馬靜靜，湯 泓，趙崇光，李常峰，賈學(xué)軍

MA Jing-jing1,2, TANG Hong1,2, ZHAO Chong-guang1,2, LI Chang-feng1,2, JIA Xue-jun3

（1.中國科學(xué)院高能物理研究所東莞分部，東莞 523803；2.東莞中子科學(xué)中心，東莞 523803；3.中國科學(xué)院物理研究所，北京 100190）

0 引言

我國迄今最大的國家重大科學(xué)裝置——中國散裂中子源（以下簡稱CSNS）將于2017年前后建成[1]。CSNS的建成將在物理學(xué)、化學(xué)、生命科學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)、環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域?qū)χ袊皷|南亞地區(qū)產(chǎn)生巨大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益[2]。CSNS建成后將進(jìn)入世界四大散裂中子源行列，成為發(fā)展中國家擁有的第一臺(tái)散裂中子源[3]。慢化器反射體是中國散裂中子源靶站的核心部件，設(shè)計(jì)壽命10年，壽命期滿后進(jìn)行維護(hù)更換。

慢化器反射體插件是CSNS靶站核心部件，慢化器將高能質(zhì)子入射靶后通過散裂反應(yīng)產(chǎn)生的高能量中子慢化為低能量中子供中子散射實(shí)驗(yàn)使用，反射體集反射、慢化和新產(chǎn)生中子的能力為一體。反射體結(jié)構(gòu)龐大，總重約32t，呈圓柱形臺(tái)階狀，最大直徑1.3米，最小直徑1米，高4.59米，由于高度較高，為了便于維護(hù)更換，設(shè)計(jì)為四段，段與段之間通過長螺栓連接。慢化器安裝在最下段反射體內(nèi)部，慢化器進(jìn)出水管和低溫冷卻管向上延伸，固定在反射體側(cè)壁上，慢化器和反射體以整體插件的形式進(jìn)行安裝。散裂反應(yīng)產(chǎn)生中子的同時(shí)也產(chǎn)生大量的放射性核素，并向外發(fā)射二次粒子，如γ射線，α射線等，該粒子將慢化器反射體插件活化，因此整個(gè)維護(hù)過程必須遙控操作。

1 慢化器反射體遙控維護(hù)流程

慢化器反射體插件安裝在靶站氦容器內(nèi)，更換時(shí)首先要將其從氦容器中吊出，然后轉(zhuǎn)運(yùn)至存儲(chǔ)容器，在吊裝前要進(jìn)行一系列前處理工作。具體遙控維護(hù)流程如下。

1.1 剪管

下面三段輻射較強(qiáng)的慢化器反射體插件的吊裝需要屏蔽容器，為了節(jié)省屏蔽容器空間，吊裝前先將與插件固定且高出插件的工藝管剪斷。工藝管主要有進(jìn)出水管和低溫輸送管，低溫輸送管為三層管道，內(nèi)層管為真空絕熱管、中間為冷卻介質(zhì)管、外層是檢漏氣體管，該種管道在增強(qiáng)管道性能的同時(shí)也增加了遙控維護(hù)條件下的剪切難度，要求剪管工具具有較高的性能，選用國外進(jìn)口液壓剪刀[4]。整個(gè)剪管過程工作人員不準(zhǔn)直視，在剪管之前將攝像頭安裝在長柄操作桿上，放入氦容器合適位置，通過觀察視頻系統(tǒng)顯示屏進(jìn)行剪管。液壓剪刀安裝在另一條長柄操作桿上，吊車將其吊入氦容器，工作人員利用一端可夾緊豎直長柄的水平操作桿調(diào)整液壓剪刀的位置。

1.2 夾管

管道剪斷后將其從氦容器中夾出，然后吊入儲(chǔ)存容器儲(chǔ)存。夾管工具安裝在豎直操作長柄上，通過水平操作橫桿調(diào)整位置，具體夾管過程與剪管過程相同。

