閆國(guó)華，袁夢(mèng)揚(yáng)，文 忠，李 瑋，俞照輝

（國(guó)核電站運(yùn)行服務(wù)技術(shù)有限公司，上海 200233）

0 引言

CAP1400、AP1000 機(jī)組反應(yīng)堆冷卻劑屏蔽泵葉輪和電機(jī)部件共用一根主軸，通過螺栓與泵殼相連。為了防止泵體內(nèi)放射性冷卻劑外泄，泵殼與電機(jī)定子蓋之間焊接有一個(gè)Canopy 密封環(huán)[1]。主泵雖設(shè)計(jì)為免維護(hù)，但在制造、調(diào)試及運(yùn)行過程中均出現(xiàn)了若干故障，說明了主泵維修的必要性[2]。同時(shí)，主泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也考慮了后期拆卸的可能[3]。拆卸前需切割Canopy 密封環(huán)。為了解決主泵現(xiàn)場(chǎng)的拆裝問題，滿足實(shí)際維修需要，同時(shí)避免檢修過程中人員承受過量輻照劑量，設(shè)計(jì)了Canopy 密封環(huán)自動(dòng)切割裝置。

1 自動(dòng)切割裝置的設(shè)計(jì)

1.1 功能需求

屏蔽主泵采用正置安裝，泵殼與電機(jī)定子蓋之間焊接有Canopy 密封環(huán)，如圖1 所示。在主泵需要檢修時(shí)，需將該Canopy 密封環(huán)切斷，電機(jī)部件才能降落，移出核島。因電機(jī)是通過主螺栓懸掛于泵殼上，所以切割過程中始終會(huì)有4 個(gè)螺栓處于連接狀態(tài)用于承重，切割裝置需要切割2 次才能完成切割過程。電機(jī)定子蓋有外置熱交換器接管法蘭，故在該處的切割需從兩邊斜向切割，如圖2 所示。

圖1 主泵Canopy 密封環(huán)區(qū)域結(jié)構(gòu)

圖2 電機(jī)定子蓋接管法蘭

根據(jù)主泵Canopy 密封環(huán)區(qū)域的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，自動(dòng)切割裝置的設(shè)計(jì)應(yīng)具備以下功能：①整個(gè)裝置應(yīng)輕便化，可快速裝夾固定，且一次裝夾可完成整個(gè)切割過程；②裝置應(yīng)在不切除接管法蘭的情況下，完成干涉部位的Canopy 密封環(huán)切割；③作業(yè)過程中為避免碎屑劃傷主泵其他部件，要求刀具及其切削參數(shù)的選擇應(yīng)保證碎屑為微小碎片狀；④裝置應(yīng)能夠遠(yuǎn)程控制，盡量減少作業(yè)人員所受的輻照劑量。

1.2 切割裝置設(shè)計(jì)

為了滿足上述的功能要求，裝置的總體設(shè)計(jì)大致分為環(huán)形軌道和切削專機(jī)兩部分，如圖3 所示。

圖3 Canopy 密封環(huán)自動(dòng)切割裝置

環(huán)形軌道主要包含環(huán)形齒圈、環(huán)形底座、固定套筒、周向電機(jī)、運(yùn)動(dòng)底座等5 部分內(nèi)容。環(huán)形齒圈和環(huán)形底座通過螺栓、銷釘連為一體（為了便于搬運(yùn)及安裝，可將環(huán)形軌道分為多段），通過固定套筒插入主螺栓通孔內(nèi)，從而將環(huán)形軌道固定在主泵定子法蘭面上。周向電機(jī)端部安裝有齒輪，與齒圈齒形配合，驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)底座在環(huán)形齒圈上作周向運(yùn)動(dòng)。環(huán)形齒圈兩邊設(shè)有V 形槽，與運(yùn)動(dòng)底座底部的滾輪相配合，對(duì)運(yùn)動(dòng)底座起到導(dǎo)向作用。

