沈佳偉，郭 亮，鄧艷超，杜 凱，吳小龍

（中核核電運(yùn)行管理有限公司 維修支持處，浙江 嘉興 314300）

CNP300壓水堆機(jī)組采用磁力提升式控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，隨著機(jī)組運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，將出現(xiàn)輻照后控制棒驅(qū)動(dòng)桿拆裝的特殊檢修需求。CNP300機(jī)組共有37根控制棒驅(qū)動(dòng)桿，一根驅(qū)動(dòng)桿連接一根控制棒組件。根據(jù)巴基斯坦C1機(jī)組堆芯熱電偶修復(fù)項(xiàng)目的需求，要將37根控制棒驅(qū)動(dòng)桿從壓緊部件中拆除，待修復(fù)項(xiàng)目結(jié)束后再安裝回壓緊部件。輻照后控制棒驅(qū)動(dòng)桿拆裝工藝存在損傷燃料組件、損傷壓緊部件支撐板、損傷控制棒驅(qū)動(dòng)桿等多重危險(xiǎn)。

1 控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（CRDM）

壓水堆核電機(jī)組的反應(yīng)堆壓力容器控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（CRDM）是反應(yīng)堆控制和保護(hù)系統(tǒng)的伺服機(jī)構(gòu)，通過驅(qū)動(dòng)控制棒組件在堆芯內(nèi)動(dòng)作，完成反應(yīng)堆啟動(dòng)、調(diào)節(jié)功率、安全停堆和事故停堆的功能。目前，壓水堆機(jī)組均采用磁力提升式控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其耐壓殼內(nèi)部由兩組鉤爪組件與控制棒驅(qū)動(dòng)桿的環(huán)形槽嚙合，用于調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)桿和控制棒在堆芯的上下動(dòng)作。運(yùn)行多個(gè)循環(huán)的核電機(jī)組，出現(xiàn)輻照后的控制棒驅(qū)動(dòng)桿拆裝這類特殊的檢修需求，例如驅(qū)動(dòng)桿撓性接頭失效、驅(qū)動(dòng)桿C型卡失效、壓緊部件改造、堆芯熱電偶及集束柱改造等。

圖1 C1機(jī)組壓緊部件圖Fig.1 Pressing parts of C1 unit

本文根據(jù)巴基斯坦C1機(jī)組對(duì)堆芯熱電偶改造項(xiàng)目中批量拆裝控制棒驅(qū)動(dòng)桿的工作需求，分析輻照后控制棒驅(qū)動(dòng)桿的拆裝工藝，主要存在輻射劑量高，遠(yuǎn)距離水下拆裝難度大，在役機(jī)組工況復(fù)雜，風(fēng)險(xiǎn)不易控制等特點(diǎn)。對(duì)拆裝工藝進(jìn)行詳細(xì)分析，利用儀器儀表等控制元器件的設(shè)計(jì)和計(jì)算，實(shí)現(xiàn)提升高度的控制，提升重量的監(jiān)控等功能，以指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

1.1 設(shè)備結(jié)構(gòu)

壓緊部件是反應(yīng)堆內(nèi)的重要部件，是控制核反應(yīng)堆反應(yīng)性的重要機(jī)械結(jié)構(gòu)，共安裝37根控制棒驅(qū)動(dòng)桿[1]。上管座為驅(qū)動(dòng)桿提供導(dǎo)向作用，上端面的十字鍵槽與驅(qū)動(dòng)桿的十字鍵相配，防止驅(qū)動(dòng)桿提升過高而脫離壓緊部件。導(dǎo)向筒為控制棒提升時(shí)提供導(dǎo)向作用，最下第二層導(dǎo)向板還在壓緊部件吊裝和構(gòu)件池存放時(shí)為驅(qū)動(dòng)桿提供支撐力[2]。

驅(qū)動(dòng)桿是與核燃料組件中的控制棒組件相連，通過控制驅(qū)動(dòng)桿的上下動(dòng)作實(shí)現(xiàn)控制棒組件的提升和下插，實(shí)現(xiàn)控制核反應(yīng)堆反應(yīng)性[3]。

