李 娜，余志偉，安彥波，張 翼，王尚武，湛 卉

(中國核動力研究設(shè)計(jì)院 核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610213)

“華龍一號”反應(yīng)堆先進(jìn)堆芯測量系統(tǒng)中使用的中子-溫度探測器組件和水位探測器正常運(yùn)行兩個換料周期后需全部拆除，更換新的探測器組件，以滿足堆芯測量相關(guān)測量功能要求。使用新型專用拆除裝置完成的拆除操作應(yīng)在裝卸料機(jī)軌道上完成，因此需與裝卸料操作穿插進(jìn)行[1-4]。拆除效率直接影響裝卸料機(jī)和廠房環(huán)吊的各項(xiàng)操作，從而影響停堆總時間，進(jìn)而影響核電廠的經(jīng)濟(jì)性。所以有必要對拆除操作的流程進(jìn)行合理設(shè)計(jì)和參數(shù)化分析，以確定最優(yōu)的操作參數(shù)。本文基于拆除裝置各操作的特性，對各環(huán)節(jié)進(jìn)行了參數(shù)化建模，結(jié)合各動作的必要邏輯關(guān)系，對整個拆除流程進(jìn)行梳理和研究，為拆除工藝流程各功能模塊的參數(shù)確定提供技術(shù)基礎(chǔ)，有效節(jié)約拆除操作時間。

1 探測器組件拆除工藝

“華龍一號”堆芯測量系統(tǒng)用從反應(yīng)堆壓力容器頂蓋引出的中子—溫度探測器組件的拆除操作，目前尚未有完全相同的實(shí)用案例?？傞L度近11 m的探測器組件下端約4 m長度，在反應(yīng)堆運(yùn)行時，插入特定位置處燃料組件中間的儀表管內(nèi)?！叭A龍一號”核電廠換料操作期間，所有到壽期的探測器組件隨上部堆內(nèi)構(gòu)件一起轉(zhuǎn)移至堆內(nèi)構(gòu)件存放水池的上部堆內(nèi)構(gòu)件存放架上。待全部燃料組件卸除后，將裝卸料機(jī)轉(zhuǎn)移至反應(yīng)堆堆坑側(cè)，并吊離堆內(nèi)構(gòu)件吊具后，可將探測器組件拆除裝置在裝卸料機(jī)軌道上就位。拆除裝置就位零點(diǎn)(操作中心)為上部堆內(nèi)構(gòu)件存放架的中心。

現(xiàn)有探測器組件的拆除操作包括定位、抓取、剪切、卷繞、暫存、存儲6個基本步驟。分別由拆除裝置自身集成的在線閉環(huán)定位裝置、探測器組件抓具、剪切卷繞裝置、暫存容器、大小車組件等完成。整個拆除操作流程如圖1所示，其中，抓具的轉(zhuǎn)移操作由廠房環(huán)吊的20t副提升機(jī)構(gòu)執(zhí)行，拆除裝置行走運(yùn)動由大小車組件執(zhí)行。另外，用于存儲拆除后探測器組件繞卷的高放存儲容器在拆除裝置主體功能部件(抓具和縮容裝置)就位前已從乏燃料水池通過轉(zhuǎn)運(yùn)至堆內(nèi)構(gòu)件存放水池底部的工作位置，探測器組件拆除操作后也可單獨(dú)轉(zhuǎn)運(yùn)至乏燃料水池，因此，在拆除過程運(yùn)動建模中不考慮高放存儲容器的運(yùn)動情況。

