曹烽華

（中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江嘉興 314300）

0 引言

CANDU-6 重水堆核電站的一大特點(diǎn)是不停堆換料，而裝卸料機(jī)就是專(zhuān)門(mén)用于實(shí)現(xiàn)這一目的。推桿組件是裝卸料機(jī)的重要組成部分，主要功能是實(shí)現(xiàn)燃料通道密封塞、屏蔽塞的拆裝和燃料棒束的更換。卷尺機(jī)構(gòu)安裝在推桿組件尾部傳動(dòng)齒輪箱上，在裝卸料機(jī)換料操作過(guò)程中提供C 推桿動(dòng)作位置的精確測(cè)量和指示。如果卷尺機(jī)構(gòu)鋼帶失效，C 推桿位置就會(huì)指示異常，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致推桿動(dòng)作失效。

秦三廠1#和2#機(jī)組多次出現(xiàn)卷尺機(jī)構(gòu)鋼帶失效問(wèn)題。其中，2018 年1#機(jī)組Q1#卷尺機(jī)構(gòu)鋼帶發(fā)生斷裂，導(dǎo)致燃料通道無(wú)法關(guān)閉達(dá)8 h 之久，嚴(yán)重影響了系統(tǒng)的安全性，最終更換卷尺機(jī)構(gòu)后才將故障消除。羅馬尼亞Cernavoda 電站和加拿大Pickering 電站都曾經(jīng)發(fā)生過(guò)因卷尺機(jī)構(gòu)鋼帶失效導(dǎo)致?lián)Q料中斷的事件，但未調(diào)查出故障的根本原因，一般處理方式為更換鋼帶。為防止類(lèi)似故障再次出現(xiàn)，需要分析卷尺機(jī)構(gòu)鋼帶失效的根本原因，采取應(yīng)對(duì)措施，提高裝卸料機(jī)系統(tǒng)的可靠性。

1 卷尺機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及工作原理

卷尺機(jī)構(gòu)分為機(jī)械傳動(dòng)和儀控指示兩部分（圖1）。其中，機(jī)械傳動(dòng)部分主要由殼體、鋼帶、滑輪、渦卷彈簧、驅(qū)動(dòng)軸、軸承、定位環(huán)和端蓋組成，滑輪內(nèi)套有花鍵軸，花鍵軸與驅(qū)動(dòng)軸內(nèi)的花鍵孔相連；儀控指示部分主要由2 個(gè)粗電位計(jì)、1 個(gè)精電位計(jì)、波紋管及其齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。

圖1 卷尺機(jī)構(gòu)

卷尺機(jī)構(gòu)的鋼帶一端固定在滑輪上，通過(guò)定位環(huán)和端蓋實(shí)現(xiàn)滑輪的軸向定位；另一端橫穿過(guò)推桿組件傳動(dòng)齒輪箱的主軸孔、1#管的內(nèi)徑孔和3#管支撐孔，然后固定在C 推桿頭后部的固定器上。當(dāng)C 推桿前進(jìn)時(shí)，鋼帶跟隨C 推桿動(dòng)作，此時(shí)鋼帶帶動(dòng)滑輪轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)軸帶動(dòng)電位計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)指示C 推桿位置，同時(shí)使渦卷彈簧盤(pán)緊；當(dāng)C 推桿回撤時(shí)，依靠渦卷彈簧的彈力，將鋼帶回卷到滑輪上，并帶動(dòng)電位計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)指示C 推桿位置。鋼帶在渦卷彈簧的作用下，始終保持拉緊狀態(tài)。

2 鋼帶失效現(xiàn)象

（1）卷尺機(jī)構(gòu)鋼帶的主要失效形式為斷裂和打折，其中：斷裂2 次，打折3 次，打折并斷裂1 次。檢查5#和6#故障卷尺機(jī)構(gòu)鋼帶，均是在鋼帶前部受力最小的鉚釘孔處發(fā)生斷裂。鋼帶斷裂部位平整無(wú)扭曲、裂口等擠壓現(xiàn)象（圖2）。鑒于上述情況，判斷鋼帶是受拉力屈服變形斷裂。

