本文選自《起重運輸機械》雜誌，如需轉載，請註明出處 回車後
摘 要：針對某核電廠在執行裝料前堆芯座標驗證工作時發現的裝卸料機轉塔旋轉180°後模擬燃料組件無法在堆芯中正確落座問題，從裝卸料機夾爪、固定套筒、伸縮套筒和模擬燃料組件幾方面進行了原因查找與分析。發現裝卸料機夾爪發生意外磕碰使得伸縮套筒下端的連接法蘭產生形變，進而導致裝卸料機主提升的同心度參數出現超差，該偏差在傳遞至模擬燃料組件下管座的過程中被進一步放大，加之裝卸料機座標意外被整體偏移，最終造成了堆芯座標驗證異常問題的產生。提出了相應的處理方案並最終徹底解決問題。
關鍵詞：核電站；裝卸料機；堆芯座標驗證；同心度超差
中圖分類號：TH24 文獻標識碼：A 文章編號：1001-0785（2019）03-0061-05
Abstract: In view of the problem that the simulated fuel assembly cannot be seated correctly in the core after the turret ofthe manipulator crane rotates 180 degrees during the verification of the core coordinates before loading in a nuclear powerplant, the causes are found and analyzed from the aspects of the loader gripper, the fixed sleeve, the telescopic sleeve andthe simulated fuel assembly. It was found that the unexpected collision of the gripper of the manipulator crane caused thedeformation of the connecting flange at the lower end of the telescopic sleeve, thus causing the concentricity parameter ofthe main hoist of the manipulator crane to be out of tolerance. The deviation was further amplified in the process of beingtransferred to the lower pipe seat of the simulated fuel assembly. In addition, the coordinates of the manipulator crane wereaccidentally shifted integrally, which finally resulted in the abnormal verification of the core coordinates. The correspondingtreatment scheme is put forward and the problem is finally completely solved.
Keywords: nuclear power plant; manipulator crane; verification of core coordinates; out of tolerance of concentricity
0 引言
核燃料裝卸與貯存系統（PMC 系統）承擔著核電廠核燃料組件裝卸與貯存的重要功能，是核電廠實現帶核運行的一項前提條件。裝卸料機作為核燃料裝卸與貯存系統的一項關鍵性設備，主要用於完成反應堆廠房內的燃料組件裝卸工作，其運行的穩定性和定位的精確性直接關係到核電廠燃料裝卸工作能否順利進行 [1]。
國內某核電廠裝卸料機由於主提升的同心度超標，導致不具備同時實現轉塔正位和旋轉180°兩種情況下進行準確定位的功能，制約了核電廠首次核燃料裝載工作正常開展。本文從分析裝卸料機主提升的結構入手，通過研究影響同心度的各項因素，最終確定造成現場裝卸料機同心度超差的原因，進而解決了該堆芯定位偏差問題，使得裝卸料機的各項預檢試驗結果合格，為核電廠首次核燃料裝載工作的順利開展提供了有利保障。
1 問題描述
1.1 主提升結構介紹