1.3 拆螺栓

為了便于維護(hù)，慢化器反射體插件設(shè)計(jì)為四段，段與段間均通過四根長螺栓連接固定，吊裝前確保螺栓拆松。用氣動(dòng)扳手進(jìn)行拆螺栓，氣動(dòng)扳手安裝在豎直長柄上，通過水平操作橫桿調(diào)整位置，具體拆卸過程與剪管過程相同。

1.4 吊裝

由于最上段反射體插件放射性很小，直接裸吊出氦容器，下面三段放射性較強(qiáng)不能裸吊，吊裝過程需要屏蔽罩（也稱轉(zhuǎn)運(yùn)容器）[5]。每段反射體頂部中心位置固定一個(gè)吊裝螺栓，利用帶內(nèi)螺紋、通電后可自動(dòng)開合的zip-lift吊具與吊裝螺栓咬合。由于頂部吊車高度十幾米，且吊車運(yùn)行和起吊速度太快，很難完成zip-lift吊具與吊裝螺栓的精密捕捉，因此設(shè)計(jì)了一臺(tái)可移動(dòng)三軸平臺(tái)進(jìn)行吊裝。

首先將轉(zhuǎn)運(yùn)容器定位到氦容器口正上方；其次將三軸平臺(tái)固定在轉(zhuǎn)運(yùn)容器頂部，在固定之前已將掛在三軸平臺(tái)上的zip-lift吊具中心調(diào)至轉(zhuǎn)運(yùn)容器頂部吊裝口中心。將zip-lift吊具吊入氦容器與吊裝螺栓精密捕捉；然后將慢化器反射體插件吊入轉(zhuǎn)運(yùn)容器，推入推拉抽屜，慢化器反射體插件放置在推拉抽屜上，松開吊具，蓋上吊裝孔蓋；最后利用頂部吊車將三軸平臺(tái)先吊走，再將轉(zhuǎn)運(yùn)容器吊至熱室頂部吊裝口正上方。

1.5 轉(zhuǎn)運(yùn)

慢化器反射體插件吊入熱室的過程與吊入轉(zhuǎn)運(yùn)容器過程相同，吊入熱室后利用熱室內(nèi)吊車將其轉(zhuǎn)運(yùn)至地下室儲(chǔ)存容器。

2 慢化器反射體遙控維護(hù)設(shè)備

2.1 長柄液壓剪刀

液壓剪刀液壓泵功率3675瓦，液壓剪刀最大輸入壓強(qiáng)為34.5Mpa，通過在液壓泵上安裝壓強(qiáng)表進(jìn)行測(cè)試，最大輸出壓強(qiáng)為78Mpa。因此該液壓的額定壓強(qiáng)能夠滿足實(shí)驗(yàn)要求。原裝液壓剪刀為手持式，將其改裝，通過螺栓固定在長柄操作桿上，如圖1所示。通過試驗(yàn)證明長柄液壓剪刀可順利完成三層管道的剪切，圖2為被剪斷的三層管。

2.2 長柄夾具

夾具的驅(qū)動(dòng)方式為氣缸驅(qū)動(dòng)，由于管道的外徑和長度不同，針對(duì)不同外徑的管道，夾具夾頭的設(shè)計(jì)采用加大角度夾頭，并為能夠穩(wěn)定地夾緊較長管道，將夾具設(shè)計(jì)成三爪結(jié)構(gòu)，將三爪結(jié)構(gòu)安裝在長柄操作桿上，針對(duì)不同方向的管設(shè)計(jì)了橫向夾具和縱向夾具，如圖3所示。通過試驗(yàn)證明該夾具可順利夾取各種斷管，圖4為夾取試驗(yàn)結(jié)果。

