壓力容器支撐裙及屏蔽結構水下切割裝置的設計*

馬 強

(中國人民解放軍第4808工廠軍械修理廠 青島 266044)

壓力容器支撐裙及屏蔽結構水下切割裝置的設計*

馬 強

(中國人民解放軍第4808工廠軍械修理廠 青島 266044)

對壓力容器支撐裙及屏蔽結構水下自動切割裝置的設計背景、功能特性、結構組成及試驗內容等方面進行介紹;對切割裝置控制系統的設計特點,工作特性進行了分析,論述了裝置使用的可行性、可靠性及與工作環境的適應性。

壓力容器; 支撐裙; 數控系統; 水下等離子切割; 水刀

Class Number TH11

1 引言

某型潛艇核設施拆除是我國潛艇實施退役的主要工程,其中的壓力容器支撐裙及屏蔽結構(包括壓力容器及其內部的內、外熱屏蔽筒)的切割拆除工作是其關鍵的組成部分。

由于該設施在運行過程中始終伴隨著多種放射性輻射的作用,已造成支撐裙的活化,導致施工人員不能近距離進行切割分解操作,同時對活化程度較高的部件,若直接在空氣中進行切割作業,會給環境造成嚴重的影響,因此,對活化程度較高的部件必須放置于去離子水中,通過水的屏蔽才能進行切割作業。作為一次屏蔽的鉛屏蔽結構是鋼夾鉛結構,若采取熱切割方式進行分解,切割過程中將產生鉛蒸汽,易造成操作人員鉛中毒危害[1～3]。

式中，B、I、T分別為磁通密度、電流密度、鐵芯和繞組溫升，下標max和min表示其上下限值。上述參數均根據具體的電力網絡需求和產品性能確定。

為避免支撐裙與鉛屏蔽結構切割拆除所導致的人身傷害及環境污染,并滿足某核設施退役拆除要求,需有一套滿足壓力容器支撐裙及屏蔽結構切割拆除的切割裝置。

鑒于上述原因,根據核設施退役處置具體的切割拆除要求,自行研制一臺可遠距離遙控操作,既能在水下和空氣中使用,又能對鉛屏蔽結構實施冷切割功能的自動切割裝置。

2 問題描述

該系統可配脈沖接口式交流伺服驅動單元,以實現切割炬的多軸運行,控制裝置內嵌PLC可對等離子、水刀切割系統的電源工作狀態進行協調和控制。

鉛屏蔽結構安裝于一次屏蔽水箱的側部,由內支撐筒、外側覆面板、橫隔板以及支撐筒與側覆面板之間的屏蔽鉛塊。前支撐筒的材料為20mm厚的低合金高強度特種鋼,在其筒體外側的軸線方向有六層分別為12mm、16mm厚的橫隔板及上下七層90mm、100mm及110mm不同厚度的屏蔽鉛塊。

3 切割裝置設計

根據核設施分解拆除規范要求,對壓力容器與支撐裙分離及支撐裙、橫隔板的解體由等離子切割系統完成,橫隔板以下部分將由等離子系統水下切割。而鉛屏蔽結構由“超高壓水射流切割機”(以下簡稱“水刀”)進行分解拆除[4～7]。因此,當裝置在按規定的切割工藝軌跡運行的同時,既能夠操控等離子割炬在空氣及水下的切割,又能實施水刀的切割。

水下自動切割裝置的工作原理是：由電氣控制系統通過自動或手動,遙控機械運動系統,保證各類割炬按切割工藝要求的運動軌跡運行,完成對所需分解的部位進行切割。整個裝置主要由機械運動系統、電氣控制系統、自動切割系統三部分組成。

3.1 機械運動系統

該設備由主電源箱、控制器、匯流氣排、冷卻水增壓器、高頻引弧箱、割炬(手動和自動、空氣或水下)、傳輸線纜和接線板等組成。設備按現場切割需求布設,并與自動切割裝置組裝于一體,形成獨立的等離子切割系統。

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1.1一般資料2014年7月至2016年4月我院對26例接受螺旋CT檢查的肝局灶性結節增生患者進行分析,有16例在手術中證實,有10例穿刺活檢證實,共有22例女性和4例男性,最小15歲,最大56歲,平均34歲。

