張連生
(中核核電運(yùn)行管理有限公司,浙江 海鹽 314303)
CANDU6重水堆裝卸料機(jī)管嘴抱卡機(jī)構(gòu)是將裝卸料機(jī)與燃料通道端部件可靠連接,保證換料過(guò)程中主熱傳輸系統(tǒng)壓力邊界的完整性的重要設(shè)備。管嘴機(jī)構(gòu)的故障會(huì)使換料中斷,嚴(yán)重時(shí)會(huì)使裝卸料機(jī)無(wú)法脫開(kāi)燃料通道,迫停堆處理。到目前為止,包括秦山核電在內(nèi)已有多個(gè)重水堆機(jī)組發(fā)生過(guò)因管嘴故障而停堆的事件。管嘴機(jī)構(gòu)故障主要集中在管嘴抱卡力不穩(wěn)定,進(jìn)而引發(fā)不能解除抱卡等風(fēng)險(xiǎn)[1]。該問(wèn)題為各重水堆電廠普遍存在的問(wèn)題,其分析與解決有著較為廣泛的意義。
管嘴機(jī)構(gòu)包括抱卡螺栓齒輪、抱卡筒、中心支撐筒、外支撐件、鎖緊螺母、推力軸承、碟形彈簧、驅(qū)動(dòng)油缸、齒條、抱卡爪及抱卡臂等(見(jiàn)圖1)。抱卡螺栓齒輪的外表面和抱卡筒的內(nèi)部都是ACME螺紋結(jié)構(gòu),它們相互配合使用。抱卡螺栓齒輪安裝在中心支撐筒上,兩側(cè)安裝有兩個(gè)推力軸承,推力軸承通過(guò)碟形彈簧、預(yù)載墊片和鎖緊螺母預(yù)載了45 000 lbf(1 lbf≈4.45 N)的力量。碟形彈簧補(bǔ)償管嘴抱卡到燃料通道后由于溫度變化而引起的零件的尺寸變化,以維持比較穩(wěn)定的抱卡力值。
近幾年裝卸料機(jī)管嘴機(jī)構(gòu)存在抱卡力不穩(wěn)定問(wèn)題,不得不頻繁進(jìn)行油壓調(diào)整,以使抱卡力維持在要求范圍內(nèi)。2018年曾連續(xù)兩次導(dǎo)致管嘴解抱卡故障,其中一次是在換料過(guò)程中發(fā)生,不得不停堆處理。圖2為2號(hào)裝卸料機(jī)2018年管嘴抱卡力變化曲線圖,從圖中可以看出該裝卸料機(jī)管嘴抱卡力在運(yùn)行過(guò)程中有較大的變化。波動(dòng)差值可達(dá)7 000 lbf。
圖2 2號(hào)裝卸料機(jī)抱卡力變化趨勢(shì)圖(2018年)
1.1.1 ACME螺紋參數(shù)
ACME螺紋即美制梯形傳動(dòng)螺紋,執(zhí)行ASME/ANSI B1.5-1997標(biāo)準(zhǔn)[2,3]。其基本牙型如圖3所示。
圖3 ACME螺紋的基本牙型
其中,D-內(nèi)螺紋的基本大徑,D1-內(nèi)螺紋的基本小徑,D2-內(nèi)螺紋的基本中徑,P-螺距,d-外螺紋的基本大徑,d1-外螺紋的基本小徑,d2-外螺紋的基本中徑,h-基本牙高。首先應(yīng)先檢查螺紋參數(shù)是否滿足要求。螺紋中徑測(cè)量方法見(jiàn)圖4。
圖4 三針?lè)y(cè)量螺紋中徑
1.1.2 螺紋檢查結(jié)果
對(duì)螺紋表面狀態(tài)檢查,發(fā)現(xiàn)抱卡螺栓齒輪的螺紋承載面上有傷痕,但是無(wú)凸起和高點(diǎn)。螺紋接觸率較差,沒(méi)有完整的面接觸(見(jiàn)圖5),遠(yuǎn)小于80%的要求。
圖5 螺紋研磨前接觸率
從以上檢查結(jié)果可以看出螺紋接觸率較差,遠(yuǎn)小于80%的要求,會(huì)影響傳動(dòng)穩(wěn)定性,是抱卡力不穩(wěn)定的一個(gè)重要原因。
管嘴抱卡機(jī)構(gòu)傳動(dòng)螺紋為ACME Class 2G螺紋。其齒頂?shù)菇菓?yīng)滿足如圖6所示的ASME/ANSI B1.5-1997標(biāo)準(zhǔn)要求,即齒頂可以有45度倒角,其最大深度為P/15,最小為P/20。對(duì)應(yīng)的倒角平面寬度為0.070 7P~0.094 5P。由于倒角大小會(huì)影響螺紋承載面面積,進(jìn)而影響承載應(yīng)力和傳動(dòng)性能,因此有必要做定量分析。