圖1 長柄液壓剪刀

圖2 剪斷的三層管

圖3 橫向夾具和縱向夾具

圖4 夾取試驗(yàn)結(jié)果

2.3 長柄氣動(dòng)扳手

為了防止氣動(dòng)扳手拆裝螺栓時(shí)將反射體定位銷打斷，且為了更有利于氣動(dòng)扳手與吊裝螺栓的定位與拆裝，減少在工作時(shí)產(chǎn)生的晃動(dòng)，在氣動(dòng)扳手上焊接一根止轉(zhuǎn)臂，該止轉(zhuǎn)臂能夠與反射體上的U型槽實(shí)現(xiàn)配合。將氣動(dòng)扳手改裝為長柄氣動(dòng)扳手，如圖5所示。通過實(shí)驗(yàn)證明該氣動(dòng)扳手可順利擰松長螺栓，圖6為長螺栓擰松狀態(tài)。

圖5 改造后的氣動(dòng)扳手

圖6 擰松長螺栓

2.4 轉(zhuǎn)運(yùn)容器

轉(zhuǎn)運(yùn)容器屏蔽層為鉛，由于鉛的強(qiáng)度極低，很容易發(fā)生變形，桶體屏蔽層由三層組成：內(nèi)外兩層為碳鋼筒體，起支撐作用；中間一層罐鉛，起屏蔽作用[6]。容器底部開孔，該結(jié)構(gòu)主要包括鉛罐體、底座以及底部推拉抽屜。由于底部推拉抽屜體積較大、行程較長，將底座分成左右兩段，吊裝時(shí)對(duì)接。由于實(shí)際吊裝環(huán)境較差，左右底座對(duì)接精度較低，而推拉抽屜重約3噸，為了減小抽屜與底座的摩擦系數(shù)，考慮對(duì)接精度較低，最終決定在左右底座和抽屜側(cè)壁固定若干鋼珠滾輪。通過電機(jī)帶動(dòng)絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)從而實(shí)現(xiàn)抽屜的推拉動(dòng)作。圖7為轉(zhuǎn)運(yùn)容器剖面圖。

圖7 轉(zhuǎn)運(yùn)容器剖面圖

圖8 三軸平臺(tái)

2.5 三軸平臺(tái)

三軸平臺(tái)起吊葫蘆為環(huán)鏈變頻電葫蘆，水平橫向和縱向的微調(diào)通過伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)、直線導(dǎo)軌導(dǎo)向。伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)通過遠(yuǎn)程控制柜遙控操作，為了避免現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試劑量累計(jì)，在吊裝前將掛在電葫蘆上的zip-lift吊具中心位置與轉(zhuǎn)運(yùn)容器吊裝口中心對(duì)準(zhǔn)，并將該坐標(biāo)設(shè)置為原點(diǎn)。無論以后將其調(diào)整至任何位置，都可通過控制系統(tǒng)回到原點(diǎn)。圖8為三軸平臺(tái)。

3 結(jié)束語

通過在試驗(yàn)平臺(tái)上對(duì)模擬慢化器反射體的大量遙控維護(hù)試驗(yàn)，開發(fā)出一套可行的遙控維護(hù)工藝，具體包括維護(hù)流程和維護(hù)設(shè)備。對(duì)核電站和大科學(xué)輻射裝置遙控維護(hù)具有一定的參考價(jià)值。

[1] 陳延偉.中國散裂中子源(C S N S)[J].中國科學(xué)院院刊,2011,26(6):725-728.

[2] 王芳衛(wèi),嚴(yán)啟偉,梁天驕,等.第一講 中子散射與散裂中子源[J].物理,2005,34(10):731-738.

[3] 韋杰.中國散裂中子源簡介[J].現(xiàn)代物理知識(shí),2007,19(6):22-29.

[4] 陳海彬,郭建文,李榮泳,等.遙控維護(hù)條件下冷卻管道剪切試驗(yàn)[J].東莞理工學(xué)院學(xué)報(bào),2013,20(01):51-56.

[5] Quan-zhi YU, Zhi-liang HU, Bin ZHOU. The radiation assessment for the maintenance scenarios of CSNS inner reflector plug . Progress in Nuclear Science and Technology(2013).

[6] 胡文生,陳煜浩.大型短距離防護(hù)轉(zhuǎn)運(yùn)容器的設(shè)計(jì)與制造[J].核動(dòng)力工程,1996,17(3):274-278.