圖1 堆芯探測器組件拆除操作流程圖

定位過程是通過拆除裝置自身集成的在線閉環(huán)定位設(shè)備，將拆除裝置的操作中心，調(diào)整至待拆除探測器組件中心正上方；抓取操作指下放拆除裝置的抓具至縮容裝置相應(yīng)通道，下放并抓取待拆除探測器組件，后提升/拔出探測器組件至剪切高度；剪切操作指將探測器組件運(yùn)行時位于壓力容器外的一側(cè)，約700 mm的部分(簡稱低放段)與探測器組件主體段剪切分離；卷繞縮容操作指將剪切后剩余的探測器組件主體段通過連續(xù)卷繞方式，拔出通道并縮容成卷；存儲分為兩部分，一為剪切端部的存儲，通過抓具轉(zhuǎn)移至低放存儲容器。二為主體段繞卷的存儲，繞卷卷制完成后暫時存放在拆除裝置自帶的暫存容器內(nèi)，集滿4個繞卷后，操作拆除裝置運(yùn)動至高放存儲容器位置，將繞卷從暫存容器轉(zhuǎn)移至高放存儲容器最終存儲。

2 拆除操作邏輯順序分析

前文給出的探測器組件拆除操作的各基本操作中，定位和轉(zhuǎn)運(yùn)操作是針對一組4個探測器組件的，而抓取、剪切、卷繞、暫存是針對每一根探測器組件都必需的。因此，在評價拆除裝置操作時間時以完成一組4個探測器組件的拆除為研究對象。

根據(jù)拆除裝置的功能設(shè)計(jì)要求，各項(xiàng)操作間存在以下邏輯關(guān)系：

1)抓具就位于縮容裝置后，下放夾具抓取并拔出探測器組件的過程中，縮容裝置其他能動部件應(yīng)處于停止?fàn)顟B(tài)；

2)探測器組件卷繞過程中，縮容裝置除卷繞外其他能動部件應(yīng)處于停止?fàn)顟B(tài)；

3)縮容裝置在堆內(nèi)構(gòu)件存放水池上方運(yùn)動時，縮容裝置中除大小車外其余能動部件應(yīng)處于停止?fàn)顟B(tài)；

4)縮容裝置中暫存容器下放轉(zhuǎn)移臨時繞卷過程中，縮容裝置中其余能動部件應(yīng)處于停止?fàn)顟B(tài)。

基于以上要求得到拆除一組探測器組件滿足時間先后關(guān)系前提下，所需各操作序列表如表1所示。

從表1可以看出，抓具的部分操作可與拆除裝置的部分操作并行，為達(dá)到最高效率，存在以下關(guān)系：

1)縮容裝置中在線閉環(huán)設(shè)備獲得待拆除組件精確位置坐標(biāo)時，抓具應(yīng)已就位于該組件理論位置上方；

2)縮容裝置卷繞并暫存操作完成時，抓具應(yīng)已就位于下一組件理論位置上方。

3 拆除操作參數(shù)化

根據(jù)田灣VVER核電廠類似堆芯探測器組件拆除經(jīng)驗(yàn)，完成一根探測器組件拆除的時間約為1 h，確定“華龍一號”完成4個一組探測器組件拆除現(xiàn)場要求的最長目標(biāo)時間為不超過3 h。分別建立各操作的參數(shù)化模型，以獲取拆除總時間方程。

3.1 拆除裝置行走運(yùn)動模型

拆除裝置大小車組件放置在裝置料機(jī)軌道上，可以執(zhí)行平面雙向運(yùn)動的機(jī)電一體化運(yùn)行。在整個探測器組件拆除過程中，拆除裝置的主要位置包括初始零點(diǎn)、理論待拆除點(diǎn)、實(shí)際待拆除點(diǎn)、存放點(diǎn)；分別位于上部堆內(nèi)構(gòu)件存放架的中心處/位置1、拆除裝置控制系統(tǒng)預(yù)置的每組4個待拆除探測器組件分布圓的理論中心處/位置2、每一個待拆除探測器組件的中心處/位置3和容器存放架的中心處/位置4。其行走運(yùn)動簡化模型如圖2所示。