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圖1 自動切割裝置結構組成示意圖

上述四個軸的運動中,由X、Y、Z三個軸合成的運動,可使安裝于升降管下端的等離子割炬(或水刀)沿要求的平面或空間任意軌跡到達基架所圍成筒體空間的各點。再加上與旋轉軸C的聯動,可在切割平面或曲面時,調整割炬始終能保持垂直于被割工件平面,滿足不同部位的切割要求。

3.3 切割設備系統

為了消除切割面實際輪廓與理論輪廓的誤差對切割所造成的不利影響,保證切割始終處于良好的穩定狀態,割炬夾頭設有自動補償裝置,其工作原理是：在彈簧力的作用下,導向球始終與切割面接觸,割炬夾頭可隨之移動,從面使割炬適與工件的距離始終保持恒定,以應工件被切割表面形狀誤差的變化。為確保設備安全及工作可靠,在自動補償裝置兩端的極限位置各裝一對傳感器,一旦被切割工件表面的形狀誤差過大,超出自動補償范圍,電氣控制系統能自動控制機械運動系統進行補償[8～10]。

為避免水刀切割高壓輸水管路的纏繞及與切割裝置之間的干涉,設計了輸送管路隨動裝置,通過管路支架及柔性接頭作用,輸水高壓管路只隨水刀頭作垂直方向運動,消除了周向的纏繞及與裝置間的干涉。

3.2 電氣控制系統

自動切割控制系統采用工業控制計算機原理,實現人機交互,PLC加定位和軌跡控制功能模塊連接伺服電機驅動器,控制伺服電機實現運動軌跡。該系統的特點是：控制能力強、系統擴展靈活、運行可靠性高、可實現在線編程。

控制系統主要由SINUMERIK 802D Solution Line數控系統(以下簡稱802D數控系統)、SINAMICS S120伺服控制系統、隨動測距裝置、S7-300可編程控制器、A/D模塊、工控機、DP/DP耦合器、伺服電機及編碼器、手持器、限位開關等組成,控制系統原理如圖2所示。

籍此次活動，天王表也再次踐行公益之心，與百大名品中心溫暖攜手，一同向蚌埠特殊教育中心進行愛心捐贈，再次彰顯了品牌的責任擔當。

支撐裙是FYD壓力容器的支撐結構件,其上端與壓力容器焊接為一體,下端與耐壓殼焊接相連,距上端面約1.5m設置一環形橫隔板,支撐裙及橫隔板的材料均為40mm厚度的低合金高強度特種鋼。由于長期的運轉使用現已被活化,其表面輻射水平較高。由于沿其高度上段和下段(以橫隔板位置劃分)活化程度及輻射水平差別較大,按切割拆除工藝要求,壓力容器拆吊后,在空氣中對支撐裙上段進行切割解體,下段部分注入去離子水,進行水下切割拆除。

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控制系統的工作過程如下：

1) 根據各軸的接近開關尋找各軸的零位,并將各軸處于零位時割炬噴嘴的位置作為系統的臨時坐標原點;

圖2 切割裝置數控系統工作原理框圖

2) 驅動割炬觸摸支撐裙的四個點,分別測得這四個點在臨時坐標系中的坐標,從而計算出支撐裙的圓心在臨時坐標系下的坐標,并坐標作為原點建立系統的正式坐標系;

為滿足水下自動切割裝置的使用功能要求,特配制DK-1000S型、單機1000A的等離子弧切割機。

4) 按切割要求,進行切割軌跡規劃;

5) 控制割炬沿規劃的軌跡自動切割。

由于受施工現場設備吊裝口的限制及支撐裙橫隔板外圓的切割要求,升降管設計呈“ㄣ”形。升降管的內腔為傳動絲杠運動空間及水下等離子切割設備所用的各種管線通道,管線在升降管下端引出與割炬連接。升降管的下端采用鉸接方式安裝由等離子割炬夾持組件、水刀持臂及運動位置跟蹤裝置等。在兩個跟蹤的極限位置各裝有一個傳感器,如果工件的誤差超出跟蹤裝置自動補償范圍(±15mm),可通過傳感器由控制系統進行補償。

水刀切割設備采用IWP公司的高壓發生器和切割系統,保證水刀頭的持續工作壓力不低于360MPa,換能器的最大直徑為0.3mm,增大水射流的流量及流速;水刀頭在專用的持臂控制下可360°旋轉,能夠切割任意位置的物體,保證了切割工藝的多元化;為避免水刀切割過程中的“堵砂”現象,設計配備了相應的自動供砂裝置,配置的水刀設備在切割厚度為20mm鋼板時的行進速度不小于2m/h。

