(中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 海鹽 314300)

裝卸料機(jī)是壓水堆核電站停堆換料的關(guān)鍵設(shè)備之一，它的基本功能是在反應(yīng)堆首次裝料或換料大修時(shí)裝卸燃料組件，以及在堆芯與燃料轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)之間運(yùn)輸燃料組件。裝卸料機(jī)類(lèi)似于移動(dòng)式起重機(jī)，包括一臺(tái)移動(dòng)橋架、一臺(tái)運(yùn)行小車(chē)和一套帶抓具的伸縮套筒，抓具連接在伸縮套筒下端，通過(guò)氣動(dòng)回路控制燃料組件的抓取和釋放[1]。由于操作對(duì)象是燃料組件，裝卸料機(jī)抓具必須對(duì)中準(zhǔn)確、自鎖可靠、脫扣嚙合靈活，其可靠性對(duì)于核電站裝換料的安全性具有重要意義。

根據(jù)核電站運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)反饋信息，國(guó)內(nèi)核電站曾發(fā)生過(guò)多次燃料組件無(wú)法脫扣的故障，直接影響了機(jī)組的換料大修。本文以秦山核電站M310機(jī)組的裝卸料機(jī)抓具及驅(qū)動(dòng)回路為例，對(duì)歷次大修出現(xiàn)的脫扣功能失效故障進(jìn)行原因分析，并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施。

1 裝卸料機(jī)抓具脫扣原理

1.1 氣動(dòng)控制脫扣[2]

為了實(shí)現(xiàn)可靠的抓具控制，裝卸料機(jī)在功能和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采用氣動(dòng)控制和應(yīng)急手動(dòng)兩種操作方式，正常操作方式為氣動(dòng)控制，該控制回路由驅(qū)動(dòng)氣缸、雙位控制閥、雙軟管氣管卷筒等部件組成，見(jiàn)圖1。伸縮套筒內(nèi)部氣缸是往復(fù)式結(jié)構(gòu)，兩端設(shè)置進(jìn)/出氣孔連接氣管，由雙位控制閥切換進(jìn)出氣方向，驅(qū)動(dòng)氣缸中的活塞桿運(yùn)動(dòng)，并通過(guò)連接管將氣缸的動(dòng)作傳遞給下方的抓具。

操作員按下抓具脫扣按鈕，進(jìn)氣電磁閥打開(kāi)，壓縮空氣通過(guò)供氣管進(jìn)入氣缸，驅(qū)動(dòng)活塞向上運(yùn)動(dòng)。當(dāng)氣缸動(dòng)作時(shí)，控制桿帶動(dòng)抓具控制套筒向上運(yùn)動(dòng)，爪鉤向內(nèi)收縮完成抓具與燃料組件脫扣。

圖1 裝卸料機(jī)抓具驅(qū)動(dòng)回路結(jié)構(gòu)圖

1.2 手動(dòng)應(yīng)急脫扣

手動(dòng)應(yīng)急脫扣工具在裝卸料機(jī)正常運(yùn)行時(shí)不需要安裝，只有在氣動(dòng)無(wú)法正常實(shí)現(xiàn)抓具釋放燃料組件時(shí)，將工具從塔架下層檢修窗口安裝于伸縮套筒內(nèi)，齒輪輪廓的工具頭部與連接管的齒輪配合，通過(guò)扭轉(zhuǎn)工具帶動(dòng)套筒內(nèi)的齒輪機(jī)構(gòu)，驅(qū)使連接管及抓具驅(qū)動(dòng)叉桿旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)抓爪控制套筒的向上運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)抓具的手動(dòng)脫扣。