圖2 拆除裝置行走運(yùn)動模型

3.2 廠房環(huán)吊行走運(yùn)動模型

核電廠廠房用環(huán)形起重機(jī)(以下簡稱環(huán)吊)在核電站廠房安裝期間用于起吊和處理設(shè)備安裝的裝置。在電站交付使用后用于每次反應(yīng)堆停堆換料和反應(yīng)堆廠房內(nèi)設(shè)備維修所需的各種吊運(yùn)服務(wù)。探測器組件拆除過程中，將利用環(huán)吊20t的副起升機(jī)構(gòu)與探測器組件抓具吊耳連接，吊運(yùn)抓具在低放存儲容器位置和操作位置之間轉(zhuǎn)移。其行走運(yùn)動簡化模型如圖3所示。

圖3 廠房環(huán)吊行走運(yùn)動模型

3.3 抓具運(yùn)行模型

探測器組件抓具定位至待拆除點(diǎn)(待拆除探測器組件中心后)，首先需下放抓具至待拆除探測器組件夾持位置，所有探測器組件的下降高度相同，下降速度相同，待夾緊探測器組件后，提升并拔出探測器組件至剪切高度，理論提升速度相同。此時，抓具仍與廠房環(huán)吊保持連接，環(huán)吊在探測器組件實(shí)際位置/位置3處，保持不動。待剪切操作完成后，環(huán)吊將抓具轉(zhuǎn)移至低放存儲容器位置。簡化的抓具運(yùn)行模型如圖4所示。

圖4 抓具運(yùn)行模型

3.4 剪切縮容運(yùn)行模型

抓具定位至待拆除點(diǎn)下放至剪切縮容裝置前，剪切縮容裝置的夾持剪切模塊應(yīng)整體平移，提供抓具下放抓取探測器組件的通道。待探測器組件抓具將探測器組件抓取并提升至剪切高度后，剪切刀具平移、夾持并進(jìn)行剪切。剪斷后，抓具繼續(xù)提升直至上限位置后，方開始卷繞。因探測器組件長度不同，卷繞時間不同。卷繞完成后，探測器組件繞卷平移至?xí)捍嫒萜魃戏讲⑨尫爬@卷。該平移過程簡化的運(yùn)行模型如圖5所示。夾持和剪切時間較短且相對固定，本次研究中忽略不計(jì)。

圖5 剪切縮容運(yùn)行模型

3.5 暫存容器運(yùn)行模型

拆除裝置通過大小車組件運(yùn)行至高放存儲容器位置，再下放暫存容器，每次下放高度相同，下放速度相同。待繞卷全部轉(zhuǎn)移至高放容器后，提升暫存容器至初始位置，每次提升速度相同。簡化的運(yùn)行模型如圖7所示。

圖6 暫存容器運(yùn)行模型

4 各拆除操作時間參數(shù)方程

4.1 拆除裝置行走

拆除裝置大小車組件從初始零點(diǎn)到達(dá)該組探測器組件分布圓理論中心位置所花費(fèi)的時間Td1為：

(1)

拆除裝置大小車組件從探測器組件分布圓理論中心位置運(yùn)動至本次待拆除組件精確中心位置所花費(fèi)的時間為：

(2)

拆除裝置大小車組件從待拆除組件中心位置運(yùn)動至容器存放架的中心處所花費(fèi)的時間為Td3：

(3)

4.2 抓具行走

抓具在低放容器和抓取位置(即待拆除探測器組件正上方)間的轉(zhuǎn)移時間，由廠房環(huán)吊決定，假設(shè)環(huán)吊在位置3與位置5之間行走速度恒定，平均速度為為Vh，則抓具在低放容器與抓取位置間單程轉(zhuǎn)移所需時間Tz1為：

(4)

抓具就位于縮容裝置后，需下放夾爪夾緊探測器組件、拔出探測器組件，待剪切操作完成后夾爪歸于零位。為避免探測器組件拔出過程受到損傷，抓具夾爪拔出提升速度不宜過快。此過程所需的時間Tz2為：

(5)

4.3 剪切卷繞

假設(shè)剪切卷繞裝置水平往復(fù)運(yùn)動速度恒定，則剪切卷繞裝置在抓具就位前運(yùn)動至待拆除點(diǎn)上方和剪切完成后回位至?xí)捍嫒萜魃戏降臅r間相等，均為Tj，則：