圖6 螺紋牙頂?shù)菇?/p>
為了說(shuō)明梯形螺紋接觸面支承應(yīng)力的變化幅度,考慮了以下情況:
情況1—無(wú)倒角情況;
情況2—采用標(biāo)準(zhǔn)倒角尺寸允許的最大值為0.033 in(1 in=2.54 cm)。
假設(shè)內(nèi)外螺紋完美對(duì)中,考慮80% 的承載螺紋表面接觸,沒(méi)有倒角時(shí),承載應(yīng)力為1.3 ksi(1 ksi=6.895 MPa),倒角為最大允許值0.033 in時(shí),承載應(yīng)力增加到1.7 ksi??紤]到最大容許承載應(yīng)力(屈服強(qiáng)度)為Sy=147 ksi,倒角的大小從應(yīng)力增加的角度來(lái)看,不會(huì)引起任何問(wèn)題。實(shí)際應(yīng)用中內(nèi)外螺紋會(huì)出現(xiàn)一定的偏心現(xiàn)象,預(yù)計(jì)螺紋承載應(yīng)力會(huì)有所增加。然而,考慮到容許承載應(yīng)力的巨大余量,也可以不用考慮。因此螺紋倒角的影響較小,可以忽略。詳細(xì)計(jì)算見(jiàn)圖7和表1。
表1 ACME承載應(yīng)力計(jì)算
以上研究結(jié)果表明,當(dāng)ACME螺紋頂部的倒角尺寸在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)時(shí),對(duì)于抱卡筒與抱卡螺栓齒輪表面接觸處的承載應(yīng)力的增加影響不大,螺紋不會(huì)由于倒角的大小而產(chǎn)生接觸面過(guò)載。
對(duì)ACME螺紋傳動(dòng)有重要影響的另外一個(gè)因素是油脂潤(rùn)滑情況。潤(rùn)滑脂的變質(zhì)是必須要避免的一個(gè)問(wèn)題。使用后的油脂有明顯的變質(zhì)現(xiàn)象。因此更換油脂測(cè)試抱卡力變化情況。更換油脂前,管嘴抱卡力變化情況如圖8所示,管嘴抱卡力不平穩(wěn),且逐漸增大。更換油脂后的抱卡力變化情況如圖9所示。管嘴抱卡力平穩(wěn),沒(méi)有異常上升情況。說(shuō)明更換油脂對(duì)管嘴機(jī)構(gòu)傳動(dòng)效率穩(wěn)定性影響較大。
圖8 潤(rùn)滑前抱卡力
圖9 潤(rùn)滑后抱卡力
管嘴機(jī)構(gòu)油脂變質(zhì)的原因主要是O形圈滲水導(dǎo)致油脂變質(zhì)。對(duì)于這個(gè)問(wèn)題,增加O形圈更換頻率,提高潤(rùn)滑頻率,是較為快捷可行的解決方案。
起預(yù)載作用的碟形彈簧是管嘴機(jī)構(gòu)中的重要零件,對(duì)抱卡力的穩(wěn)定性也有重要影響。碟形彈簧的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行載荷60 000 lbf,極限推力載荷80 000 lbf。碟形彈簧的要求彈性系數(shù)為900 000 lbf/in。
檢查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)部分碟形彈簧墊片變硬,彈性系數(shù)增加,見(jiàn)表2。這會(huì)對(duì)管嘴抱卡力產(chǎn)生影響。因?yàn)樵诘螐椈勺冇捕A(yù)載墊片不改變的情況下,管嘴機(jī)構(gòu)彈簧預(yù)載力增加,相應(yīng)的在換料過(guò)程中由于熱膨脹而引起的抱卡力也會(huì)增加,若增加過(guò)大則有損壞軸承或彈簧的風(fēng)險(xiǎn),有必要對(duì)其分析計(jì)算。參考圖10。
