海外“華龍一號”可燃毒物組件抓具機械結構改進

馬 超

(中國中原對外工程有限公司，北京 100044)

可燃毒物組件抓具是海外“華龍一號”核島廠房燃料操作與貯存系統的關鍵性設備，其良好的設計、制造與最終的使用直接關乎換料大修的效率、工期乃至順利實現與否。然而，據以往核電廠該設備使用的反饋來看，總是問題頻頻，不盡如人意。相關問題的出現、解決造成了大量人力物力的投入。經過分析，機械結構的不合理是導致可燃毒物組件抓具在操作與使用過程中出現組件與抓具卡阻的主要原因之一。因此，海外“華龍一號”中的該設備十分有必要在機械結構設計、制造方面對以往出現的這些問題進行針對性規避與改進，目標做到“安全又高效、好用又耐用”。

1 海外“華龍一號”可燃毒物組件抓具功能簡介

可燃毒物組件抓具主要在首次換料時用于操作可燃毒物組件，在其他的每一個換料期間用于抓取次級中子源棒組件。提升可燃毒物組件的操作為電動操作，抓爪的抓取和釋放為手動操作。其功能為：將可燃毒物組件從燃料組件中抽出，然后將其插到可燃毒物組件存放架中；將可燃毒物組件從可燃毒物組件存放架中抽出，然后將其插到乏燃料組件中；將可燃毒物組件從燃料組件中抽出，然后將其插到乏燃料組件中。

2 海外“華龍一號”可燃毒物組件抓具機械抓取功能原理概述

海外“華龍一號”可燃毒物組件抓具導向裝置主要由兩對導向耙組成，彼此成90°分布，當抽取或插入可燃毒物組件時起到定位和導向作用。導向耙的開啟和閉合主要是由行走機構中的凸輪及連接調節拉桿和連桿的主軸聯動來實現的。抓具抓取組件的上升下降是通過一個方形框架內的兩個導向輪執行的，導向輪在方形框架的兩根角鋼間滑動。導向輪旁設有S形槽，導向輪被提升時，凸輪槽一并會提升，當導向輪上升至凸輪及連桿所在位置時，凸輪銷會進入到S形槽中。由于S形槽呈S形，S形槽向上運動會推動其中的凸輪銷，凸輪轉動帶動連桿運動，進而使導向耙關閉(或開啟)，實現可燃毒物組件定位。

目前，無論是以往的核電廠還是海外“華龍一號”，可燃毒物組件抓具都是通過上述機械結構與原理實現組件抓取與定位。可以看出，可燃毒物組件抓具設計上柔性連接較多，在抓具抓取過程中易因為與可燃毒物組件發生干涉而導致柔性部件變形進一步導致卡阻。所以在抓具設計之初，在機械結構上實現對抓具相關薄弱點的優化與改進就顯得十分必要了。

3 海外“華龍一號”可燃毒物組件抓具機械結構改進

3.1 可燃毒物組件抓具與阻流塞(阻力塞)抓具的分離

以往核電項目的可燃毒物組件抓具往往同阻流塞(又稱阻力塞，以下均稱“阻流塞”)組件抓具集成在同一抓具中，通過手輪驅動圈數來控制抓具上升的高度。就提升高度而言，可燃毒物組件提升高度較高(海外30萬kW機組為3365 mm，海外“華龍一號”機組為4035 mm)，阻流塞組件提升高度較低(海外30萬kW機組為378 mm，海外“華龍一號”機組為400 mm)。這種將可燃毒物組件抓具與阻流塞組件集成在同一抓具的提升操作是通過調整自鎖鉤環來限制抓具上升高度的。譬如在抓取阻流塞組件時，需將自鎖鉤環鋼絲繩放松，可燃毒物組件導向裝置處于自鎖狀態，這時，抓具抓取的組件提升高度將被限制，因此只能用于抓取行程較低的阻流塞組件。但實際操作過程中，往往會由于在抓取阻流塞組件時，操作工人忘記將自鎖鉤環鋼絲繩放松，而出現將阻流塞組件抓取高度過高的誤操作，造成抓具損傷。以海外某核電30萬kW機組為例，海外“華龍一號”抓具的改進之處可見表1。