1.3 抓具脫扣動(dòng)作原理

裝卸料機(jī)將燃料組件移動(dòng)至指定位置，通過(guò)伸縮套筒將燃料組件降至支承物上。只有在燃料組件放置平穩(wěn)無(wú)歪斜的情況下，才能落下夾緊套筒，直至上聯(lián)鎖板的凹槽對(duì)準(zhǔn)聯(lián)鎖滾柱，自鎖機(jī)構(gòu)解除，聯(lián)鎖滾柱可在下聯(lián)鎖板的推動(dòng)下向外移動(dòng)至上聯(lián)鎖板的凹槽中。此時(shí)操作壓縮空氣驅(qū)動(dòng)氣缸活塞上移，螺桿帶動(dòng)滑動(dòng)套筒和控制套筒一起上升，控制套筒的法蘭通過(guò)抓爪上部的斜面將四個(gè)鉤爪向內(nèi)收縮，從而完成釋放動(dòng)作。

2 問(wèn)題描述

燃料組件無(wú)法脫扣故障是指在裝卸料過(guò)程中，裝卸料機(jī)抓取燃料組件在堆芯或燃料轉(zhuǎn)運(yùn)裝置傾翻機(jī)承載器中就位準(zhǔn)備脫扣時(shí)，由于某種故障原因?qū)е伦ゾ邭鈩?dòng)脫扣功能失效，進(jìn)一步的情況，當(dāng)應(yīng)急脫開(kāi)機(jī)構(gòu)也發(fā)生故障時(shí)，將導(dǎo)致抓具與燃料組件無(wú)法脫扣，此時(shí)正常的燃料操作程序無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行。秦山核電站M310機(jī)組歷次大修中，抓具與燃料組件無(wú)法脫扣典型故障見(jiàn)表1。

表1 抓具與燃料組件無(wú)法脫扣典型故障

根據(jù)結(jié)構(gòu)特性和秦山核電站M310機(jī)組此類(lèi)設(shè)備的歷史運(yùn)行情況，抓具運(yùn)動(dòng)部件接觸面卡澀及氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)回路部件失效是導(dǎo)致燃料組件無(wú)法脫扣故障的主要因素。同時(shí)，抓具與燃料組件對(duì)中度、氣缸支撐法蘭中心孔與活塞連接軸接觸面等也存在一定的失效風(fēng)險(xiǎn)。

3 原因分析

3.1 抓具運(yùn)動(dòng)副配合面卡澀

裝卸料機(jī)抓具夾緊套筒、聯(lián)鎖板和聯(lián)鎖滾柱的配合動(dòng)作實(shí)現(xiàn)抓具的聯(lián)鎖和解鎖，氣缸帶動(dòng)滑動(dòng)套筒、控制套筒的配合動(dòng)作實(shí)現(xiàn)抓爪的張開(kāi)和閉合。燃料組件在經(jīng)過(guò)一個(gè)或多個(gè)燃料循環(huán)后會(huì)產(chǎn)生輻照變形，抓具導(dǎo)向銷(xiāo)進(jìn)入組件上管座后，側(cè)向受力，即夾緊套筒與缸體軸線有趨向不同軸的趨勢(shì)。抓具聯(lián)鎖板及聯(lián)鎖滾柱設(shè)置在單一方向，在這種趨勢(shì)下，滑動(dòng)套筒動(dòng)作時(shí)受力不均，且滑動(dòng)套筒與缸體間配合間隙很小，容易導(dǎo)致滑動(dòng)套筒動(dòng)作阻力加大，甚至與缸體卡澀現(xiàn)象。根據(jù)故障抓具解體檢查情況，滑動(dòng)套筒及缸體拉傷部位多位于聯(lián)鎖板對(duì)側(cè)，見(jiàn)圖2。

圖2 抓具滑動(dòng)套筒外壁接觸面拉傷

方家山核電站機(jī)組裝卸料機(jī)抓具的聯(lián)鎖板、控制套筒、滑動(dòng)套筒等運(yùn)動(dòng)部件均采用0Cr17Ni4Cu4Nb，該材質(zhì)屬于沉淀硬化馬氏體不銹鋼，具有高強(qiáng)度、高硬度和抗腐蝕等特性，但是防止粘著磨損的性能較差。抓具長(zhǎng)時(shí)間使用或進(jìn)行無(wú)水干試動(dòng)作，易造成部件磨損，導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)副配合面卡澀。聯(lián)鎖板與聯(lián)鎖滾柱卡澀會(huì)導(dǎo)致抓具聯(lián)鎖/解鎖功能失效，滑動(dòng)套筒與缸體卡澀會(huì)導(dǎo)致抓具脫扣功能失效。