圖2 驅(qū)動(dòng)桿Fig.2 Drive rod

1.2 拆裝問題分析

1）工況分析

兩種工況：其一是壓緊部件安裝在壓力容器內(nèi)部，其二是壓緊部件存放在構(gòu)件池的專用存放架內(nèi)。分析兩種工況的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，確定實(shí)施工況。

2）工具設(shè)計(jì)

根據(jù)巴基斯坦C1機(jī)組的現(xiàn)狀，核島廠房?jī)?nèi)僅有脫連扣工具可用，分析實(shí)施工況下設(shè)備標(biāo)高與工器具尺寸如何能實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)桿的拆裝工作，如何通過儀器儀表等控制元器件實(shí)現(xiàn)高度監(jiān)控。

3）抓取可靠性

脫連扣工具本身具備抓取驅(qū)動(dòng)桿的功能，但應(yīng)用在批量拆裝驅(qū)動(dòng)桿的工作中，其抓取的有效性和可靠性有待提高。分析哪些因素會(huì)影響抓取效果，如何通過儀器儀表等控制元器件實(shí)現(xiàn)有效抓取。

4）參數(shù)控制

提升過程依次穿過壓緊部件的導(dǎo)向板、上管座十字鍵槽等，對(duì)中偏差的發(fā)生將導(dǎo)致脫扣工具與驅(qū)動(dòng)桿的連接部位受力而脫開。驅(qū)動(dòng)桿自由下落將砸傷壓緊部件導(dǎo)向筒支撐板，存在極大的設(shè)備損傷風(fēng)險(xiǎn)。分析載荷傳感器和高度傳感器的適用性，用以指導(dǎo)驅(qū)動(dòng)桿提升過程中的參數(shù)控制。

2 工藝分析

2.1 拆裝工況分析

1）工況一：壓緊部件在堆芯位置時(shí)拆裝

壓緊部件處于堆芯安裝位置，控制棒驅(qū)動(dòng)桿與控制棒組件已完成脫扣操作，此時(shí)堆芯滿載燃料組件。在此工況下，實(shí)施輻照后控制棒驅(qū)動(dòng)桿拆裝工作，優(yōu)點(diǎn)是從換料水池水位、壓緊部件標(biāo)高、驅(qū)動(dòng)桿標(biāo)高、脫扣工具使用等方面分析，與控制棒驅(qū)動(dòng)桿脫扣操作工藝保持一致。而脫扣操作工藝是每次換料大修都開展的固定操作，工藝較成熟，人員經(jīng)驗(yàn)較豐富。缺點(diǎn)是控制棒驅(qū)動(dòng)桿是坐落在控制棒組件上端面，由控制棒組件的連接柄提供支撐力。若在驅(qū)動(dòng)桿吊起一定高度時(shí)受外力而從抓取工具脫開的情況，驅(qū)動(dòng)桿自由下落將直接砸到控制棒組件連接柄上，造成驅(qū)動(dòng)桿頭部損傷或控制棒組件損傷。

圖3 脫扣工具可用性分析圖Fig.3 Availability analysis of tripping tools

2）工況二：壓緊部件在構(gòu)件池存放架時(shí)拆裝

壓緊部件處于構(gòu)件池存放架位置。在此工況下，實(shí)施輻照后控制棒驅(qū)動(dòng)桿拆裝工作，優(yōu)點(diǎn)是控制棒驅(qū)動(dòng)桿是坐落在壓緊部件導(dǎo)向筒底部倒數(shù)第二層導(dǎo)向支撐板，由導(dǎo)向支撐板提供支撐力。從防止驅(qū)動(dòng)桿意外掉落損傷設(shè)備的角度考慮，此工況對(duì)設(shè)備損傷的影響最小。缺點(diǎn)是由于壓緊部件的存放標(biāo)高較堆芯位置相比發(fā)生了較大的改變，導(dǎo)致?lián)Q料水池水位、壓緊部件標(biāo)高、驅(qū)動(dòng)桿標(biāo)高、脫扣工具使用等方面參數(shù)需要重新校核，能否滿足驅(qū)動(dòng)桿拆裝實(shí)施。