(6)

其中TjΔ為剪切探測器和卷繞從暫存容器上脫落至?xí)捍嫒萜鲀?nèi)的總時間。

4.4 暫存容器存放

拆除裝置到達(dá)高放存儲容器正上方后，從暫存容器開始下放為初始狀態(tài)，至與高放存儲容器對接，再將暫存容器提升歸于初始狀態(tài)所需的時間Tc為:

(7)

4.5 操作優(yōu)化

為了高效完成拆除操作，減少總體操作時間，抓具運(yùn)動操作與縮容裝置卷繞暫存操作時間應(yīng)盡量匹配，即：

(8)

對于“華龍一號”核電廠，換料期間探測器組件隨上部堆內(nèi)構(gòu)件存放堆內(nèi)構(gòu)件水池的固定位置，因此L4是確定的。Vh和Vhz為環(huán)吊的運(yùn)行參數(shù)，可根據(jù)吊運(yùn)設(shè)備的實(shí)際需求進(jìn)行設(shè)定，最大值為10 m/min。為了獲得最小的Tz1值，需在滿足抓具平穩(wěn)轉(zhuǎn)移的前提下，盡可能快速的低空運(yùn)動。

4.6 拆除操作總時間

由前文分析可知，完成一組4個探測器組件拆除所需花費(fèi)的總時間應(yīng)為：

(9)

或

(10)

根據(jù)Tz1和Tj實(shí)際計(jì)算值得大小，使用公式(9)或公式(10)進(jìn)行拆除操作總時間的計(jì)算。

5 典型參數(shù)設(shè)計(jì)

5.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

“華龍一號”反應(yīng)堆廠房環(huán)吊、堆芯機(jī)械結(jié)構(gòu)及探測器組件、裝卸料機(jī)等設(shè)備的設(shè)計(jì)功能參數(shù)具體見表2。

表2 相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)值[5]

為簡化計(jì)算提出以下假設(shè)條件:

1)環(huán)吊平移和升降速度相同，Vh=Vhz；

2)拆除裝置在上部堆內(nèi)構(gòu)件上方移動時為低速區(qū)，取最遠(yuǎn)距離約4.5 m，Vxm=Vym=1 m/min；

3)拆除裝置在上部堆內(nèi)構(gòu)件上方外移動時為高速區(qū)，取最遠(yuǎn)距離約6.5 m，Vxk=Vyk=2 m/min；

5)定義Tz1min為一組4個探測器組件Tz1的最小值，定義Tz1max為一組4個探測器組件Tz1的最大值，且取4Tz1=2(Tz1min+Tz1max)；

6)定義Tjmin為一組4個探測器組件Tj的最小值，定義Tjmax為一組4個探測器組件Tj的最大值，且取4Tj=2(Tjmin+Tjmax)。

5.2 計(jì)算分析

分別基于不同已知參數(shù)，研究完成一組四個探測器組件拆除的總時間，與環(huán)吊轉(zhuǎn)移速度(Vh、Vhz)和卷繞速度(W)的變化關(guān)系。

為滿足公式(8)，分別帶入5.1節(jié)中確定的各參數(shù)值，得到公式(11)：

(11)

若根據(jù)環(huán)吊的轉(zhuǎn)移速度確定卷繞速度，代入公式(9)得到Tt，匯總數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 L4=5 m，L6=11 m時的匯總數(shù)據(jù)

若根據(jù)卷繞速度確定環(huán)吊的轉(zhuǎn)移速度，代入公式(11)得到Tt，匯總數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 L4=8 m，L6=10 m時的匯總數(shù)據(jù)

從表3、表4數(shù)據(jù)得出：

1)即使對于距離高放存儲容器最遠(yuǎn)處一組探測器組件，當(dāng)環(huán)吊轉(zhuǎn)移速度和卷繞速度最低時，完成一組4個探測器組件拆除操作所花費(fèi)的連續(xù)有效最長時間僅為141 min，大大少于目標(biāo)時間要求的3 h。

