堆內構件在役維修技術研究

黃 然,沈秋平,陳志清,焦向東,項達章,張永平

(1.上海核工程研究設計院有限公司，上海 200233；2.北京石油化工學院，北京 102617；3.江蘇海獅泵業制造有限公司，江蘇 靖江 214537；4.江蘇省艾格森數控設備制造有限公司，江蘇 宿遷 223800)

反應堆堆內構件是核電廠的核安全一級設備，位于反應堆壓力容器內，起支承和定位核燃料組件、提供冷卻劑流道和流量分配、為控制棒導向以及屏蔽中子和γ射線的作用。堆內構件結構復雜，體積龐大，制造加工精度高，所處工作環境惡劣。在高溫、高壓、高輻照、流體沖擊以及振動的共同作用下，隨著時間無法避免地會產生疲勞損傷或破壞，使得結構連接件與緊固件磨損，甚至斷裂，并最終有可能會導致整個堆內構件喪失完整性和功能，釀成不可估量的事故。

為保證核電廠反應堆的安全穩定運行，非常有必要通過有目的、有針對性地對堆內構件檢維修關鍵技術展開重點研究，自主開發掌握相關技術和工具，形成解決方案與應對措施。

1 國內外現狀及背景

國內外核電業界與同行對反應堆堆內構件在役維修相當重視，并先后開展了相關研究工作。1998年10月6日至9日，國際原子能機構核電廠壽命管理機構國際工作組在捷克共和國首都布拉格召開堆內構件運行情況專題會，對堆內構件的故障模式、檢查方法及維修技術的改進給予了極大關注。

2001年秦山一期出現反應堆堆內構件輻照監督管支撐結構松動，在高速水流沖擊下導致輻照監督管支撐彈簧斷裂脫落，破壞燃料組件的鋯-4合金包殼，造成反應堆第一道屏障失效的事件。2002年重金聘請美國西屋公司對支撐結構松動給予成功修復。源自秦山一期30萬千瓦堆型的巴基斯坦恰希瑪核電站C1工程存在同樣的問題，2008年由秦山核電牽頭，借助外部力量，在反應堆停堆換料時采取專項檢修，才得以解決。

為滿足核電廠反應堆高輻射環境水下檢修維護作業的需求，發達國家開發了多種高科技檢修裝置或機器人系統，作業效果非常顯著。比如，在美國能源部資助下美國REDZONE機器人公司開發的遠程控制單臂機器人，能在核反應堆環境下具有一定的移動距離、良好的可靠性和柔性以及較大的負載能力；美國橡樹嶺國家實驗室(ORNL)為芝加哥CP-5反應堆研制的雙臂操作機器人系統，可以完成搬運、拆卸等作業任務；日本東京電力公司為應付福島事故后的核廢料清理工作，專門定制的爬行機器人Quince，可在核電站廢墟中靈活的剪斷、拾起廢材料等[1]。

2 堆內構件在役維修關鍵技術

堆內構件在役維修技術屬于核電廠特種維修技術，受輻照環境、時間窗口、安全級別等多重因素的影響，現場維修時只能在屏蔽水層以下遠距離操作。通過對：(1)水下電火花成形技術；(2)螺紋成形、螺釘緊固與防松沖壓技術；(3)三維激光和水下測量技術；(4)水下加工裝備輸送及定位夾持系統(TDS)；(5)水下吸塵裝置；(6)水下焊接技術；(7)水下浮游探測器；(8)模擬試驗及臺架等八項關鍵技術進行深入研究與開發，建立一整套堆內構件在役維修技術及操作樣機，可基本解決堆內構件吊籃筒體與輻板圍板組件螺釘更換，以及吊籃筒體外側輻照監督管修復等突出故障問題。操作樣機主體結構如圖1所示。

圖1 堆內構件在役維修操作樣機主體結構Fig.1 The main structure of RVI in-service maintenance prototype

2.1 水下電火花成形技術

不同于普通工業中的電火花加工，堆內構件在役維修的水下電火花成形技術采用含硼去離子水作為工作介質，目前在國內市場極少有成功的實際工程應用。

該水下電火花加工裝置(見圖2)主要由控制電柜(包括脈沖電源與控制系統)、試驗水箱、電極驅動系統、工況模擬件、電極沖水系統及去離子水系統、電導率測試儀等組成。其中，控制電柜提供脈沖電源與電火花的加工控制；試驗水箱提供加工平臺和容器；電極驅動系統裝夾加工電極，執行加工動作；電極沖水系統在電極加工時定向沖水，改善排屑效果；去離子水系統提供滿足要求的水質[5]。