3.2 驅(qū)動(dòng)氣缸進(jìn)水和漏氣

裝卸料機(jī)驅(qū)動(dòng)氣缸為出軸往復(fù)式，通過(guò)連接軸驅(qū)動(dòng)抓具進(jìn)行脫扣動(dòng)作，以釋放燃料組件。歷次大修多次發(fā)生氣缸進(jìn)水或軸封漏氣故障，導(dǎo)致抓具無(wú)法脫扣。一般來(lái)說(shuō)，存在以下因素：

1)氣缸不具備防水功能，在卸料后與裝料前的低低水位期間處于未供氣狀態(tài)且長(zhǎng)時(shí)間浸泡在硼酸水中，由于氣缸內(nèi)部未建立氣壓，硼酸水通過(guò)活塞軸封進(jìn)入氣缸。一旦硼酸水進(jìn)入氣缸，容易在缸體內(nèi)腔形成硼結(jié)晶，見(jiàn)圖3，在氣缸往復(fù)式動(dòng)作過(guò)程中加速活塞密封的磨損；

2)活塞密封為橡膠材質(zhì)，在反應(yīng)堆運(yùn)行期間處于高輻照、高溫工況下，長(zhǎng)時(shí)間造成密封老化；

3)氣路系統(tǒng)壓縮空氣中夾雜的粉塵等細(xì)小顆粒進(jìn)入氣缸，加速活塞密封的磨損；

4)氣缸供氣尼龍管老化或折彎損傷，產(chǎn)生細(xì)裂縫，硼酸水從裂縫處滲進(jìn)氣管，產(chǎn)生背壓，導(dǎo)致抓具脫扣動(dòng)作時(shí)活塞上行程不能完全到位。

圖3 氣缸內(nèi)壁硼結(jié)晶

3.3 氣缸活塞連接軸與支撐架法蘭孔卡澀

圖4 氣缸活塞連接軸與支撐架法蘭孔卡澀

氣缸活塞連接軸與支撐架法蘭材質(zhì)同為0Cr18Ni10Ti，在過(guò)定位狀態(tài)下連接軸在法蘭孔中直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，存在同種不銹鋼材質(zhì)相對(duì)運(yùn)動(dòng)接觸面產(chǎn)生拉傷、咬死現(xiàn)象，這是導(dǎo)致氣缸活塞連接軸與支撐架法蘭孔卡澀的根本原因。

3.4 氣路控制閥不動(dòng)作

氣路控制閥主要包括電磁換向閥、調(diào)壓閥和截止閥等，通常造成故障主要有以下因素：

1)反應(yīng)堆運(yùn)行期間高輻照、高溫工況下，氣路控制閥內(nèi)部密封件老化，密封失效導(dǎo)致閥體漏氣;

2)電磁換向閥的控制線路出現(xiàn)故障，導(dǎo)致無(wú)電信號(hào)不動(dòng)作；

3)壓縮空氣中夾雜的粉塵等細(xì)小顆粒未被完全過(guò)濾，堵塞電磁換向閥氣孔，導(dǎo)致閥門(mén)動(dòng)作異常。

3.5 抓具與燃料組件不對(duì)中

每次大修卸料前需要對(duì)裝卸料機(jī)大車(chē)零位進(jìn)行重新標(biāo)定，操作員通過(guò)對(duì)大車(chē)物理坐標(biāo)的檢查以及遠(yuǎn)程觀察抓具與模擬組件上管座的嚙合情況進(jìn)行確認(rèn)。由于輻照后的乏燃料組件會(huì)產(chǎn)生不規(guī)則的變形，出現(xiàn)上管座相對(duì)燃料組件中心的同心度偏差，因此裝卸料期間抓具與燃料組件的對(duì)中確認(rèn)并不能完全參考初始的坐標(biāo)標(biāo)定。

