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，對堆芯測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。對堆芯測量組件的專用裝卸設(shè)備進(jìn)行了詳細(xì)的描述，并結(jié)合試驗數(shù)據(jù)，對專用設(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是一體化、模塊化、安全性能高及多用途，實現(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)場快速安裝[1]。該反應(yīng)堆配備了高安全性的非能動安全系統(tǒng)，簡化的系統(tǒng)方案帶來更好的可靠性和安全性，全堆模塊化設(shè)計和施工，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的青睞。目前美日俄韓等國都在持續(xù)進(jìn)行各自的小型堆開發(fā)，如美國西屋公司牽頭開發(fā)的IRIS、俄羅斯OKMB開發(fā)的ABV小型堆、韓國的SMART、日本的MRX等。

由我國自主研發(fā)的ACP100模塊式小堆具有一體化設(shè)計特點，采用非能動安全設(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)動機(jī)構(gòu)、為冷卻劑提供流道的主要設(shè)備，在吊裝時應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場實際情況進(jìn)行方案制定，并對起吊設(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，以及堆芯測量組件等。其中堆芯測量組件包含了中子測量裝置、溫度測量熱電偶等，采用分散布置，集束安裝的設(shè)計方案，從堆頂貫穿進(jìn)入反應(yīng)堆堆芯內(nèi)部，對反應(yīng)堆的運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)測。

從堆內(nèi)設(shè)備的布置形式來考慮，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程：①反應(yīng)堆開蓋前對一回路壓力邊界的卸除，包含堆芯測量組件密封結(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)動桿的脫扣及檢查、吊?。虎鄱研緶y量組件的收取、壓緊彈簧組件和上部壓緊筒體的卸除，同時考慮整體貯存、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)臨時貯存、檢修以及復(fù)裝工藝。其中堆芯測量組件、上部壓緊筒體的裝卸與傳統(tǒng)壓水反應(yīng)堆完全不同。

2 堆芯測量組件同步裝卸方法

2.1 實現(xiàn)同步裝卸的工藝方案

近年來國產(chǎn)化的堆芯測量傳感器得到了普遍應(yīng)用，包括測量燃料中心溫度的套管式高溫?zé)犭娕冀M件，測量燃料包殼伸長的差動變壓器型位移傳感器以及測量輻照然料元件中子通量和通量分布的自給能探測器和測量燃料包殼溫度和考驗元件出入口冷卻劑溫度的鎧裝熱電偶等[3]。模塊式小堆堆芯測量組件通過8個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量組件提出堆芯，并且必須將其提升至一個較高的高度，使得堆芯測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)裝時由于脫離導(dǎo)向而無法再次裝入堆芯。因此堆芯測量組件在換料時就存在一個實現(xiàn)與上部壓緊筒體同步裝卸的問題。

目前AP1000的堆芯測量組件在檢修時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器組件。由于模塊式小堆支承堆芯測量組件的集束裝置與上部壓緊筒體采用了一體化設(shè)計，沒有單可供獨吊裝的支撐架，因此探測器組件必須先行進(jìn)行提升卸除操作。為實現(xiàn)與上部壓緊筒體的同步卸除，我們在其專用吊具上加裝了堆芯測量組件的裝拆裝置，在吊取筒體的同時將堆芯測量組件提出堆芯，一起運(yùn)至存放水池內(nèi)，并實現(xiàn)探測器的臨時固定功能。其拆卸和復(fù)裝的方法如圖1所示。拆卸時，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實現(xiàn)堆芯測量組件操作段的裝夾；之后將堆芯測量組件提升約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)；就位后在上位對其進(jìn)行臨時固定操作；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量組件同時吊運(yùn)至存放水池進(jìn)行存放；復(fù)裝時則先將兩者同時吊運(yùn)至堆內(nèi)，再分別將堆芯測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)計參數(shù)的確定需要考慮反應(yīng)堆廠房內(nèi)與裝卸工藝路徑相關(guān)的環(huán)境條件、操作對象的狀態(tài)及其與反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系、同時從輻射防護(hù)的角度還應(yīng)將人員安全、輻射屏蔽等因素考慮在內(nèi)。通過分析，綜合各方面的因素來確定堆芯測量組件的上位標(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），組件總長約8米，在下位時底端置于堆芯內(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)高于堆水池實際水深，其尺寸約8.5米。堆芯測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。考慮組件長度，實際提升進(jìn)入筒體內(nèi)的位置應(yīng)保證起吊后平移操作開始時，下端頭位于實際標(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，使其位于堆芯測量組件頂端向下約0.8米處，起吊前實際標(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，但該裝置卻是單獨控制的一套完整的自動化操作設(shè)備。它完成的主要功能包括：①堆芯測量組件在上下兩個位置的裝夾；②堆芯測量組件的提升操作、插入操作；③堆芯測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，在堆芯測量組件上位實施臨時固定；中層為提升裝置，拆卸階段在實施夾持后提升堆芯測量組件至上位；下層為復(fù)裝機(jī)構(gòu)，在復(fù)裝階段通過夾持、插入動作，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，操作裝置試驗樣機(jī)主體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