圖2 5#和6#卷尺機(jī)構(gòu)鋼帶斷裂

（2）Q1#卷尺機(jī)構(gòu)鋼帶的破損形態(tài)主要為受壓力打折、扭曲、裂口和斷裂等形式，無(wú)受拉力后屈服變形的形態(tài)，說(shuō)明鋼帶是擠壓打折后出現(xiàn)破損斷裂的（圖3）。

3 失效原因分析

根據(jù)卷尺機(jī)構(gòu)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和工作原理，結(jié)合C 推桿的動(dòng)作原理，從卷尺機(jī)構(gòu)主要相關(guān)運(yùn)動(dòng)部件來(lái)分析鋼帶失效的原因。

圖3 Q1#卷尺機(jī)構(gòu)鋼帶打折并斷裂

3.1 鋼帶斷裂

5#卷尺機(jī)構(gòu)和6#卷尺機(jī)構(gòu)鋼帶都是在C 推桿前進(jìn)過(guò)程中出現(xiàn)斷裂。5#卷尺機(jī)構(gòu)在C 推桿前進(jìn)到4895 mm 時(shí)出現(xiàn)斷裂，6#卷尺機(jī)構(gòu)鋼帶在C 推桿前進(jìn)到4817 mm 時(shí)出現(xiàn)斷裂。

根據(jù)裝卸料機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)描述，C 推桿行程與鋼帶伸出長(zhǎng)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表1。其中，C 推桿的最大行程為6985 mm，鋼帶的長(zhǎng)度為12 728 mm。

表1 C 推桿行程與鋼帶伸出長(zhǎng)度關(guān)系 mm

計(jì)算卷尺機(jī)構(gòu)鋼帶斷裂時(shí)伸出的長(zhǎng)度：5#卷尺機(jī)構(gòu)為4762+4895＝9657 mm，6#卷尺機(jī)構(gòu)為4762+4817＝9579 mm?？梢钥闯觯?#和6#卷尺機(jī)構(gòu)鋼帶均在C 推桿沒(méi)有前進(jìn)到最大行程前就發(fā)生了斷裂。

3.1.1 鋼帶可承受的拉力計(jì)算

鋼帶厚度為0.127 mm，寬度為12.7 mm，材料為ASTM A693 TYPE 631，屈服強(qiáng)度為1035 MPa。鋼帶可承受的最大屈服拉力F=Sσ。其中，F(xiàn) 為屈服拉力，S 為鋼帶截面積，σ 為屈服強(qiáng)度。鋼帶頭部由鉚釘連接，鉚釘孔直徑為英寸，鉚釘孔按2 個(gè)計(jì)算，該處的有效截面積S=0.152×（12.7-1.587×2）=1.448 mm2，則鋼帶可承受的最大屈服拉力F=Sσ=1.448×1035=1498 N。

維修手冊(cè)98-35214-MM-001 中描述，渦卷彈簧對(duì)鋼帶的最大拉力為130 N，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鋼帶的屈服拉力，說(shuō)明鋼帶的可靠性非常高。