圖2 水下電火花加工裝置Fig.2 The underwater EDM device

為解決換料水池12 m水深壓力下傳動機構和連接件的防水、防銹以及潤滑問題，在裝置的箱體前面板、底板及箱體罩之間首次運用三層密封隔離方式，形成完整的密封空間。主驅動軸貫穿O型密封圈與伸縮密封套前后進給運動，隔絕了外部環境水滲入箱體內，影響伺服電機、光柵尺等電氣元件。既起到了密封作用，又可防止裝置腔內空氣壓力過高。

為掌握在去離子水中正常加工的電導率閾值，確定水的電導率對加工性能的影響，即不同電導率條件下加工精度及性能與加工后尺寸精度及表面粗糙度的關系，通過選擇不同的電導率介質進行平面加工性能比較試驗，實時測量并取得相應的電導率波形曲線(見圖3)。

電導率/(μs/cm)工件電極電極損耗/mm粗糙度加工深度/mm加工時間0.70.33.22.52 h50 min20.353.22.63 h100.43.22.53 h1250.43.22.43 h10 min

圖3 水下電火花平面加工電導率影響Fig.3 The effect of electrical conductivity on underwater EDM machining plane

同樣，為獲得不同材質電極加工的性能特性，采用各性能參數和材料的電極，如紫銅、石墨等(不同顆粒度大小、硬度指標等)進行大量試驗，驗證了在加工不同材料、不同介質電導率時的加工性能(見表1)。

表1 水下電火花電極性能比較Table 1 Underwater EDM electrode performance comparison

通過試驗與分析表明，在核電廠去離子水中進行電火花加工時，電導率值總體平穩，但隨著加工過程中碎屑的增多，去離子水中帶電導體的增加，電導率值成緩步上升的趨勢。采用水下吸塵裝置及時清理水中的加工碎屑，可有效抑制電導率值保持穩定。在相同的電控參數下，不同等級的石墨電極對粗糙度影響小，但隨著電極顆粒度的增加，電極致密度降低，加工過程中損耗增大。同種加工深度，加工時間基本相同，不同等級電極對加工時間影響小，加工時間主要取決于電控參數。但紫銅電極與石墨電極在去離子水中加工特性差別較大，加工相同深度深孔，紫銅電極加工時間、損耗都較石墨電極大。

2.2 螺紋成形、螺釘緊固與防松沖壓技術

對于堆內構件圍輻板及輻照監督管支架螺釘、銷的水下安裝、固定和防松，最直接的解決辦法是采用長柄專用工具進行遠程操作和控制。通過研制水下遠距離螺釘和防松帽安裝工具、防松安裝與鎖緊工具、攻絲工具、鉸孔工具、銷安裝工具等一系列專用工藝裝備和器具，逐漸掌握攻絲、螺紋緊固及防松帽沖壓的工藝方法，確定出螺栓的擰緊力矩和防松帽沖壓的力度。

以堆內構件上規格M20×65的螺釘為例，最終可實現螺釘緊固力矩500 N·m，防松帽防松沖壓力達750 N，以及1件/5分鐘的工作效率。同時一體化設計執行相似操作的工具，增強互換性，方便操作，使得整體結構更加緊湊，功能更加完備。

2.3 三維激光和水下測量技術

考慮水上與水下的兩種不同工況，實際測量時對水上大型組件制造與裝配形位公差的測量以及設備空間幾何尺寸的測量，采用三維激光測量系統。由調平后三維激光跟蹤儀逐一掃描設定的靶點，在Spatial Analyzer軟件(SA)中構造成平面，得到每個點的直線距離和水平度。而在水下則利用孔徑/孔距測量工具、水下測量基準、徑向距離測量工具、間隙測量工具等遠距離定位和測量對象的孔徑、孔距、距離、間隙等幾何量，來判斷空間平面的幾何變形，為修正提供依據。

2.4 水下加工裝備輸送及定位夾持系統(TDS)

作為堆內構件在役維修的基礎工作平臺，水下加工裝備輸送及定位夾持系統(TDS)為每一步工藝流程提供水上水下的精確傳輸與定位支撐，以及壓空、液壓、電力和操作空間。系統整體結構高9 m，水下部分3～7 m，采用伺服電機驅動8 m長軸絲桿，最大輸送距離7.4 m，承載量約300 kg，工具托盤可水平推進152 mm，系統垂直重復精度可達到0.1 mm。

借助于TDS系統，在吊籃(下部堆內構件)法蘭上建立起一個底層維修臺架，通過三個獨立的子系統(維修平臺運動控制子系統、監控子系統和水下測量子系統)分布式控制，將各類工裝夾具傳輸到吊籃指定位置進行相應水下加工，實現鉆孔、鉸孔、攻絲、打磨平面、切除焊縫、安裝螺栓或定位銷等操作。

