反應堆壓力容器頂蓋密封槽清洗裝置的研制

穆 偉 王炳炎 楊其輝

(中國核動力研究設計院 核反應堆系統設計技術重點實驗室，四川 成都 610000)

0 概述

反應堆壓力容器頂蓋密封槽清洗裝置的功能是用于反應堆壓力容器頂蓋密封槽“O”環壓道表面污物、附著物的去污清洗。頂蓋密封槽關系到核反應堆的密封性進而影響到核反應堆的安全性，通過清洗頂蓋密封槽以確保核反應堆壓力容器獲得良好的密封和安全可靠的運行。此外，本清洗裝置的遠程操作功能大大降低現場施工人員和操作人員在清洗頂蓋密封槽時受到較大輻射劑量的侵害，實現反應堆維修人員輻射防護的目標。

清洗裝置是專用機電設備，是集成自動控制技術的精密機械，分為自動和半自動兩種工作狀態。自動工作狀態時，其各項操作由程序控制進行，操作人員遠離輻射環境，可有效的避免維修人員清洗時受到較大輻射劑量的侵害，同時也是減少人工清洗時可能出現漏洗、清洗不完全情況，半自動工作時，其各項操作由維修人員根據現場具體情況操作執行。

目前國外已經有類似清洗裝置產品，而國內核電站大多采用從國外進口清洗裝置或采用人工清洗方式。因此利用先進的自動控制技術，研制一種更高效、可靠的自動清洗裝置，實現反應堆壓力容器頂蓋密封槽的自動清洗是十分必要的。

本文研制的清洗裝置的清洗方式為頂蓋密封槽的槽口向上的清洗方式，與目前國外進口的密封槽的槽口向下的清洗設備不同，對于核電設備國產化有著重要的借鑒意義。

1 功能指標

研制清洗裝置所需的功能要求如下：

（1）清洗裝置工作時不得對壓力容器頂蓋密封槽造成機械損傷；

（2）采用機械摩擦清潔，干式清洗工藝,清洗刷的轉速可調，完成壓力容器頂蓋密封槽“O”環壓道表面去污清潔；

（3）清洗裝置工作行走速度可根據實際工況調節其范圍是1m/min－4m/min；

（4）清洗裝置可實現全自動清洗，也可半自動清洗。通過控制系統進行切換；

（5）清洗裝置應外觀整潔，可對污物進行收集，便于去污和清理。

2 工作環境

清洗裝置在反應堆壓力容器頂蓋密封槽上使用。清洗裝置工作的環境條件：

（1）溫度：0℃－45℃；

（2）相對濕度≤95%；

（3）放射性水平：反應堆壓力容器密封槽內≤10mSv/h。

3 研制方案

圖1 清洗裝置工作圖

3.1 技術路線

清洗裝置采用遠距離線控輪式小車行走工作方式 （電纜長度15m），在清洗裝置工作前，首先將壓力容器頂蓋翻轉并存放在頂蓋存放架上，且要滿足其存放的水平度要求。將清洗裝置吊運到壓力容器頂蓋密封槽上，安裝就位后,啟動清洗裝置，完成頂蓋密封槽“O”環壓道表面的清潔工作，見圖1。

3.2 關鍵技術

根據技術路線可以確定關鍵技術有兩個，首先是頂蓋密封槽的安全可靠的清洗技術其次是自動化/半自動化的控制技術。關鍵技術的實現如下：

3.2.1 清洗技術方案

采用機械刷、拋光式，摩擦干法清洗工藝，完成密封面的清潔工作，清洗裝置清洗組件結構示意圖，見圖2。

圖2 清洗組件結構圖

3.2.2 控制技術方案

清洗裝置自動化、智能化運動控制，其特點如下：

（1）采用遠距離線控輪式小車自走工作方式，有效降低操作人員工作時受到較大輻射劑量的侵害；

（2）一鍵操作即可自動完成清洗裝置的干法清洗、粉塵廢屑收集貯存等多項任務，操作簡單，自動化程度高；

（3）不依賴其他裝置或附件，獨立完成壓力容器頂蓋密封槽清洗工作，對工作環境要求低。

4 結構設計

清洗裝置由機械系統和電氣控制系統兩部分組成，其中機械系統由小車組件、清洗組件、吸塵組件等部分組成，見圖3。

圖3

4.1 機械系統

4.1.1 小車組件

小車組件由驅動組件，導向組件，車架和從動輪組成。

驅動組件為清洗裝置提供動力，安裝在小車的前部。其由電機、軸套、圓錐車輪傳動副、驅動輪組成。電機為伺服電機，可實現無級調速。圓錐齒輪傳動副的減速比i=1.5。兩個驅動輪分別行走在壓力容器密封槽的內外側的法蘭面上。為了增加驅動輪與法蘭面見的摩擦力，驅動輪外圈所選用的材料為聚氨酯。

車架由車體，把手和支撐件組成。車體為不銹鋼板，作為支撐結構件，在其前部焊有一個把手，便于人工操作，支撐件為不銹鋼彎折件其內放置吸塵管在其后端安裝兩個行走輪，輪子的外層材料采用聚氨酯。

導向組件在驅動輪的后面和行走輪的前面各安裝一個。其徑向位置與外側的清洗砂布輪在同一圓周上。它由輪軸、螺母、連接桿、軸承及軸承座組成。輪軸下端有一導向輪，導向輪外層材料采用聚氨酯，直徑略小于密封槽寬，輪軸與連接桿之間采用螺紋連接，可實現輪軸的上下移動并用螺母鎖緊。清洗時，輪軸下移進入壓力容器頂蓋密封槽內，調節軸承座徑向位置，使導向輪與密封槽外側面接觸，起到導向作用。清洗結束后，輪軸上移，使驅動輪和行走輪與地面接觸，平穩放置。

