左常迪

摘 要：本文解決了海陽核電廠1號機(jī)組首次核燃料接收過程中設(shè)備故障問題，AP1000燃料抓取機(jī)南起升機(jī)構(gòu)采用防單一故障設(shè)計(jì)，確保出現(xiàn)任何設(shè)備異常后能使燃料組件保持在安全位置。保護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)依賴于傳感器等硬件功能保持完好，過多的保護(hù)一方面提高了設(shè)備的安全性，另一方面降低了設(shè)備的可靠性。故障診斷過程對后續(xù)設(shè)備維保有很強(qiáng)的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：AP1000燃料抓取機(jī)；防單一故障；核燃料接收

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.19.184

1 AP1000燃料抓取機(jī)概述

西屋AP1000 燃料抓取機(jī)由美國Par公司設(shè)計(jì)，是一臺橫跨燃料廠房的門式起重機(jī)，可以到達(dá)乏燃料儲存區(qū)域，新燃料接收和儲存區(qū)域，新燃料升降機(jī)，乏燃料運(yùn)輸容器區(qū)域和燃料轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)乏池側(cè)區(qū)域。燃料抓取機(jī)運(yùn)行于操作平面的兩條下部軌道上，另外一條上部軌道與乏燃料運(yùn)輸容器吊車共軌，在地震工況下起支撐作用。兩臺帶有電動小車的葫蘆安裝在上部單軌梁上，葫蘆上可以連接燃料操作工具用來抓取核燃料及內(nèi)插件。操作員可以在下部走臺上進(jìn)行抓具手動操作。南葫蘆采用防單一故障設(shè)計(jì)，負(fù)責(zé)吊運(yùn)新燃料及水閘門。北葫蘆是標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)葫蘆，用于吊運(yùn)乏燃料。AP1000 燃料抓取機(jī)采用雙電動葫蘆結(jié)構(gòu)，能夠避免操作燃料組件時(shí)長短柄工具的頻繁更換，其下掛式觸摸控制屏及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)便于人員的正常操作。如圖1 所示。

2 南鉤防單一故障模塊介紹

輕水反應(yīng)堆設(shè)計(jì)和運(yùn)行的一個(gè)總的要求是裝換料系統(tǒng)在正常和事故工況下能夠確保足夠的安全性1。起升機(jī)構(gòu)可以采用防單一故障設(shè)計(jì)，即單一故障不會導(dǎo)致系統(tǒng)安全保持載荷能力的喪失，避免由于燃料組件跌落導(dǎo)致放射性外泄1。

南鉤防單一故障模塊使用編碼器監(jiān)測起升高速軸（電機(jī)）轉(zhuǎn)速和低速軸（卷筒）轉(zhuǎn)速進(jìn)行傳動比計(jì)算。此外，大車及小車編碼器也用來監(jiān)測各自坐標(biāo)軸運(yùn)動。南鉤傳感器布置如圖2所示。使用過程中，當(dāng)出現(xiàn)表1所示的任一故障類型時(shí)，抓取機(jī)PLC會監(jiān)測到，設(shè)備控制臺界面上顯示“單一故障”，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)緊急停止信號，起升正常剎車和應(yīng)急剎車抱死，設(shè)備處于安全制動狀態(tài)。這樣，許多系統(tǒng)故障可以被監(jiān)測到以避免不受控的載荷跌落。

圖2說明：01 起升電機(jī)編碼器（高速軸）；02 起升電機(jī)；03 正常剎車（主）；04 正常剎車（冗余）；05 高速軸錐齒輪箱；06 減速箱；07 鋼絲繩卷筒；08 斷繩監(jiān)測限位；09 防沖頂懸臂式限位；10 應(yīng)急剎車（棘輪式）；11 低速軸錐齒輪箱；12 蝸輪式上限位及下限位；13 卷筒編碼器（低速軸）。

3 故障描述

在2015年海陽1號機(jī)組新燃料接收期間，當(dāng)用南鉤采用半自動運(yùn)行模式將新燃料組件向新燃料升降機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)，在燃料組件到達(dá)指定位置前，南鉤小車運(yùn)行突然停止，造成燃料組件劇烈晃動。經(jīng)查看，抓取機(jī)控制臺顯示“單一故障”，南鉤故障指示窗顯示“起升傳動比故障”。