表2 碟形彈簧壓縮量數(shù)據(jù)
熱膨脹增加的抱卡力值計(jì)算公式如下:
ΔF=k×ΔL
k—彈簧彈性系數(shù);
ΔL—中心支撐筒變形量,ΔL=α×L×ΔT
其中,α=6.5×10-6in/(in·℉),中心支承筒的熱膨脹系數(shù)[7];L=11.10 in,中心支撐筒前端長(zhǎng)度;ΔT=185 ℉,中心支撐筒相對(duì)于抱卡螺紋齒輪和抱卡筒的溫度變化值。
如果彈簧的彈性系數(shù)為900 000 lbf/in,則該變形增加的抱卡力為12 000 lbf。如果彈簧變硬后,彈性系數(shù)增加到1 550 000 lbf/in,則熱膨脹增加的抱卡力為20 733 lbf,總抱卡力值將超過(guò)彈簧的極限推力載荷,長(zhǎng)期運(yùn)行必將損壞零件。
另外,推力軸承的正常運(yùn)行載荷為60 000 lbf,最大靜態(tài)載荷90 000 lbf,過(guò)硬的彈簧也會(huì)增加軸承的載荷,降低使用壽命。檢修過(guò)程中發(fā)現(xiàn)部分管嘴的推力軸承滾道有壓痕,推測(cè)即為載荷超標(biāo)的結(jié)果(見(jiàn)圖11)。該問(wèn)題會(huì)造成軸承滾動(dòng)不靈活,管嘴機(jī)構(gòu)傳動(dòng)阻力增大,導(dǎo)致管嘴抱卡力不穩(wěn)定。
鑒于藥學(xué)類實(shí)驗(yàn)室種類多樣,經(jīng)常存在多學(xué)科交叉共用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)象,筆者提出以實(shí)驗(yàn)室安全防控點(diǎn)為依據(jù)的實(shí)驗(yàn)室分類方案,以便安全環(huán)保培訓(xùn)和實(shí)驗(yàn)室準(zhǔn)入制度的實(shí)施。該分類方案將實(shí)驗(yàn)室按安全與環(huán)保因素分為以下幾類:“有毒”指可直接接觸有毒物質(zhì)、產(chǎn)生有毒氣、液、固體物質(zhì)、接觸高傳染性生物、放射性物質(zhì)等的實(shí)驗(yàn)室;“危險(xiǎn)”指實(shí)驗(yàn)中可能發(fā)生爆炸、爆沸、明火,接觸高壓、高溫等實(shí)驗(yàn)室;“風(fēng)險(xiǎn)”指實(shí)驗(yàn)中可能接觸腐蝕性物質(zhì),可造成實(shí)驗(yàn)者肢體損傷,接觸動(dòng)物、微生物有潛在感染,火、水、電傷害等的實(shí)驗(yàn)室;“一般”可能出現(xiàn)水、電、火災(zāi)及普通污染物等實(shí)驗(yàn)室,具體涉及的實(shí)驗(yàn)室見(jiàn)表1。
圖11 推力軸承滾道上的壓痕
因此每次檢修時(shí)應(yīng)檢查彈簧的彈性,若超標(biāo)則更換。同時(shí)重新檢查設(shè)定墊片厚度。
裝卸料機(jī)管嘴機(jī)構(gòu)抱卡力不穩(wěn)定的主要原因?yàn)?,抱卡螺栓齒輪長(zhǎng)期運(yùn)行后ACME螺紋狀態(tài)下降,螺紋接觸率降低,傳動(dòng)摩擦力增大,抱卡力輸出變得不穩(wěn)定,同時(shí)產(chǎn)生不能正常解除抱卡風(fēng)險(xiǎn)。解決辦法為在保證螺紋尺寸滿足標(biāo)準(zhǔn)的情況下研磨修復(fù),提高接觸率。另外一個(gè)原因?yàn)镺形圈老化漏水后導(dǎo)致潤(rùn)滑脂變質(zhì),影響了螺紋傳動(dòng)穩(wěn)定性。最后,彈簧長(zhǎng)期使用狀態(tài)變差后也會(huì)影響管嘴抱卡力性能,使抱卡力不穩(wěn)定。O形圈老化滲水是偶發(fā)現(xiàn)象,彈簧狀態(tài)變差是長(zhǎng)期效應(yīng),因此是次要原因。