4.1.2 清洗組件

清洗裝置的清洗功能由清洗組件完成。它由清洗部件、罩殼、升降調節機構和彈簧連桿機構組成。清洗部件有兩組，一組是由兩個砂布輪組成，另一組由兩個清洗布輪構成。兩組輪分別由帶減速器的伺服電機通過同步帶傳動帶動它們高速旋轉，實現對兩個密封槽的清理，旋轉的砂布輪可去除污物，旋轉的布輪可進行清潔。為防止出現粉塵四處飄揚的現象，設置罩殼罩住砂布輪和布輪。罩殼下部有橡膠密封條，其緊貼在壓力容器頂蓋法蘭面上，上部為管座，與吸塵器連接，可將粉塵吸入吸塵組件中。罩殼還為電機提供支撐。罩殼通過升降調節機構吊掛在車體下方，升降調節機構采用絲杠、螺母方式實現清洗組件的升降調節，旋轉螺母，絲杠帶動清洗部件上下運動。清洗時，將清洗組件下移，使砂布輪和布輪進入頂蓋的密封槽內，然后旋轉兩個彈簧連桿機構上方的螺母，調節砂布輪和布輪處于清洗的最佳位置并壓緊。清洗完畢后，提升罩殼，使砂布輪和布輪脫離密封槽。在更換清洗輪時，只需拆下壓緊條（罩殼放置清洗部件的開口正下方的密封壓緊條）并提升彈簧連桿機構的杠桿旋轉清洗部件，將其清洗輪旋出罩殼即可進行更換清洗輪。

4.1.3 吸塵組件

吸塵組件完成清洗粉塵和污物的收集，由工業吸塵器和過濾系統組成。

4.2 控制系統

控制系統實現清洗裝置的人機交互、電氣控制驅動等功能，可完成清洗裝置的自動或半自動控制運行，電氣控制系統由控制柜和控制系統兩部分組成。

4.2.1 控制柜

采用金屬控制柜，通過按鍵完成對清洗裝置的操作。控制柜與小車之間電纜采用快插插頭方式連接。

4.2.2 控制系統

整個系統由主控制系統、數字交流伺服驅動系統等部分構成。由主控制系統發出指令，通過伺服驅動系統控制小車組件的運動。

電氣控制系統主要包括以下特點：

具有安全可靠、自動化程度高、抗干擾能力強等特點；

采用可靠性設計技術，突出了系統的可靠性設計理念，對系統的邏輯運行關系，失效情況、可靠度的預測分配進行科學合理的分配和評估；

控制系統具有自檢功能和故障定位、報警功能、能提示用戶正確設置參數，在顯示界面上有自檢的工況結果顯示；

控制系統具有在任何情況下可強制中斷任務回到默認狀態的功能，從而保護整個系統。

5 清洗裝置產品參數

在清洗裝置制造過程中根據質保體系、產品設計和制造工藝要求，通過對生產條件、關鍵工序、檢驗等多方面的控制，確保了清洗裝置的制造質量，產品各項產品參數如下：

（1）重量：約 42kg；

（2）外形尺寸：約 1100mm×420mm×400mm；

（3）電源：380V/50Hz；

（4）電功率：約3kW；

（5）清洗裝置工作行走速度：0－4m/min（可調）；

（6）清洗輪轉速：0－1500r/min(可調)；

（7）壽命：10 年(不包括易損件)。

6 性能試驗

6.1 空載試驗

對整個系統連續進行了6小時連續通電空載試驗，1小時的空載運行試驗，經檢驗設備表現正常，穩定性良好，無故障現象出現。

6.2 清洗效果試驗

將清洗裝置安裝到模擬試驗件上,在模擬試驗件頂蓋密封槽“O”環壓道上人為涂覆一些污物和表面附著物以及局部制造銹跡，啟動程序完成清洗及整機運行試驗，允許清洗兩次。經檢驗整機運行正常、無故障現象，表面污物、附著物及局部制造的銹跡清洗干凈，清洗效果滿足使用要求。

7 工程應用

在軍工領域，清洗裝置進行了反應堆壓力容器頂蓋密封槽的清洗工作，整個清洗工作過程順利，無異常情況出現，清洗效果滿足設計要求，較好地完成工程任務。

8 研制結論

（1）通過對清洗裝置進行的試驗和工程應用,證明清洗裝置設計方案和采用的制造工藝路線是正確合適的，各項指標均達到使用要求；

（2）清洗裝置清洗效果和試驗運行結果表明清洗裝置系統自動化程度高，穩定可靠，能滿足反應堆壓力容器頂蓋密封槽的清洗要求；一鍵操作即可自動完成反應堆壓力容器頂蓋密封槽的干法清洗、粉塵廢屑收集貯存等多項任務，避免了維修人員清洗時受到較大輻射劑量的侵害，大幅度提高清洗工作效率和清洗質量；

（3）在研制過程中,采用了標準化、模塊化、可靠性設計等現代設計技術，突出強調了系統的可靠性要求，保證了清洗裝置系統的總體質量要求；該清洗裝置填補了國內反應堆壓力容器頂蓋密封槽自動清洗領域研究的空白。