3）選用分析

以設(shè)備損傷風(fēng)險(xiǎn)為第一出發(fā)點(diǎn)，應(yīng)選用工況二，即壓緊部件在構(gòu)件池存放架時(shí)拆裝，將設(shè)備損傷的風(fēng)險(xiǎn)降到最低。而針對(duì)新的工況條件下脫扣工具如何完成驅(qū)動(dòng)桿拆裝工藝，需要進(jìn)一步分析和論證。

圖4 脫扣工具結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure of tripping tool

2.2 工具可用性分析

巴基斯坦C1機(jī)組專用拆裝工具缺失情況下，是否能使用脫扣工具實(shí)施輻照后控制棒驅(qū)動(dòng)桿拆裝工作。當(dāng)壓緊部件存放在構(gòu)件池存放架上，標(biāo)高發(fā)生改變，驅(qū)動(dòng)桿標(biāo)高發(fā)生改變。重新校核壓緊部件存放標(biāo)高、裝卸料機(jī)電動(dòng)葫蘆標(biāo)高、裝卸料機(jī)操作平臺(tái)標(biāo)高、脫扣工具長(zhǎng)度、驅(qū)動(dòng)桿長(zhǎng)度等參數(shù)。構(gòu)件池存放位置相較堆芯位置降低0.6m，對(duì)操作人員完成脫扣工具與驅(qū)動(dòng)桿連接的操作步驟不產(chǎn)生影響，操作步驟仍能實(shí)現(xiàn)。研究驅(qū)動(dòng)桿從壓緊部件中完全拆出的狀態(tài)，要求驅(qū)動(dòng)桿下端面高于5.63m的標(biāo)高。加之驅(qū)動(dòng)桿長(zhǎng)度、脫扣工具長(zhǎng)度，則需要脫扣工具上端面高于18.93m。而裝卸料機(jī)電動(dòng)葫蘆吊鉤的標(biāo)高為21m，所以當(dāng)?shù)蹉^連接脫扣工具和驅(qū)動(dòng)桿，將驅(qū)動(dòng)桿拆出壓緊部件時(shí)，電動(dòng)葫蘆吊鉤上方仍預(yù)留2.07m的鋼絲繩，完全滿足使用脫扣工具拆裝驅(qū)動(dòng)桿的工藝要求[4]，利用脫扣工具可以實(shí)施輻照后控制棒驅(qū)動(dòng)桿拆裝。通過在脫扣工具上增加高度傳感器，實(shí)時(shí)顯示工具提升高度，可以有效控制驅(qū)動(dòng)桿的提升高度。

2.3 工具可靠性分析

脫扣工具必須可靠、有效、準(zhǔn)確地抓住驅(qū)動(dòng)桿頭部，工藝要求遠(yuǎn)高于脫連扣操作工藝。分析工具機(jī)械結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)原理，抓爪機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有兩組卡爪，其中一組大卡爪負(fù)責(zé)抓取和釋放驅(qū)動(dòng)桿，另一組小卡爪負(fù)責(zé)抽取和下插驅(qū)動(dòng)桿的芯桿。而動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)較為特殊，其中一組大氣缸負(fù)責(zé)控制大卡爪和小卡爪的收攏和張開動(dòng)作，另一組小氣缸負(fù)責(zé)控制小卡爪向上和向下動(dòng)作[5]。