3.1.2 鋼帶預(yù)緊力設(shè)置問(wèn)題

維修手冊(cè)98-35214-MM-001 中要求卷尺機(jī)構(gòu)檢修設(shè)定時(shí)，將鋼帶拉出4750 mm，通過(guò)調(diào)節(jié)渦卷彈簧的盤(pán)緊圈數(shù)，使鋼帶受到的拉力大于53 N，其目的就為了保證C 推桿在初始位置時(shí)（表1），鋼帶在滑輪上是盤(pán)緊的，這樣鋼帶就不會(huì)出現(xiàn)松弛，進(jìn)而影響到C 推桿的位置指示。渦卷彈簧由松弛到盤(pán)緊時(shí)的最大轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)為33 圈，當(dāng)鋼帶拉出4750 mm 時(shí)，通過(guò)脫開(kāi)與滑輪嚙合的花鍵軸（圖1），設(shè)定渦卷彈簧盤(pán)緊的圈數(shù)為X，使鋼帶預(yù)緊拉力大于53 N，然后再將滑輪與花鍵軸嚙合，此時(shí)滑輪對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)為4750÷275=17 圈（鋼帶輪的周長(zhǎng)為275 mm，不考慮鋼帶厚度，后續(xù)計(jì)算均四舍五入取整圈）。如果將鋼帶繼續(xù)拉出到C 推桿最大行程時(shí)的11 747 mm 時(shí)，則滑輪轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)為（11747-4750）÷275=25 圈，渦卷彈簧對(duì)應(yīng)盤(pán)緊的圈數(shù)為（25+X），如果 大于渦卷彈簧的最大轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)33（即X＞8 圈）時(shí)，渦卷彈簧將不能再繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，造成鋼帶輪不能轉(zhuǎn)動(dòng)，最終使鋼帶不能跟隨C 推桿動(dòng)作，將意外受到C 推桿前進(jìn)的拉力。

解體5#和6#卷尺機(jī)構(gòu)，將鋼帶拉出4750 mm（包括鋼帶斷裂部分），檢查鋼帶的拉力及渦卷彈簧對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)（表2）。

表2 鋼帶拉力和渦卷彈簧轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)檢查結(jié)果

由表2 可以看出，5#和6#卷尺機(jī)構(gòu)渦卷彈簧轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)X 均大于8 圈的限值，當(dāng)C 推桿前進(jìn)到最大行程時(shí)，鋼帶就會(huì)受到C推桿前進(jìn)的拉力。根據(jù)設(shè)計(jì)手冊(cè)98-35230-DM-001 的描述，C推桿前進(jìn)時(shí)的力為3690 N，遠(yuǎn)大于鋼帶可承受的最大拉力F（1498 N），因此鋼帶必然會(huì)屈服斷裂。由表2 的數(shù)據(jù)，計(jì)算卷尺機(jī)構(gòu)鋼帶可以伸出的最大長(zhǎng)度：5#卷尺機(jī)構(gòu)為[（11747÷275）-（15.5-8）]×275=9762.5 mm，6#卷尺機(jī)構(gòu)為[（11747÷275）-（16-8）]×275=9625 mm。計(jì)算出的數(shù)據(jù)與鋼帶斷裂時(shí)實(shí)際伸出的長(zhǎng)度基本一致：5#卷尺機(jī)構(gòu)（9657 mm），6#卷尺機(jī)構(gòu)（9579 mm）。

解體功能正常的2#和3#卷尺機(jī)構(gòu)，將鋼帶拉出4750 mm，檢查鋼帶的拉力及渦卷彈簧對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)（表3）。

表3 鋼帶拉力和渦卷彈簧轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)檢查結(jié)果

對(duì)比表2 和表3 中鋼帶的預(yù)緊力和渦卷彈簧轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)，出現(xiàn)鋼帶斷裂的5#和6#卷尺機(jī)構(gòu)設(shè)定的鋼帶拉力和渦卷彈簧轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)均偏大，同時(shí)計(jì)算出的鋼帶可以伸出的最大長(zhǎng)度與鋼帶斷裂時(shí)實(shí)際伸出的長(zhǎng)度基本一致，也說(shuō)明5#和6#卷尺機(jī)構(gòu)鋼帶預(yù)緊力設(shè)定方法存在問(wèn)題。

