shù)來(lái)源于裝置上安裝的多個(gè)數(shù)據(jù)采集及行程傳感設(shè)備。動(dòng)作控制點(diǎn)的設(shè)置主要包括：①上行程最頂端的上到位行程開關(guān)對(duì)上到位信號(hào)進(jìn)行判斷；②上部氣動(dòng)開關(guān)進(jìn)行上端鎖定裝置狀態(tài)判斷；③絲桿驅(qū)動(dòng)電機(jī)編碼器對(duì)堆芯測(cè)量組件的提升位置進(jìn)行監(jiān)測(cè)；④操作裝置下端下到位行程開關(guān)對(duì)下到位信號(hào)進(jìn)行判斷；⑤推送裝置位置行程開關(guān)進(jìn)行就位狀態(tài)判斷；⑥推送動(dòng)作丟步判斷；⑦推送力及提升力監(jiān)測(cè)。

堆芯測(cè)量組件操作裝置控制邏輯如圖3所示。運(yùn)動(dòng)動(dòng)作分為提升和推送兩部分，推送力監(jiān)測(cè)及提升力監(jiān)測(cè)全程同步進(jìn)行，一旦檢測(cè)量與設(shè)定值偏差超過(guò)50%，則緊急停機(jī)。提升過(guò)程中位置信號(hào)監(jiān)測(cè)全程同步，并在操作界面上進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。推送過(guò)程中丟步檢測(cè)在每一推送步中均要進(jìn)行，任何時(shí)候出現(xiàn)丟步都應(yīng)停機(jī)并重新進(jìn)行位置數(shù)據(jù)校準(zhǔn)。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)模塊化小堆堆內(nèi)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)及布置、裝拆方案分析，形成了堆芯測(cè)量組件裝卸的具體工藝方法。通過(guò)開展試驗(yàn)的方式確定了力學(xué)參數(shù)和設(shè)計(jì)輸入，最終設(shè)計(jì)完成的堆芯測(cè)量組件操作裝置能夠完全適應(yīng)組件的安裝和拆卸要求，通過(guò)合理的邏輯動(dòng)作控制達(dá)到最優(yōu)的工作效率和良好的可靠性。

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[責(zé)任編輯：楊玉潔]