指套管自動推拔技術(shù)可行性分析

王東利

（中廣核核電運營有限公司，廣東 深圳518000）

1 引言

堆芯中子注量率測量系統(tǒng)是核電廠重要的檢測設(shè)備，主要用于測量反應(yīng)堆堆芯的中子注量率分布，檢測堆芯功率是否畸變，并積累燃耗數(shù)據(jù)，對核電廠的安全運行起重要作用（直接影響核電廠安全運行）[1]。此測量系統(tǒng)采用移動式微型裂變室為探測器，指套管（固定于導(dǎo)向管內(nèi)）為探測器提供了進(jìn)出反應(yīng)堆燃料組件的通道。核電廠正常運行時指套管位于燃料組件內(nèi)，卸料前，需從燃料組件內(nèi)將指套管拔出到堆芯底部，以避免干擾卸料；裝料后，指套管被重新推入燃料組件，此過程為指套管推拔操作[2]。

通常指套管推拔工作由人工完成，當(dāng)指套管長度為4.5m時，推拔需要6～8 人，耗時超過3h，人員勞動強度大。如采用自動推拔指套管技術(shù)替代人工操作，可降低人員勞動強度，減少人員輻照劑量。本文通過對手動推拔操作進(jìn)行分析，研究自動推拔技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)，論證指套管自動推拔技術(shù)的可行性。

2 技術(shù)分析

類比分析手動推拔指套管動作，將其分解為夾持動作和推拔動作。先通過氣爪結(jié)構(gòu)夾持指套管外徑，再利用動力執(zhí)行元件對指套管進(jìn)行推拔操作，即可實現(xiàn)指套管的推拔[3]。

自動推拔和人工手動推拔區(qū)別在于手動操作為柔性操作，推拔狀態(tài)可通過人工手動進(jìn)行實時調(diào)整，而自動推拔中設(shè)備與指套管接觸為剛性接觸，因此，需合理控制指套管夾持力、推拔力。同時，還需控制推拔時間，以滿足自動推拔的效率要求。

對指套管自動推拔技術(shù)進(jìn)行研究，具體要求如下。

①夾持力不能損傷指套管，即夾持動作產(chǎn)生的應(yīng)力不超過材料屈服極限，不能產(chǎn)生塑性變形。②對指套管的推拔力進(jìn)行參數(shù)設(shè)計，保證其大于指套管所受最大摩擦力，以確保推拔動作安全可靠。指套管的最大摩擦力組成如下：指套管與導(dǎo)管的摩擦力；與堆內(nèi)構(gòu)件（RVI）二次支撐件導(dǎo)向支撐柱、堆芯下板、燃料組件的摩擦力。根據(jù)實驗?zāi)Σ亮υ?00～150N。③自動推拔時間不大于人工手動推拔時間。

2.1 夾持力分析

手動操作中需人手抓緊指套管，為此設(shè)計了一種夾持組件實現(xiàn)對指套管的夾持動作，由手指墊片與指套管接觸表面的靜摩擦力提供指套管的推拔力。

夾持組件由氣爪及其上部的氣爪手指構(gòu)成。在指套管抽拔過程中，氣爪手指將夾持指套管的終端，其內(nèi)側(cè)覆有尼龍加工的手指墊片，起到緩沖及保護(hù)指套管外表面的作用，可最大限度減小沖擊，避免損傷指套管。

為確保操作過程中不損傷指套管，對指套管夾持力進(jìn)行如下安全性校驗：

按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20801.3—2006《壓力管道規(guī)范第3部分 設(shè)計和計算》，指套管（按外徑8.6mm，內(nèi)徑5.2mm，SUS316 不銹鋼計算）屈服極限σs約為205MPa；電廠氣源按最大壓力0.6MPa（表壓）計算時，氣爪最大夾持力N 為1124N，氣爪與指套管接觸面積S 約為60mm2，此時因夾緊指套管產(chǎn)生的接觸面壓應(yīng)力σ 為：

由計算結(jié)果可見，夾持力對指套管造成的擠壓應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的屈服極限，因此，夾持力設(shè)計參數(shù)不會對指套管造成損傷，夾持力滿足使用要求。