3.2 鋼帶打折

鋼帶打折是在C 推桿回撤過(guò)程中出現(xiàn)的。鋼帶打折，首先要松弛，然后通過(guò)擠壓才能產(chǎn)生打折。設(shè)計(jì)上鋼帶在渦卷彈簧的彈簧力作用下，始終是保持拉緊的。C 推桿回撤過(guò)程中鋼帶發(fā)生打折，可能原因有：渦卷彈簧發(fā)生故障和鋼帶與渦卷彈簧間的傳動(dòng)部件出現(xiàn)問(wèn)題，導(dǎo)致鋼帶出現(xiàn)松弛。對(duì)鋼帶與渦卷彈簧間的傳動(dòng)部件及鋼帶運(yùn)動(dòng)相關(guān)的部件進(jìn)行檢查，未發(fā)現(xiàn)異常。鑒于Q1#卷尺機(jī)構(gòu)的鋼帶嚴(yán)重打折且已經(jīng)斷裂，失效現(xiàn)象較為集中和典型，因此針對(duì)該卷尺機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析。

3.2.1 渦卷彈簧的影響分析

卷尺機(jī)構(gòu)的渦卷彈簧為平面接觸式渦卷彈簧，依靠Shell T32潤(rùn)滑油潤(rùn)滑。檢查卷尺機(jī)構(gòu)鋼帶的最大伸出長(zhǎng)度大于11 747 mm，但將鋼帶完全拉出、依靠彈簧力回卷的過(guò)程中，渦卷彈簧多次出現(xiàn)卡住和集中突然釋放的現(xiàn)象。

圖4 渦卷彈簧表面狀態(tài)

檢查渦卷彈簧尺寸滿(mǎn)足要求，內(nèi)部無(wú)異物，但其表面存在多處磨損的痕跡（圖4）。這些磨損表明，渦卷彈簧的面與面之間存在異常摩擦阻力，這會(huì)降低其彈力，使其不能正常釋放從而回卷鋼帶。

根據(jù)渦卷彈簧圖紙和廠家提供的文件，彈簧材料為ASTM A240 TYPE 301，厚0.014 英寸（0.355 6 mm），寬5.6英寸（142.24 mm），長(zhǎng)640 英寸（16 256 mm），抗拉強(qiáng)度為1900 MPa。計(jì)算渦卷彈簧的極限轉(zhuǎn)矩Tj。

式中Tj——渦卷彈簧的極限轉(zhuǎn)矩，N·mm

σb——材料的抗拉強(qiáng)度，MPa

b——材料截面積寬度，mm

h——材料截面積厚度，mm

將渦卷彈簧相關(guān)數(shù)據(jù)代入，計(jì)算彈簧極限轉(zhuǎn)矩Tj=1900×5.6×25.4×（0.014×25.4）2÷6=5837 N·mm=5.84 N·m。

最大轉(zhuǎn)矩T2=m3Tj，其中m3為強(qiáng)度系數(shù)。

渦卷彈簧的外端為銷(xiāo)式固定，m3選取0.78，最大轉(zhuǎn)矩T2=0.78×5.84=4.56 N·mm=40 in·lb，最小轉(zhuǎn)矩T1=（0.5～0.7）×T2。取0.5～0.7 的中間值0.6，則最小轉(zhuǎn)矩T1=0.6×40=24 in·lb。

通過(guò)上述計(jì)算，得出鋼帶的正常轉(zhuǎn)矩應(yīng)在24～40 in·lb（1 in·lb=0.112 903 N·m）。按照廠家提供的渦卷彈簧轉(zhuǎn)矩檢查方法：在完全盤(pán)緊后釋放1 圈時(shí)檢查最大轉(zhuǎn)矩，在完全盤(pán)緊后釋放28 圈時(shí)檢查最小轉(zhuǎn)矩。分別對(duì)Q1#故障渦卷彈簧和新渦卷彈簧備件的性能進(jìn)行了檢查，檢查結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 彈簧轉(zhuǎn)矩檢查情況in·lb

從檢查結(jié)果可以看出，故障渦卷彈簧性能較差，轉(zhuǎn)矩變小，不滿(mǎn)足使用要求，而新渦卷彈簧的性能均滿(mǎn)足使用要求。故障渦卷彈簧表面的磨損情況和渦卷彈簧轉(zhuǎn)矩變小的數(shù)據(jù)，均說(shuō)明故障渦卷彈簧的性能已經(jīng)下降，輸出轉(zhuǎn)矩不穩(wěn)定。