4 故障診斷過程

南鉤防單一故障模塊使用起升卷筒編碼器和起升電機(jī)編碼器作為輸入進(jìn)行起升傳動比計(jì)算，一般技術(shù)通過測量單位時(shí)間起升卷筒編碼器和電機(jī)編碼器的脈沖數(shù)來計(jì)算起升的速度和傳動比。但這種傳統(tǒng)的方法存在一些缺點(diǎn)，比如，減速箱輪齒之間存在間隙，處理器速度，順序編程等都會導(dǎo)致測量不準(zhǔn)確和系統(tǒng)停機(jī)。AP1000南鉤防單一故障模塊由復(fù)雜的可編程邏輯設(shè)備對起升卷筒和電機(jī)編碼器積分信號進(jìn)行解碼，并且使用低速卷筒編碼器信號作為門信號計(jì)取20 MHz晶體振蕩器脈沖。這種方法可以測量出卷筒的絕對轉(zhuǎn)速。卷筒編碼器門信號也用于計(jì)取起升高速電機(jī)編碼器脈沖。采用這種傳動比計(jì)算方法排除了減速器中由于齒輪間隙的存在造成的傳動比波動，這使得無論是在高轉(zhuǎn)速還是低轉(zhuǎn)速階段得到的傳動比都是一致的。傳動比異常意味著傳動鏈中的某個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)打滑（比如離合器故障）或者失效（比如聯(lián)軸器斷裂）。可編程邏輯設(shè)備將測量數(shù)據(jù)傳送給微控制器以實(shí)現(xiàn)傳動鏈連續(xù)性的實(shí)時(shí)監(jiān)測，一旦傳動比偏離了表1中的許用范圍，且持續(xù)時(shí)間達(dá)到2秒以上，將觸發(fā)急停故障，并告知PLC南鉤單一故障觸發(fā)。

將新燃料組件置于安全位置后，反復(fù)模擬上述燃料轉(zhuǎn)運(yùn)過程，試圖復(fù)現(xiàn)故障，發(fā)現(xiàn)故障的出現(xiàn)是隨機(jī)的，屬于偶發(fā)故障。因此，診斷初期決定將端子虛接等接觸不良故障作為第一診斷方向，這也符合偶發(fā)性故障的特征。對照設(shè)備電氣接線圖，檢查了南鉤卷筒編碼器和起升編碼器在單一故障模塊處理器卡件的端子壓接情況，對疑似接觸不良的端子松開后重新進(jìn)行壓接，重新投運(yùn)設(shè)備后發(fā)現(xiàn)故障依舊無法消除，之后目視檢查了從編碼器至處理器的電纜，發(fā)現(xiàn)外觀良好，沒有受力的痕跡，基本能夠排除由于電纜芯線斷裂造成不連續(xù)故障的情況。由于模塊內(nèi)處理器卡件承擔(dān)編碼器解碼及傳動比計(jì)算的功能，將處理器模塊故障作為第二診斷方向，但更換新處理器卡件后依舊不能消除故障。最后將故障鎖定在起升卷筒編碼器和電機(jī)編碼器上，在對兩個(gè)編碼器進(jìn)行外觀檢查后，發(fā)現(xiàn)卷筒編碼器卡環(huán)未完全擰緊，在設(shè)備半自動運(yùn)行模式下，大小車高速聯(lián)動時(shí)，卷筒編碼器輸入端由于小車高速啟動引起的擾動產(chǎn)生了虛假輸入信號，導(dǎo)致起升傳動比異常，上述分析符合故障出現(xiàn)的偶發(fā)特征，將編碼器卡環(huán)擰緊后，故障排除。

5 結(jié)語

AP1000燃料抓取機(jī)屬于機(jī)電一體化的設(shè)備，用于燃料組件相關(guān)的操作，控制方面設(shè)計(jì)了很多保護(hù)，確保出現(xiàn)任何設(shè)備異常后能使燃料組件保持在安全位置。保護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)依賴于傳感器等硬件功能保持完好，過多的保護(hù)一方面提高了設(shè)備的安全性，另一方面降低了設(shè)備的可靠性，因?yàn)槿魏我粋€(gè)傳感器失效都能導(dǎo)致整個(gè)設(shè)備不可用。這就對燃料組件操作期間的維保工作提出了挑戰(zhàn)。在每次燃料組件操作前，需要重點(diǎn)檢查設(shè)備硬件方面的問題，例如端子有無虛接，編碼器卡環(huán)是否松脫，確保重要操作過程中設(shè)備的可用性。

參考文獻(xiàn)：

[1]NUREG-0554 Single-Failure-Proof Cranes for Nuclear Power Plants.endprint