2)卷繞速度是影響探測器組件拆除時間的關(guān)鍵因素，提升卷繞速度可顯著縮短整體拆除時間；

3)當(dāng)以卷繞速度匹配環(huán)吊轉(zhuǎn)移速度時，所需環(huán)吊轉(zhuǎn)移速度不超過0.8 m/min，實(shí)際操作時，環(huán)吊轉(zhuǎn)移速度可適當(dāng)提高至1 m/min，環(huán)吊完成相關(guān)操作后，可停止在待拆除探測器組件上方等待下一步操作；

4)當(dāng)以環(huán)吊轉(zhuǎn)移速度匹配卷繞速度時，要求卷繞速度將超過0.7m/min，雖可以大大縮短整體拆除時間，但是高的卷繞速度不利于輻照后探測器組件的穩(wěn)定卷繞。

6 結(jié)束語

本文以順利完成一組4個探測器組件拆除所花費(fèi)的時間為研究對象，較系統(tǒng)地對“華龍一號”堆芯探測器組件拆除流程進(jìn)行了建模，并對拆除時間進(jìn)行了參數(shù)化建模分析，給出了提高拆除效率的準(zhǔn)則。結(jié)合工程實(shí)際，在已知數(shù)值參數(shù)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究了環(huán)吊轉(zhuǎn)移速度和拆除裝置轉(zhuǎn)移速度對拆除總時間的影響。經(jīng)驗(yàn)證，基于此操作流程的拆除工藝所花費(fèi)的理論拆除時間滿足工程實(shí)際需求。拆除裝置工程設(shè)計(jì)中各功能模塊的運(yùn)行參數(shù)的確定可借鑒本文研究結(jié)果。

符號表：

L1x：拆除裝置坐標(biāo)原點(diǎn)到待拆除探測器組件所在分布圓中心0°方向距離，m;

L1y：拆除裝置坐標(biāo)原點(diǎn)到待拆除探測器組件所在分布圓中心90°方向距離，m;

L2x：待拆除探測器組件所在分布圓中心與探測器組件中心0°方向距離，m;

L2y：待拆除探測器組件所在分布圓中心與探測器組件中心90°方向距離，m;

L3x：探測器組件分布圓中心與高放容器中心0°方向距離，m;

L3y：探測器組件分布圓中心與高放容器中心90°方向距離，m;

L4：低放容器與探測器組件中心距離，m;

L5：剪切卷繞裝置往復(fù)運(yùn)動距離，m;

L6：探測器組件卷繞段長度，m;

Vxm：拆除裝置x方向慢速區(qū)移動速度，m/min;

Vxk：拆除裝置x方向快速區(qū)移動速度，m/min;

Vym：拆除裝置y方向慢速區(qū)移動速度，m/min;

Vyk：拆除裝置y方向快速區(qū)移動速度，m/min;

Vh：環(huán)吊運(yùn)行小車廠房內(nèi)內(nèi)任意兩點(diǎn)間近似平均移動速度，m/min;

Vhz：環(huán)吊運(yùn)行小車副提升(20 t)起升速度，m/min;

Vzd：抓具抓取探測器組件后提升速度，m/min;

Vzu：抓具下放至待抓取探測器組件處的速度，m/min;

Vj：剪切卷繞裝置往復(fù)運(yùn)動速度，m/min;

Vcd：暫存容器從初始位置下降至高放容器對接位置的平均速度，m/min;

Vcu：暫存容器從高放容器對接位置提升至初始位置的平均速度，m/min;

W：卷繞速度，m/min;

Hh1：環(huán)吊下放抓具到低放容器位置的高度，m;

Hh2：環(huán)吊下放抓具到縮容裝置的高度，m;

Hz：抓具下放抓取探測器組件的行程，m;

Hc：暫存容器初始位置與高放容器對接位置間的距離，m;

TjΔ：剪切探測器和卷繞從暫存容器上脫落至?xí)捍嫒萜鲀?nèi)的總時間，min。