3.2.2 設(shè)計(jì)缺陷

卷尺機(jī)構(gòu)內(nèi)部浸泡在重水內(nèi)，依靠重水潤(rùn)滑，而渦卷彈簧本身的特性決定了其釋放過(guò)程中存在不平穩(wěn)現(xiàn)象，導(dǎo)致C 推桿回撤過(guò)程中鋼帶的損傷。設(shè)計(jì)缺陷主要如下：①渦卷彈簧需要使用潤(rùn)滑油潤(rùn)滑，但是渦卷彈簧又浸泡在重水中，潤(rùn)滑油在水中長(zhǎng)時(shí)間使用后潤(rùn)滑性能下降，影響渦卷彈簧釋放的平穩(wěn)性；②由于重水潤(rùn)滑性能差，增加渦卷彈簧的摩擦，縮短渦卷彈簧的壽命；③渦卷彈簧面與面之間存在摩擦，長(zhǎng)期運(yùn)行后渦卷彈簧表面存在磨損，進(jìn)一步加劇了渦卷彈簧釋放的不平穩(wěn)性。設(shè)計(jì)缺陷導(dǎo)致渦卷彈簧需要定期檢查和更換。

3.2.3 鋼帶打折后的運(yùn)行干預(yù)方式影響

鋼帶穿過(guò)的主軸孔、1#管和3#管支撐件與鋼帶寬度的間隙只有3.048 mm，一旦鋼帶發(fā)生打折現(xiàn)象就會(huì)卡在C 桿頭與3#管支撐的后部腔室內(nèi)，同時(shí)發(fā)生聚積。如果按照現(xiàn)有的運(yùn)行直接加力回撤C 推桿的方式處理，打折后聚積的鋼帶會(huì)在C 推桿回撤力的作用下進(jìn)一步被擠壓變形，加劇打折程度，進(jìn)而產(chǎn)生破口，最終出現(xiàn)斷裂。

3.3 分析結(jié)論

3.3.1 鋼帶斷裂的原因

維修人員將鋼帶拉出4750 mm 設(shè)定鋼帶預(yù)緊力時(shí)，渦卷彈簧盤(pán)緊的圈數(shù)X 超過(guò)8 圈的限值，導(dǎo)致C 推桿未前進(jìn)到最大行程時(shí)，渦卷彈簧已達(dá)到極限位置，此時(shí)鋼帶承受的C 推桿拉力超過(guò)鋼帶的拉伸強(qiáng)度，導(dǎo)致卷尺機(jī)構(gòu)鋼帶屈服斷裂。因此，鋼帶預(yù)緊力的設(shè)定方法錯(cuò)誤是鋼帶斷裂的主要原因。

3.3.2 鋼帶打折的原因

卷尺機(jī)構(gòu)鋼帶出現(xiàn)打折并斷裂的過(guò)程：在C 推桿回撤過(guò)程中，渦卷彈簧卡住，鋼帶出現(xiàn)松弛，但C 推桿仍然在繼續(xù)回撤；松弛的鋼帶在C 推桿頭后部腔室內(nèi)打折，進(jìn)而卡住；打折后聚積的鋼帶在C 推桿回撤力的作用下進(jìn)一步被擠壓變形，打折程度加劇，進(jìn)而產(chǎn)生破口，最終斷裂。

可以確定C 推桿回撤過(guò)程中，由于渦卷彈簧故障，沒(méi)有及時(shí)將鋼帶回收，鋼帶出現(xiàn)打折；由于運(yùn)行操作干預(yù)措施不當(dāng)，導(dǎo)致鋼帶在C 推桿回撤力的擠壓下在C 推桿頭的后部聚積、擠壓和打折，在打折嚴(yán)重的位置出現(xiàn)裂口，當(dāng)C 推桿或B 推桿反復(fù)動(dòng)作時(shí)鋼帶裂口不斷擴(kuò)大并斷裂。