提升裝置由驅(qū)動電機(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。鎖緊裝置內(nèi)置凸輪壓緊機(jī)構(gòu)，當(dāng)操作把手在手動或氣動驅(qū)使下進(jìn)行旋轉(zhuǎn)時，內(nèi)置的凸輪壓緊機(jī)構(gòu)將驅(qū)動中心的卡套實現(xiàn)伸縮動作，卡套伸出時，堆芯測量裝置端頭將被鎖死，縮回時則釋放。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的滑軌機(jī)構(gòu)，需要進(jìn)行插入操作時則在手動或氣動作用下移動至工作位置。在試驗樣機(jī)中，由于只進(jìn)行了單根堆芯測量組件的插入試驗，因此滑槽設(shè)計為直線式，在實際產(chǎn)品中將進(jìn)行4根堆芯測量組件的操作，因此滑槽形式將根據(jù)實際情況更改為均布的環(huán)形滑軌。推送裝置由內(nèi)置氣缸、固定板和推動板組成，氣缸安裝在固定板上，推動板將在氣動作用下作上下運(yùn)動。夾持裝置則安裝在推動板的最底端，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，通過推動裝置的上下運(yùn)動，即可實現(xiàn)組件的自動夾緊、推送、插入、松弛的動作循環(huán)。

3.2 設(shè)計參數(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，通過試驗數(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。試驗時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)行了單根堆芯測量組件提升及推送力測試。在堆芯測量組件夾持塊上加裝測力計，人工手動對組件全程進(jìn)行提升和推送，并記錄每一步操作力的最大測量值，實際試驗數(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)，通過同一套控制器進(jìn)行控制。

用于操作裝置動作控制的參數(shù)來源于裝置上安裝的多個數(shù)據(jù)采集及行程傳感設(shè)備。動作控制點的設(shè)置主要包括：①上行程最頂端的上到位行程開關(guān)對上到位信號進(jìn)行判斷；②上部氣動開關(guān)進(jìn)行上端鎖定裝置狀態(tài)判斷；③絲桿驅(qū)動電機(jī)編碼器對堆芯測量組件的提升位置進(jìn)行監(jiān)測；④操作裝置下端下到位行程開關(guān)對下到位信號進(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推送動作丟步判斷；⑦推送力及提升力監(jiān)測。

堆芯測量組件操作裝置控制邏輯如圖3所示。運(yùn)動動作分為提升和推送兩部分，推送力監(jiān)測及提升力監(jiān)測全程同步進(jìn)行，一旦檢測量與設(shè)定值偏差超過50%，則緊急停機(jī)。提升過程中位置信號監(jiān)測全程同步，并在操作界面上進(jìn)行實時顯示。推送過程中丟步檢測在每一推送步中均要進(jìn)行，任何時候出現(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

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

【參考文獻(xiàn)】

[1]熊厚華，杜繼富.模塊式小型反應(yīng)堆研發(fā)現(xiàn)狀及前景分析[J].價值工程，2015（02）.

[2]陳玉祥.核島大型設(shè)備及堆內(nèi)構(gòu)件的吊裝[J].起重運(yùn)輸機(jī)械，1992（06）.

[3]黃玉才，錢順發(fā).堆芯測量傳感器發(fā)展現(xiàn)狀及其在燃料元件考驗中的應(yīng)用[R].中國核科技報告，1999（S3）.

[責(zé)任編輯：楊玉潔]