裝卸料機及主提升的結構如圖1 所示，裝卸料機的主提升主要由轉塔、固定套筒、伸縮套筒以及夾爪四部分組成。其中，轉塔安裝在小車的上方，內部主要是主提升的驅動機構，可以實現0~270°方向的旋轉。固定套筒位於小車的下方，主要為伸縮套筒的上下運動提供導向作用。伸縮套筒則位於固定套筒內部，由轉塔中的主提升驅動機構通過鋼絲繩控制上下運動，其下端部通過法蘭結構連接夾爪，以執行燃料組件操作方面的功能[2]。
反應堆堆芯中，燃料組件之間的理論間隙值是1mm，上述裝卸料機主提升結構的特殊性有利於保證燃料組件裝載的準確性。
（a）裝卸料機整體示意圖 （b）主提升局部示意圖
圖1 裝卸料機及主提升結構示意圖
1.2 問題描述
在裝卸料機具備裝載燃料組件條件前，需要對其執行一系列的調試試驗，以進行設備參數設置和邏輯性能驗證。其中，堆芯定位試驗屬於裝卸料機眾多試驗內容的關鍵部分。堆芯定位試驗一般包括堆芯座標參數獲取、堆芯定位驗證和裝料預檢階段的再次驗證三個部分。
在國內某核電廠的裝料前預檢階段，預檢人員進行堆芯定位驗證時發現：1）裝卸料機轉塔正位時，模擬燃料組件可以在下部堆內構件中正確就位，分別向前後左右四個方向偏移6.0 mm，組件仍然可以正確就位；2）裝卸料機轉塔旋轉180°後，模擬燃料組件在下部堆內構件中無法正確就位，通過望遠鏡和偏移法檢查，確定模擬燃料組件無法正確就位是由於下管座向90°方向偏移過多導致。
上述堆芯定位驗證結果與前期的試驗結果完全不一致，正常情況下，裝卸料機轉塔正位時，可以抓取模擬燃料組件在堆芯中正確就位，轉塔旋轉180°後，仍然可以抓取模擬燃料組件在堆芯中正確就位，且上述兩種情況下，在前後左右四個方向上應有不少於6.0 mm 的偏移裕量。之所以出現上述堆芯定位驗證異常問題，說明裝卸料機主提升的同心度已經嚴重超標。當前狀態下的裝卸料機不具備開展核燃料裝載的條件，現場必須找到裝卸料機主提升超標的原因並解決該問題，才能繼續後續的核燃料裝載工作。
2 原因查找與分析
2.1 原因查找
針對裝卸料機主提升的同心度超標問題，現場從設備外觀、機械參數和堆芯座標三個方面進行了仔細檢查[3]，相關檢查結果如下：
1）外觀檢查
①檢查裝卸料機夾爪，在0°方向手指前側發現一處明顯的磕痕（見圖2）；②檢查裝
卸料機固定套筒和伸縮套筒，未發現明顯異常；③檢查模擬燃料組件，外表面未發現明顯異常；④檢查夾爪在固定套筒中的運動情況，向上提升過程中夾爪與固定套筒中的導向槽間隙合適，但提升至模擬燃料組件進入固定套筒後，發現其組件下管座與固定套筒後側（270°方向）的導向槽完全貼死，正常情況下應有均勻的間隙。
2）參數複測
①對裝卸料機主提升伸縮套筒的垂直度進行復測，其結果在合格範圍內，且與安裝完工後的測量結果一致；②對伸縮套筒的同心度進行復測（在夾爪本體處使用百分表測量），結果為1.8 mm，超出了合格範圍（≤ 0.75mm）[4]，其中，伸縮套筒安裝完工後的測量結果為0.45mm；③裝卸料機抓取狀態下，測量模擬燃料組件的垂直度，下管座相對上管座向後側（270°方向）偏移8.5mm，單獨測量模擬燃料組件的垂直度，其結果在合格範圍以內（實測值<1.0 mm）。
3）定位檢查
①裝卸料機運行至燃料轉運裝置正位，然後下降夾爪至燃料艙中，左右方向的間隙相等，但夾爪前側（90°方向）與燃料艙貼死（調試完畢後間隙為3.0 mm）；②裝卸料機運行至堆芯A7 點正位，安裝大小車座標復位板，分別測量大小車方向的復位距離，並與調試完成後記錄的結果比較，發現小車方向結果吻合，大車方向當前值要比調試記錄的結果大7.0 mm，A7 點為整個裝卸料機堆芯座標系統的原點，說明堆芯座標可能整體往前（180°方向）移動了7.0 mm。
2.2 原因分析
通過分析上述現場檢查結果，可以確認裝卸料機堆芯座標驗證異常應包括兩方面原因：1）夾爪磕碰導致裝卸料機主提升同心度參數超差；2）堆芯座標原點移位導致堆芯座標整體移位。
1）主提升同心度異常
通過對夾爪磕痕進行觀察與分析，可以確認夾爪指形鉤曾與一堅硬物件發生過碰撞，碰撞過程中的衝擊載荷可能會對夾爪、伸縮套筒等主提升部件的結構與尺寸造成影響。
伸縮套筒為圓柱形結構，在前後方向各焊有一根導向軌，運行過程中由若干組導向輪固定，確保其不會晃動。夾爪的主體部分也為圓柱形結構，四根指形鉤為抓取燃料組件的主要承載部件。夾爪與伸縮套筒之間通過4 顆螺栓連接。考慮到上述結構設計，當夾爪和伸縮套筒因磕碰受到衝擊載荷作用時，最有可能產生影響的是夾爪與伸縮套筒之間的連接法蘭結構。