切削專機(jī)安裝于運(yùn)動(dòng)底座上，通過旋轉(zhuǎn)電機(jī)端部的齒輪嚙合，實(shí)現(xiàn)自身的角度擺動(dòng)，以躲避切割過程中與主螺栓等的干涉空間干涉。專機(jī)主要包含直線進(jìn)給機(jī)構(gòu)、切削電機(jī)、切削刀具、攝像頭等部分。刀具選用標(biāo)準(zhǔn)刀具，采用快裝方式，快速安裝于切削電機(jī)端部。通過選用合適的刀具及切削參數(shù)，保證切削碎片為細(xì)小碎屑，一方面便于收集，另一方面避免了對(duì)周圍主泵零部件表面造成損傷。攝像頭用于監(jiān)測(cè)刀具的刀頭磨損情況、現(xiàn)場(chǎng)切割的情況等。裝置的周向零點(diǎn)和旋轉(zhuǎn)零點(diǎn)為專機(jī)切割起始位置及姿態(tài)提供校正。為了保證整套裝置在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的順利使用，專機(jī)在環(huán)形軌道上行走時(shí)處于與環(huán)形軌道相切的姿態(tài)，可盡可能節(jié)省空間。設(shè)計(jì)階段也對(duì)切割裝置的外形尺寸進(jìn)行了嚴(yán)格限制，保證了現(xiàn)場(chǎng)在不拆卸環(huán)境構(gòu)筑物的情況下完成Canopy 密封環(huán)的切割。

電機(jī)定子蓋接管法蘭處Canopy 密封環(huán)的切割示意，如圖4所示。

圖4 接管法蘭處Canopy 密封環(huán)切削

1.3 刀具切削參數(shù)

刀具及其切削參數(shù)的選擇應(yīng)滿足刀具標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、可快速更換，碎屑非連續(xù)、碎小狀，切削過程刀具跳動(dòng)量較小等要求。為此，試驗(yàn)選取了直徑為6 mm的標(biāo)準(zhǔn)球頭銑刀，經(jīng)優(yōu)化，對(duì)于無接管干涉區(qū)域的垂直切割，切削速度為0.5 mm/s，每次徑向進(jìn)給深度為1 mm；對(duì)于接管區(qū)域的斜向切割，切削速度為0.3 mm/s，每次徑向進(jìn)給深度為0.5 mm。切削試驗(yàn)材料為304L 不銹鋼，切削試驗(yàn)效果如圖5 所示。

圖5 最優(yōu)參數(shù)下的切削

2 樣機(jī)與試驗(yàn)

根據(jù)上述設(shè)計(jì)方案，研制了原理樣機(jī)，如圖6 所示。根據(jù)系統(tǒng)維修作業(yè)的工藝規(guī)程，按步驟對(duì)樣機(jī)的基本功能和切割作業(yè)進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明：裝置周向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、切削專機(jī)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和切削專機(jī)直線進(jìn)給機(jī)構(gòu)運(yùn)行平穩(wěn)，精度滿足要求，機(jī)械限位穩(wěn)定可靠，按預(yù)定的工藝要求完成了切割作業(yè)，未發(fā)生主泵局部模擬體其他部件損傷事件；刀具選型及切削參數(shù)設(shè)置合理，切削過程中，碎屑為細(xì)小碎片；控制系統(tǒng)軟硬件工作正常，通訊交互合理，操作簡(jiǎn)便。實(shí)際切削效果及碎片如圖7 所示，碎片非常細(xì)小，不會(huì)對(duì)周圍零部件造成損傷，碎屑可用吸塵器進(jìn)行收集。

圖6 Canopy 密封環(huán)自動(dòng)切割裝置樣機(jī)

圖7 切削效果及碎屑

3 結(jié)論

根據(jù)主泵的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和現(xiàn)場(chǎng)維修需求，設(shè)計(jì)了Canopy 密封環(huán)自動(dòng)切割裝置，選取了合理的刀具切削參數(shù)，搭建了運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，開發(fā)了控制系統(tǒng)，完成了樣機(jī)的研制，并在模擬體上進(jìn)行了Canopy 密封環(huán)的自動(dòng)切割試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：Canopy密封環(huán)自動(dòng)切割裝置設(shè)計(jì)合理，可在不去除接管法蘭的情況下完成Canopy 密封環(huán)的切割；刀具及切削參數(shù)選取合適，切削碎屑細(xì)小，未損傷主泵其余部件，易于收集；控制系統(tǒng)滿足遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制需求；整套裝置結(jié)構(gòu)緊湊，操作簡(jiǎn)便，能夠?qū)崿F(xiàn)既定的功能需求，可用于現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際作業(yè)。