大氣缸動(dòng)作將帶動(dòng)大卡爪和小卡爪同時(shí)收攏，抓住控制棒驅(qū)動(dòng)桿。然而此結(jié)構(gòu)存在缺陷，大小卡爪動(dòng)作，若出現(xiàn)一組卡爪收攏異常，也將導(dǎo)致另一組卡爪收攏異常。即若發(fā)生小卡爪未能有效抓住驅(qū)動(dòng)桿芯桿，則導(dǎo)致大卡爪也無法有效抓住驅(qū)動(dòng)桿，此種狀況將對(duì)輻照后控制棒驅(qū)動(dòng)桿的拆裝工作產(chǎn)生嚴(yán)重的隱患和影響，必須消除小卡爪動(dòng)作對(duì)大卡爪動(dòng)作的干擾。具體方法是將小卡爪提升到上限位，再利用大氣缸控制大卡爪的收攏和張開動(dòng)作。此時(shí)小卡爪位于驅(qū)動(dòng)桿芯桿的上方，不與驅(qū)動(dòng)桿芯桿干涉，大氣缸的動(dòng)作不會(huì)帶動(dòng)小卡爪收攏和張開。由大氣缸的動(dòng)作，僅控制大卡爪的收攏和張開，有效避免小卡爪的影響，大幅提高脫扣工具抓取驅(qū)動(dòng)桿的可靠性[6]。

2.4 重量監(jiān)測(cè)分析及計(jì)算

驅(qū)動(dòng)桿在壓緊部件內(nèi)部提升過程中，驅(qū)動(dòng)桿最大外徑在十字鍵位置，十字鍵會(huì)依次穿過多層導(dǎo)向板，最后穿過壓緊部件十字鍵槽。驅(qū)動(dòng)桿拆裝工藝中，容易發(fā)生干涉的情況往往在驅(qū)動(dòng)桿十字鍵穿過壓緊部件十字鍵槽的過程中，若對(duì)中不準(zhǔn)確，將導(dǎo)致十字鍵無法通過，而使驅(qū)動(dòng)桿意外受力，從脫扣工具中脫離，自由下落會(huì)壓緊部件中。

1）驅(qū)動(dòng)桿脫開臨界點(diǎn)，大氣缸向上位移量計(jì)算

根據(jù)脫扣工具圖紙-叉型連接件[6]和驅(qū)動(dòng)桿圖紙[3]，當(dāng)驅(qū)動(dòng)桿從大卡爪中脫開臨界點(diǎn)，大卡爪需水平張開距離S1=5mm。此時(shí)根據(jù)大卡爪結(jié)構(gòu)、叉型連接件結(jié)構(gòu)，可以計(jì)算出驅(qū)動(dòng)桿脫開時(shí)大氣缸向上的位移量[7]。計(jì)算公式如下：

式（1）中：

S3——大氣缸向上位移量。

S2——大卡爪圓柱銷水平位移量。

S1——大卡爪爪頭水平位移量，S1=5mm。

L2——大卡爪圓柱銷到圓心距離，L2=42mm。

L1——大卡爪爪頭到圓心距離，L1=108mm。

將以上數(shù)據(jù)代入公式（1）得：

即：驅(qū)動(dòng)桿脫開臨界點(diǎn)大氣缸向上位移量為11.5mm。

2）驅(qū)動(dòng)桿脫開臨界點(diǎn)，大氣缸受頂升力值計(jì)算

根據(jù)脫扣工具圖紙-大氣缸，匯總大氣缸各部件重量、彈簧壓縮后產(chǎn)生的彈簧力等參數(shù)計(jì)算，可以計(jì)算出驅(qū)動(dòng)桿脫開和大氣缸被頂升11.5mm時(shí)所受的頂升力值[7]。計(jì)算公式如下：