針對(duì)以上分析結(jié)果,主要采取研磨修復(fù)管嘴ACME螺紋、改進(jìn)管嘴檢修方式來(lái)緩解抱卡力不穩(wěn)定的問(wèn)題,防止不能解抱卡的極端情況出現(xiàn)。
為改善ACME螺紋接觸率,改善螺紋配合狀態(tài),降低螺紋傳動(dòng)阻力,在保證螺紋中徑等牙型尺寸滿足標(biāo)準(zhǔn)的前提,對(duì)抱卡螺栓齒輪、抱卡筒的螺紋承載面進(jìn)行了對(duì)研修復(fù)。
2.1.1 研磨修復(fù)方法
在抱卡螺栓齒輪的梯形螺紋承載面上涂抹中等顆粒度研磨膏,按抱卡時(shí)的相對(duì)位置完成抱卡螺栓齒輪、抱卡筒的裝配,將組件安裝到專用工具上。將抱卡螺栓齒輪、抱卡筒組件傾斜14.5°(見(jiàn)圖12),完成對(duì)研。確認(rèn)中徑滿足要求,表面光潔度滿足要求,螺紋接觸率80%。
2.1.2 研磨修復(fù)后效果
螺紋接觸率達(dá)到80%~90%(見(jiàn)圖13),抱卡面螺紋面光潔度有所提高。維修后2號(hào)裝卸料機(jī)在線換料4個(gè)月,抱卡力較為穩(wěn)定,具體數(shù)據(jù)如圖14所示。
圖13 螺紋研磨后接觸率
圖14 管嘴機(jī)構(gòu)抱卡力趨勢(shì)圖(2020年)
管嘴機(jī)構(gòu)螺紋修復(fù)后接觸率大大提高,說(shuō)明螺紋牙型得到了修正。比較修復(fù)后與修復(fù)前的管嘴抱卡力,可明顯發(fā)現(xiàn)抱卡力變得更為平穩(wěn)。
1)改進(jìn)碟形彈簧設(shè)定方式,確保彈簧參數(shù)合格。
2)增加管嘴組件O形圈更換頻率,減少漏水風(fēng)險(xiǎn)和對(duì)油脂老化的影響。
3)定期測(cè)量解抱卡時(shí)間,判斷管嘴性能變化趨勢(shì)。
當(dāng)裝卸料機(jī)換料過(guò)程中出現(xiàn)管嘴無(wú)法解除抱卡的故障時(shí),由于輻照劑量過(guò)高人員無(wú)法接近,只能停堆處理。為避免這種極端工況,在裝卸料機(jī)上增加了管嘴應(yīng)急解除抱卡回路,通過(guò)遠(yuǎn)程操作的方式增加油壓來(lái)實(shí)現(xiàn)解除抱卡的動(dòng)作。具體連接方式見(jiàn)圖15(紅色部分為新增部分)。該變更實(shí)施后成功解決過(guò)一次裝卸料機(jī)解除抱卡故障,避免了一次非計(jì)劃停堆。
圖15 應(yīng)急解抱卡回路示意圖
本文對(duì)裝卸料機(jī)管嘴抱卡力不穩(wěn)定問(wèn)題進(jìn)行了深入分析,重點(diǎn)研究了ACME螺紋參數(shù)的影響,也探討了預(yù)載碟形彈簧和潤(rùn)滑的影響,確定了裝卸料機(jī)管嘴機(jī)構(gòu)的故障原因?yàn)锳CME螺紋參數(shù)改變、狀態(tài)下降,造成傳動(dòng)性能不穩(wěn)定。通過(guò)對(duì)研修復(fù)ACME螺紋,改善了抱卡力穩(wěn)定性。同時(shí),優(yōu)化了管嘴機(jī)構(gòu)維修方法,消除了彈簧性能變差和O形圈漏水導(dǎo)致潤(rùn)滑油變質(zhì)的影響,增加了應(yīng)急解抱卡措施。采取各項(xiàng)糾正措施后管嘴抱卡性能得到了明顯改善,達(dá)到了預(yù)期目的。
因本文尚未涉及的ACME螺紋表面光潔度變化以及潤(rùn)滑脂變質(zhì)對(duì)螺紋摩擦系數(shù)的影響,可以通過(guò)摩擦學(xué)試驗(yàn)來(lái)進(jìn)一步分析[3-5]。對(duì)ACME螺紋接觸率的具體影響,可以進(jìn)行有限元分析。