同時(shí)，裝卸料機(jī)大車(chē)行走并非同步驅(qū)動(dòng)，運(yùn)行過(guò)程中可能發(fā)生大車(chē)跑偏現(xiàn)象，而目前沒(méi)有監(jiān)控抓具和燃料組件對(duì)中情況的監(jiān)測(cè)設(shè)備。當(dāng)裝卸料機(jī)大車(chē)存在零位偏差或者運(yùn)行跑偏情況，結(jié)合燃料組件的輻照變形就會(huì)出現(xiàn)抓具與燃料組件不對(duì)中的現(xiàn)象，導(dǎo)致抓具在脫扣動(dòng)作過(guò)程中滑動(dòng)套筒受力不均，增加抓具運(yùn)動(dòng)部件之間的咬死概率。

3.6 應(yīng)急脫開(kāi)機(jī)構(gòu)失效

應(yīng)急脫開(kāi)工具帶動(dòng)裝卸料機(jī)套筒內(nèi)的齒輪機(jī)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)抓具驅(qū)動(dòng)叉桿，實(shí)現(xiàn)抓爪控制套筒的上下運(yùn)動(dòng)。抓具應(yīng)急脫開(kāi)螺桿軸肩尺寸為φ35h8，控制套筒上端軸孔尺寸為φ35F8，理論間隙只有0.025～0.089 mm。兩個(gè)零部件均為不銹鋼材質(zhì)，存在同種材料運(yùn)動(dòng)副相對(duì)摩擦情況，若配合接觸面光潔度差或殘留雜質(zhì)，易產(chǎn)生咬死現(xiàn)象。故障抓具解體檢查時(shí)均發(fā)現(xiàn)兩者配合面存在輕微咬痕。因此，應(yīng)急脫開(kāi)螺桿軸肩與控制套筒上部軸孔咬死是導(dǎo)致抓具應(yīng)急脫開(kāi)機(jī)構(gòu)失效的根本原因。

4 改進(jìn)措施

根據(jù)以上分析，為消除隱患，應(yīng)采取針對(duì)性對(duì)策加以改進(jìn)，主要關(guān)注以下方面并采取相應(yīng)措施：

4.1 加強(qiáng)抓具解體檢修質(zhì)量控制

在大修裝料工作結(jié)束后應(yīng)將抓具從裝卸料機(jī)上拆除，進(jìn)行預(yù)防性的全面解體檢修，第2年大修卸料前再將抓具安裝到裝卸料機(jī)上并確認(rèn)試驗(yàn)合格。抓具解體檢修工作需加強(qiáng)以下內(nèi)容的質(zhì)量控制：

1)清洗檢查各零部件，處理磨損、拉毛和劃痕等缺陷，各運(yùn)動(dòng)副配合面必須滿足光潔度要求;

2)確認(rèn)鎖緊螺栓、墊片彎折、開(kāi)口銷(xiāo)等與抓具各運(yùn)動(dòng)副配合面無(wú)干涉;

3)檢查確認(rèn)爪鉤的鉤口直角處和附近區(qū)域無(wú)裂紋或其他異常;

4)檢查抓具鉤爪、導(dǎo)向輪等運(yùn)動(dòng)部件動(dòng)作靈活無(wú)卡澀;

5)檢查應(yīng)急脫開(kāi)功能完好，螺桿配合面及螺紋副完好;