式（2）中：

F2——大氣缸所受頂升力。

G1——大氣缸各零部件總重力，G1=（m1+m2+……）g≈450N。

F1——彈簧受頂升力下彈簧力。

根據(jù)彈簧特性，彈簧長(zhǎng)度64.87mm的彈簧力490N，彈簧長(zhǎng)度94.87mm的彈簧力196N。

式（3）中：

S5——大氣缸被頂升11.5mm時(shí)的彈簧長(zhǎng)度。

S4——大氣缸自然狀態(tài)下彈簧長(zhǎng)度91mm。

S3——彈簧受頂升力下壓縮量，S3=11.5mm。

將以上數(shù)據(jù)代入公式（3）得：

由彈簧特性曲線可計(jì)算：

（94.87-64.87）/（490-196）=（79.5-64.87）/（490-F1）

得到：F1=346N。

將以上數(shù)據(jù)代入公式（2）得：

即：驅(qū)動(dòng)桿脫開臨界點(diǎn)大氣缸受到的頂升力796N。

3）驅(qū)動(dòng)桿脫開臨界點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)桿所受拉力值計(jì)算

根據(jù)脫扣工具的機(jī)械結(jié)構(gòu)和力的傳遞結(jié)構(gòu)分析，當(dāng)驅(qū)動(dòng)桿所受拉力值達(dá)到一定值，通過大卡爪、叉型連接件等機(jī)械部件傳遞給大氣缸，使大氣缸受頂升力大于796N時(shí)，驅(qū)動(dòng)桿從脫扣工具中脫開。根據(jù)驅(qū)動(dòng)桿脫開臨界點(diǎn)大氣缸受頂升力796N，可以計(jì)算得到驅(qū)動(dòng)桿所受最大拉力值[7]。計(jì)算公式如下：

式（4）中：

F4——驅(qū)動(dòng)桿所受拉力。

G2——驅(qū)動(dòng)桿重力，G2=m2×g≈400N。

F3——大卡爪爪頭位置所受向下的拉力值。

根據(jù)大卡爪、叉型連接件的機(jī)械結(jié)構(gòu)，可計(jì)算出大卡爪爪頭位置所受向下的拉力值，計(jì)算如下：

將以上數(shù)據(jù)代入公式（4）得：

即：若對(duì)驅(qū)動(dòng)桿施加1385N的外力，將導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)桿從脫扣工具中脫開。

綜上所述，通過計(jì)算可得當(dāng)驅(qū)動(dòng)桿額外受到1385N的下拉力，將從脫扣工具中脫開。故工藝中應(yīng)明確，驅(qū)動(dòng)桿提升過程中應(yīng)全程試驗(yàn)載荷傳感器監(jiān)控載荷變化，控制系統(tǒng)在監(jiān)測(cè)到額定載荷時(shí)可觸發(fā)報(bào)警，并限制工具的提升動(dòng)作，嚴(yán)禁超出1385N的載荷變化限值。考慮到操作的安全余量，在工藝規(guī)程中規(guī)定驅(qū)動(dòng)桿提升過程監(jiān)控載荷變化不應(yīng)超過1000N。若超過1000N應(yīng)立即停止提升動(dòng)作，緩慢下降驅(qū)動(dòng)桿，重新對(duì)中十字鍵位置，再嘗試提升動(dòng)作。

3 應(yīng)用與收益

此工藝在巴基斯坦C1機(jī)組熱電偶修復(fù)項(xiàng)目中得以應(yīng)用，在C1機(jī)組大修期間成功將37根控制棒驅(qū)動(dòng)桿拆除，并安全存放在構(gòu)件池的專用臨時(shí)存放架中。在熱電偶修復(fù)項(xiàng)目完成后，將37根控制棒驅(qū)動(dòng)桿回裝至壓緊部件，整個(gè)拆裝工藝順利實(shí)施。

通過本工藝設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)巴基斯坦C1機(jī)組堆芯熱電偶修復(fù)項(xiàng)目中37根輻照后控制棒驅(qū)動(dòng)桿拆裝工作，工藝設(shè)計(jì)、工藝分析、技術(shù)文件編制、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施均自主主導(dǎo)完成，同時(shí)此工藝適用于所有CNP300機(jī)組，公司依據(jù)成功先例和成熟工藝技術(shù)，在此類項(xiàng)目上將更具競(jìng)爭(zhēng)力，存在經(jīng)濟(jì)收益。