3) 沿直徑方向接觸支撐裙壁,確定支撐裙的半徑;

第三階段（1992年—1997年），穩步增長階段。1992年，鄧小平同志南巡講話擺脫了姓“社”、姓“資”的困擾，黨的十五大確立了以公有制為主體，多種所有制經濟共同發展的基本經濟制度，明確了非公有制經濟是我國社會主義市場經濟的重要組成部分。

1.2.2 血紅蛋白含量的檢測 采用HemoCue 301型便攜式血紅蛋白分析儀，使用試劑片(血片)采集指尖末梢血，測量所有調查嬰幼兒的血紅蛋白含量。

驚恐障礙(panic disorder,PD)屬于嚴重的焦慮障礙,以突發的強烈焦慮伴軀體癥狀為主要特征,表現為發作性胸悶、心慌等,伴有瀕死感和失控感,女性的發病風險是男性的2-3倍。PD可增加其他焦慮障礙、酒精和物質濫用、抑郁發作和自殺風險,并加速個體的衰老進程。雙生子研究顯示,PD遺傳度高達48%(95%CI:0.41–0.54),一級親屬的同病率(11%)為一般人群(2%-5%)的3倍,提示遺傳因素在PD病因中的重要性。Hettema等通過對三對雙胞胎和五個家庭的研究發現焦慮障礙的遺傳傾向約為50%。

機械運動系統采用直角坐標四周機械運動結構,底部為5m×4m帶有支腿的矩形架,框架的一對橫梁上載有一個下車,可實現Y軸方向的直線運動;下車橫梁上載有一個上車,可實現X軸方向的直線運動;上車載有升降管支架,安裝其內的升降管可實現Z軸方向的直線運動,而升降管支架可帶動升降管沿Z軸的轉動,構成旋轉軸C,結構形式如圖1所示。

①字段信息抽取：利用WOS導出HTML格式的題錄數據，抽取題錄中指定的字段信息并可選擇存儲為文本文檔（包括：關鍵詞、作者、期刊名等字段）。

4 模擬進行切割試驗

為能準確、逼真的模擬艇上堆艙環境及反應堆的結構,達到實際切割試驗的目的,對壓力容器、支撐裙、橫隔板及鉛屏蔽結構等部件全部進行了模擬,并模擬了可拆板開口空間范圍(距切割裝置安裝面4m;沿軸向長3500mm、徑向寬3250mm)。模擬切割試驗步驟如下：

1) 在空氣中沿模擬筒外圓切割環縫;

2) 在模擬筒外圓上豎向模擬切割橫隔板環縫;

3) 在水中模擬切割U型;

4) 在水中沿模擬筒內圓切割環縫;

5) 模擬切割中熄弧,按原路返回起始點,然后尋找熄弧點,重新引弧切割;

6) 水刀按規定路徑對鉛屏蔽支撐內筒及外筒的切割。

整機空載調試及模擬切割試驗結果證明,設備能夠滿足在某艇安裝和使用的要求,能夠滿足對反應堆支撐結構切割的性能要求及各種工況下的使用要求。

5 結語

將完成的各項性能測試結果,與相關內容進行比較,證明該裝置設計先進、工藝合理、使用方便、性能良好,能按照規定的切割工藝完成要求的切割任務,完全符合使用要求,為某型艇退役涉核處置工作的順利進行提供了有力保障。

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Design of Underwater Auto Cutting Device of Support Skirt and Shielding Structure of Pressure Vessel

MA Qiang

(4808 Ordnance Repair Shop of PLA, Qingdao 266044)

The paper introduced the design background, function, structure and experiment of the underwater auto cutting device aimed at support skirt and shielding structure of the pressure vessel.Design and operation characteristics of control system of auto cutting device were analysed. Feasibility,reliability and adaptability to the environment of the device was discussed.

pressure vessel, support skirt, numerical control system, underwater plasma cutting, water jet cutter

2014年4月14日,

2014年5月20日

馬強,男,工程師,研究方向:核潛艇裝備保障。

TH11

10.3969/j.issn1672-9730.2014.10.045