現場複測的相關參數證實了上述猜測：伸縮套筒的垂直度滿足要求說明，其本體未發生形變；在夾爪處測量伸縮套筒同心度發現向後側（270°方向）超差，說明夾爪本體或夾爪與伸縮套筒法蘭連接處存在變形；更換另外一臺夾爪後同心度超差方向與大小與之前基本一致，排除了夾爪本體變形的可能性。
如此可以確定夾爪與伸縮套筒連接法蘭處因磕碰發生了形變，進而導致主提升同心度參數超差。
由於伸縮套筒的垂直度未發生變化，可以夾爪與模擬燃料組件構建圖3 所示模型，計算同心度變化對於堆芯定位的影響。根據相似三角形原理可以計算出ω =7.9mm。該值與實際測量的組件下管座相對上管座的偏移量（8.5mm）基本一致，說明上述分析過程可信。
2）裝卸料機座標偏移
現場進行參數複測期間發現，裝卸料機運行到燃料轉運裝置正位，夾爪與燃料艙左右側的間隙相等，與前側（90°方向）完全貼死；裝卸料機運行到A7 點正位，安裝大小車座標復位板，分別測量大小車方向的復位距離，並與調試完成後的記錄結果比較，發現小車方向結果一致，而大車方向的值較記錄結果增大了7.0 mm。
與此同時，現場又對裝卸料機PLC 中的所有堆芯座標參數進行了複核，複核結果全部正確。
綜合上述情況，可以確認裝卸料機的堆芯座標整體向前（90°方向）移動了7.0 mm，造成該現象的可能原因包括現場人員誤動大車編碼器齒輪、齒條上有異物導致大車編碼器運動過程中出現跳齒等。
3）堆芯座標驗證異常
① 夾爪磕碰導致模擬燃料組件下管座產生了向270°方向7.9 mm 的偏移，當轉塔旋轉180°後，下管座的偏移則又變成向90°方向偏移7.9 mm。
② 裝卸料機座標的整體前移會在模擬燃料組件下管座上疊加一個大小為7.0 mm 向90°方向的偏移量，且該偏移不會因轉塔旋轉而改變方向。
因此，當裝卸料機轉塔正位時，模擬燃料組件下管座由於存在兩個方向相反且大致相等的偏移量，其結果是偏移被相互抵消，下管座仍基本位於下部堆內構件導向銷的正上方，組件可以在堆芯中正確就位，且前後左右偏移6 mm，也仍然可以正確就位。但是，當裝卸料機轉塔旋轉180°後，模擬燃料組件下管座上的兩個偏移量方向相同，會疊加在一起產生一個更大的向90°方向的偏移量，從而導致組件在下部堆內構件中無法正確就位。見圖4。
3 處理措施
基於上述分析發現的裝卸料機堆芯定位驗證異常原因，制定了下述處理措施。
3.1 裝卸料機座標整體偏移問題
處理措施為將裝卸料機運行至A7 點，安裝大小車方向的位置復位板，然後微調裝卸料機的位置，確保其在大車和小車方向距離復位板的位移與調試完成後的記錄值一致，然後分別復位大車和小車編碼器的數值，如此即可糾正裝卸料機座標整體偏移問題。
3.2 主提升同心度超差問題
針對主提升伸縮套筒連接法蘭出現形變的問題，現場制定了兩套處理方案：1）拆除伸縮套筒並返回工廠更換連接法蘭，然後檢查法蘭面的水平度，確保其在程序要求的範圍內。該方法優點在於可以徹底處理設備的缺陷並將其恢復至初始狀態，缺點則是工作量非常大。2）根據現場測試結果製作一套特製的墊片，該墊片的厚度在各個方向上是不一致的，然後安裝在夾爪與伸縮套筒的法蘭連接面之間。該方案的優點在於工作量相對較小，缺點是會增加設備檢修人員的操作不便以及輻射劑量。現場最終採用方案1）徹底解決了伸縮套筒連接法蘭變形的問題。
4 結束語
本文對某核電廠在執行裝料前堆芯座標驗證工作時發現的裝卸料機轉塔旋轉180°後模擬燃料組件無法在堆芯中正確落座問題進行了細緻的原因查找與分析。分析發現，裝卸料機夾爪發生意外磕碰使得伸縮套筒下端的連接法蘭產生形變，進而導致了裝卸料機主提升的同心度參數出現超差，該偏差在傳遞至模擬燃料組件下管座的過程中被進一步放大，加之裝卸料機座標意外被整體偏移，最終造成了堆芯座標驗證異常問題的產生。在此基礎上，文中提出了相應的處理方案並最終將該問題徹底解決，有效地保證了核電廠核燃料裝載的安全，為後續處理類似裝卸料機問題提供了思路與參考。
參考文獻
[1] 廣東核電培訓中心. 900 MW 壓水堆核電站系統與設備[M]. 北京: 原子能出版社, 2007.
[2] REEL. Manipulator Crane Equipment Operation andMaintenance Manual[M]. 2013.
[3] 程偉, 王磊, 王志明. 陽江1 號機換料機堆芯定位問題解決與定位方法創新[J]. 中國核科學技術進展報告, 2015:48-55.
[4] REEL. Manipulator Crane Erection Instructions[M]. 2011.
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