6)通過(guò)抓具試驗(yàn)臺(tái)架對(duì)檢修后的抓具進(jìn)行功能再鑒定，檢查鉤爪張開(kāi)和閉合的尺寸合格。

4.2 抓具運(yùn)動(dòng)部件材質(zhì)變更

秦二廠1/2號(hào)機(jī)組裝卸料機(jī)抓具的結(jié)構(gòu)與尺寸與方家山核電站較為相似，但是主要部件的材料選擇方面區(qū)別較大，其缸體、控制套筒、滑動(dòng)套筒等運(yùn)動(dòng)部件采用的是Cr20Mn10Ni4Si3N不銹鋼，聯(lián)鎖板、聯(lián)鎖滾柱和螺桿采用的是0Cr17Ni7Al不銹鋼。Cr20Mn10Ni4Si3N不銹鋼添加了Mn和Si元素，在防粘著磨損性能方面較普通Cr-Ni不銹鋼有一定的優(yōu)勢(shì)。因抓具負(fù)載約700 kg，對(duì)強(qiáng)度要求不高，且抓具故障多為運(yùn)動(dòng)副配合面咬合所致，因此抓具運(yùn)動(dòng)部件材質(zhì)選用Cr20Mn10Ni4Si3N抗咬合材料，能在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上提升抓具的可靠性及耐久性。

4.3 優(yōu)化氣路驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)維修大綱

1)每次裝卸料前對(duì)氣路驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行重點(diǎn)檢查，包括氣管接頭和氣缸軸封部位的檢漏及電磁換向閥和氣缸的動(dòng)作試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)漏氣、卡澀等缺陷及時(shí)處理；

2)每四個(gè)燃料循環(huán)對(duì)裝卸料機(jī)氣缸及相連尼龍管、接頭進(jìn)行預(yù)防性更換；

3)每六個(gè)燃料循環(huán)對(duì)大小車(chē)、主提升氣路系統(tǒng)的氣管進(jìn)行預(yù)防性更換；

4)卸料完成后的低低水位期間，操作主提升上升至零標(biāo)高，避免氣缸長(zhǎng)時(shí)間浸泡在硼酸水中。

4.4 氣缸支撐架法蘭孔結(jié)構(gòu)改造

將氣缸支撐架法蘭孔尺寸適當(dāng)擴(kuò)大，由φ35H10變更為φ47，并在孔中鑲嵌材料為QSn7-0.2的銅套過(guò)渡，法蘭與銅套過(guò)盈配合0.05 mm，兩者之間使用騎縫螺釘連接并點(diǎn)焊處理。最終避免裝卸料機(jī)氣缸活塞連接軸與支撐架法蘭的直接接觸，改善該結(jié)構(gòu)的抗咬合性。

4.5 增設(shè)抓具與燃料組件對(duì)中檢查裝置

增設(shè)反應(yīng)堆廠房?jī)A翻機(jī)位置可移動(dòng)式的水下電視裝置，裝卸料期間對(duì)抓具的對(duì)中情況進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察及檢查，確保整個(gè)裝卸料期間抓具與燃料組件的對(duì)中度符合要求。

研制抓具對(duì)中檢查裝置，在卸料前燃料轉(zhuǎn)運(yùn)裝置傾翻機(jī)垂直度檢查過(guò)程中，將抓具對(duì)中裝置安裝在傾翻機(jī)的承載器喇叭口，下降裝卸料機(jī)伸縮套筒，確認(rèn)抓具定位銷(xiāo)與裝置定位銷(xiāo)孔對(duì)中完好并標(biāo)定坐標(biāo)，避免裝卸料機(jī)大車(chē)初始零位出現(xiàn)偏差。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)秦山核電站M310堆型歷次大修出現(xiàn)的裝卸料機(jī)抓具無(wú)法脫扣故障進(jìn)行了原因分析，并制定了具有針對(duì)性的應(yīng)對(duì)措施。通過(guò)采用這些改進(jìn)和控制措施，秦山核電站在近幾次大修中，裝卸料機(jī)未再出現(xiàn)過(guò)抓具無(wú)法脫扣的故障現(xiàn)象，證明相關(guān)分析及所采取的應(yīng)對(duì)措施起到了良好的效果，同時(shí)也為裝卸料機(jī)類(lèi)似故障的判斷和處理提供了借鑒和參考。