因此，鋼帶打折的主要原因是渦卷彈簧故障。另外，卷尺機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)缺陷加大了渦卷彈簧的故障概率，再加上運(yùn)行操作問(wèn)題，導(dǎo)致打折后的鋼帶發(fā)生斷裂。

4 應(yīng)對(duì)措施

4.1 修改鋼帶預(yù)緊力設(shè)定方法

（1）在鋼帶拉出4750 mm 設(shè)定預(yù)緊力時(shí)，確認(rèn)渦卷彈簧的盤(pán)緊圈數(shù)不能大于8 圈。在預(yù)緊力設(shè)定后，檢查鋼帶全部拉出后的長(zhǎng)度必須大于C 推桿最大行程時(shí)鋼帶最大伸出的長(zhǎng)度（11 747 mm），防止由于預(yù)緊力設(shè)定方法不正確而導(dǎo)致鋼帶出現(xiàn)屈服斷裂。

（2）卷尺機(jī)構(gòu)一旦確認(rèn)鋼帶打折，必須盡快更換。

4.2 增加渦卷彈簧的檢查和更換要求

（1）由于渦卷彈簧是有使用壽命的，且內(nèi)部彈力大，不易檢修。為了降低渦卷彈簧的故障頻率，定期更換渦卷彈簧。

（2）針對(duì)渦卷彈簧不平穩(wěn)的特性，在現(xiàn)有的檢修程序中增加渦卷彈簧轉(zhuǎn)矩的檢查要求，提前更換性能下降的渦卷彈簧。

4.3 優(yōu)化鋼帶打折后的運(yùn)行干預(yù)措施

（1）通過(guò)比對(duì)B 推桿與C 推桿的相對(duì)位置，在確認(rèn)鋼帶打折后，避免使用直接回撤C 推桿并加壓的方法，防止出現(xiàn)鋼帶斷裂等更為嚴(yán)重的情況。在確保裝卸料機(jī)狀態(tài)安全的前提下，通過(guò)前進(jìn)B 推桿或C 推桿將打折的鋼帶臨時(shí)拉直，直到C 推桿恢復(fù)位置指示后再回撤C 推桿，此時(shí)表明渦卷彈簧功能已恢復(fù)，打折后卡住的鋼帶已被臨時(shí)拉直。

（2）一旦確認(rèn)卷尺機(jī)構(gòu)的鋼帶打折，必須盡快更換。

4.4 設(shè)計(jì)變更

卷尺機(jī)構(gòu)內(nèi)部部件依靠重水潤(rùn)滑，重水的潤(rùn)滑性能較差，可以考慮變更卷尺機(jī)構(gòu)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，將渦卷彈簧組件從重水中隔離出來(lái)，這樣能夠減少渦卷彈簧的磨損，增加彈簧的平穩(wěn)性和使用壽命。

5 總結(jié)

卷尺機(jī)構(gòu)是重水堆裝卸料機(jī)的重要部件，其鋼帶失效會(huì)使C推桿失去位置指示，導(dǎo)致?lián)Q料中斷，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)堆停堆。鋼帶的主要失效形式為斷裂和打折，通過(guò)分析，確定鋼帶預(yù)緊力設(shè)定方法錯(cuò)誤是鋼帶屈服斷裂的主要原因；渦卷彈簧性能下降是鋼帶打折的主要原因，而運(yùn)行處置不當(dāng)會(huì)加劇鋼帶打折加劇甚至出現(xiàn)斷裂，另外設(shè)備本身的設(shè)計(jì)缺陷也需要改進(jìn)。通過(guò)優(yōu)化維修規(guī)程中鋼帶預(yù)緊力的設(shè)定方法、檢查渦卷彈簧的轉(zhuǎn)矩、定期更換渦卷彈簧和優(yōu)化鋼帶打折的干預(yù)方法等措施，已經(jīng)基本解決了鋼帶失效問(wèn)題，保證了裝卸料機(jī)的可靠性和系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性。