2.5 水下吸塵裝置

水下吸塵裝置是一種水流通過式水下過濾裝置，在運用水下電火花加工時，啟動水下吸塵裝置能夠及時凈化過濾水質，清除與搜集水中的異物，解決由于電火花(電極)放電產生石墨炭棒粉末和金屬粉末影響水質濁度的問題。

針對核電廠不同的應用環境，研制的三種不同規格產品(見圖4)，泵最大功率分別為15 HP(四筒)、7.5 HP(雙筒)與4 HP(單筒)，揚程可達16～47 m，過濾精度最小為1 μm。維修操作時，將其整體吊入水池中，接通筒內潛水泵電源，池水被抽入至濾筒內過濾后排出，不間斷的形成水流連續循環，并將雜質和異物截留在濾芯內部。

圖4 三種不同規格的水下吸塵裝置Fig.4 Three different sizes of underwater vacuum cleaners

2.6 水下焊接技術

按照作業方式的不同，核電廠水下焊接可以分為水下濕式焊接、水下干式焊接和水下局部干式焊接三種類型。濕式焊接一般采用水下焊條直接進行焊接，通常形成的焊縫質量較差；干式焊接的焊接質量雖然最好，但在堆內構件維修過程中無法營造一個全干的焊接環境。隨著現代自動化技術的提高，水下局部干式自動焊接以其相對經濟、靈活的優勢，逐漸脫穎而出，開始在核電廠水下設備焊接領域實現工程應用[2]。

基于水下局部干式MIG全自動焊的遙操作堆內構件維修水下自動焊接試驗裝置(見圖5)，模擬30 m水深工程環境，采用水下微型排水氣罩包裹焊槍，形成局部干式空間，突破了焊接機頭環境適應性、焊接機頭與焊接件水下相對運動控制、排水氣罩氣流穩定以及密封墊阻燃、焊接視頻監控等關鍵技術，解決了水下環境熔化極氣體保護焊電弧控制和熔池保護等技術難題。

圖5 核電廠檢修水下焊接試驗裝置Fig.5 Nuclear power plant maintenance underwater welding test device

在裝置內模擬實際工況對304與321不銹鋼進行堆焊與對接焊，通過漢諾威弧焊質量分析儀對焊接參數進行采集和分析，并經過拉伸試驗、沖擊試驗、彎曲試驗和硬度測試等力學性能試驗以及滲透檢測、超聲波檢測和射線檢測等無損探傷檢驗，結果表明試件焊縫成型良好，焊接質量高，強度與各項性能滿足標準規范的要求。

2.7 水下浮游探測器

水下浮游探測器(ROV)(見圖6)是核輻射環境下一種有效的水下檢查與監視設施，主要由浮游器本體、綜合控制與監測硬件子系統、控制軟件與信息處理子系統三個部分組成，具備基本航行、應急航行、異物抓取、水下視頻和水下照明等五大功能[4]。

圖6 水下浮游探測器Fig.6 The underwater floating detector

該裝置結構為攜帶俯仰云臺的四艙分離本體型式，通過CAN總線控制，最遠控制距離可達50 m，能夠自動定向、定深運動和水中長時間懸停，適用于高輻射、弱酸性的水下核環境作業和其他多種水下非核民用領域。

2.8 模擬試驗及臺架

為了驗證維修設備的功能和操作可靠性，按照維修對象及實際工作環境，在12 m×8 m×6 m試驗水池內設置試驗臺架和試驗件，進行輻板螺釘與輻照監督管更換1∶1全模擬試驗，通過水下電火花去除原螺孔和支架，并重新擴孔、絞絲和制作防松槽，安裝新的螺釘、防松帽及輻照監督管，取得較理想的試驗結果(見圖7)。

圖7 輻板螺釘與輻照監督管更換試驗結果Fig.7 Plate screw and irradiation monitoring pipe replacement test results

3 總結與展望

隨著核電產業的發展和裝機容量的增加，在役核電機組數量不斷增多，為保證核電站的有效可利用率，核電站關鍵設備尤其如堆內構件的長期安全、穩定運行顯得格外重要。堆內構件在役維修技術的研發，全面論證了堆內在役維修的可行性和應用能力，提供了核電發展所必需的配套手段和技術保障。并且，該技術成果還可廣泛用于：(1)核電廠堆內設備水下維修，如輻照監督管(或板)、輻板螺釘、指套管的修復等；(2)核電廠精確尺寸測量，如反應堆壓力容器V型密封環槽的直徑測量等；(3)核電廠水下切割與成型加工，如取樣切割、退役設備解體、打孔、表面平整等；(4)核環境下水池或容器的維修、檢測、清潔、異物拾取、目視檢查等水下作業。在我國現階段的核電發展形勢下，具有良好的推廣應用價值和社會經濟效益。