2.2 推拔力分析

為保證將指套管從燃料組件中順利抽出及回插，由氣爪手指夾緊產(chǎn)生的最大靜摩擦力應(yīng)大于指套管所受最大摩擦力，從而避免推拔過程打滑。根據(jù)現(xiàn)場工作經(jīng)驗，指套管所受最大摩擦力為150N。

根據(jù)實際操作行程，選用氣缸作為動力執(zhí)行元件，通過氣缸的往復(fù)動作，實現(xiàn)對長度為4.5m 指套管的全部推拔。

2.2.1 氣爪同指套管之間靜摩擦力校驗

指套管材質(zhì)為SUS316 不銹鋼，氣爪手指使用的材料為尼龍66，查詢常用材料摩擦系數(shù)表，不銹鋼和尼龍66 之間的靜摩擦系數(shù)μ 為0.37。氣爪最大夾持力N 為1124N，則夾持力產(chǎn)生的最大靜摩擦力F 計算如下：

F=μN=416N＞150N

由計算結(jié)果可見，氣爪手指夾緊產(chǎn)生的最小靜摩擦力遠(yuǎn)大于指套管所受最大摩擦力，能避免推拔過程打滑。

2.2.2 氣缸推拔力校驗

根據(jù)推拔動作執(zhí)行氣缸的型號，查詢氣缸使用手冊，在0.6MPa（表壓）時理論推力為309N。

以氣爪為研究對象，其所受氣缸推力應(yīng)大于指套管對氣爪的反作用力，指套管對氣爪的反作用力等于指套管所受摩擦力，最大值為150N，小于氣缸推力（309N），表明推拔力設(shè)計參數(shù)滿足需求，現(xiàn)場使用時需根據(jù)實際摩擦力設(shè)置氣缸氣源壓力，以氣缸力等于或略大于150N 為合適，保證安全。

2.3 自動推拔效率分析

自動推拔技術(shù)在節(jié)省人力的同時，應(yīng)盡量滿足較高的推拔效率要求。1 次裝換料需完成推拔的指套管數(shù)量為50 根，每根指套管的推拔均存在定位和安裝操作，即要求定位和安裝時間應(yīng)盡可能短。

為實現(xiàn)快速定位和安裝，指套管推拔工具結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

圖1 套管推拔工具結(jié)構(gòu)示意圖

2.3.1 快速定位技術(shù)

指套管外層螺紋段和指套管及指套管固定架的相對位置保持不變，將其作為定位基準(zhǔn)可實現(xiàn)快速定位。

定位塊套在現(xiàn)場指套管外層螺紋段外側(cè)，與外側(cè)螺紋段之間間隙很小，可保證定位精度和速度。為避免對現(xiàn)場設(shè)施造成損傷，定位塊選用尼龍材料。

定位塊解決了前端定位問題，后端定位由導(dǎo)向輪實現(xiàn)，指套管插入2個導(dǎo)向輪中間，通過前后端配合可實現(xiàn)準(zhǔn)確定位。

2.3.2 快速安裝技術(shù)

為實現(xiàn)快速安裝，簡化安裝步驟，設(shè)計一種強力磁座作為固定裝置。定位完成后，打開強力磁座開關(guān)，強力磁座上平面和指套管固定架角鋼下平面吸合，可快速完成安裝。

3 試驗驗證

為驗證上述技術(shù)的可行性，在指套管模擬體上進(jìn)行夾持力、推拔力及自動推拔效率的試驗驗證，模擬試驗中使用的指套管的材質(zhì)與現(xiàn)場實際使用的指套管材質(zhì)相同。模擬試驗結(jié)果如表1所示。

表1 模擬試驗結(jié)果

4 結(jié)論

從夾持力、推拔力及推拔效率三個方面對指套管自動推拔技術(shù)的可行性展開研究和論證，通過理論計算和試驗驗證，證明指套管夾持力不會損傷指套管，夾持力及推拔力滿足安全和功能需求，自動推拔效率滿足實際操作要求。因此，指套管自動推拔技術(shù)具備可行性，可替代人工進(jìn)行指套管推拔操作。