表1 海外某30萬kW機組與海外“華龍一號”可燃毒物組件抓具的對比Table 1 Comparison of the burnable poison assembly handing tools between an overseas 300 MW unit and overseas Hualong One

從第2節的介紹可以得知，可燃毒物組件抓具本身是一個操作復雜，易發生故障的抓具。考慮到抓具使用階段是分秒必爭的核電廠換料時期，為了降低抓具的故障發生率，避免影響換料，首先將可燃毒物組件同阻流塞組件分離，變成兩個抓具是十分有必要的。

3.2 對誤操作的防范

3.2.1 機械限位的設置

以往的可燃毒物組件抓具多為人工操作，通過手輪驅動圈數控制抓具上升的高度，容易出現手輪驅動圈數錯誤而導致抓具上升高度錯誤的現象。海外“華龍一號”可燃毒物組件抓具在行程上段終點設置了機械限位，從而可有效避免人為誤操作產生的超行程現象。

3.2.2 初始位的設置

以往的核電廠該抓具的設計使用過程中，可能由于未設置初始位，導致抓頭始終處于抓取位置，極易出現現場誤操作導致抓頭連接管被頂彎。在海外“華龍一號”可燃毒物組件抓具的機械機構設計中，設置了抓具初始位(在零位上方100 mm處)，非使用狀態下，抓具從零位退回停留在初始位，避免了抓頭與組件頭部碰撞，導致抓頭連接管被頂彎。

3.3 避免可燃毒物組件卡阻在抓具中而進行的機械結構的改進

3.3.1 避免可燃毒物組件卡在支撐板上而進行的改進

從以往核電廠該設備使用反饋的問題來看，可燃毒物組件(棒束)在插回過程中由于抓具中心與支撐板中心產生較大偏差，或者棒束與支撐板間隙過小，往往會出現可燃毒物組件(棒束)卡在支撐板的現象。海外“華龍一號”的可燃毒物組件抓具棒束與支撐板理論間隙為9.72 mm/9.74 mm(見圖1)，而海外某核電30萬kW機組為9.07 mm。所以，若可燃毒物組件棒束無嚴重彎曲，同時抓具頭與支撐板中心位置偏差在要求范圍內，將不會出現組件卡在支撐板上的現象。

圖1 棒束與支撐板理論間隙9.72 mm/9.74 mmFig.1 The theoretical gap between the rod bundle and the supporting plate is 9.72 mm/9.74 mm

3.3.2 避免可燃毒物組件卡在導向耙而進行的改進

導向耙裝置是可燃毒物組件抓具定位、導向組件棒束的關鍵部件。從以往的海外核電廠經驗反饋來看，可燃毒物組件棒束極易出現卡在導向耙上出現無法釋放的現象，海外“華龍一號”在結構的設計上采取了以下措施來著重避免此問題的出現：

1)以往海外核電項目可燃毒物組件抓具的設計中導向耙剛度可能較低，較易變形，而海外“華龍一號”導向耙的支架為一個整體，支架自身變形相對較小，對比見圖2、圖3。

圖2 海外某核電30萬kW機組導向耙通過兩側兩個獨立的支架連接Fig.2 The guide harrow of an overseas 300 MW nuclear power unit is connected by two independent supports on both sides

圖3 海外“華龍一號”導向耙通過一個整體支架連接Fig.3 The guide harrow of an overseas Hualong One is connected by an integral support

2)海外“華龍一號”可燃毒物組件抓具與以往海外核電廠可燃毒物組件抓具導向耙定位原理與結構有區別與重大改進，海外“華龍一號”可燃毒物組件抓具設計較海外某核電30萬kW機組設計定位失效的可能性低：海外某核電30萬kW機組可燃毒物組件抓具的組件棒束中有4根棒束是由通過導向耙合抱定位(見圖4)。而合抱定位的方式并不可靠，一旦導向耙翻轉角度出現偏差，即可能會導致這4根棒束定位失效。海外“華龍一號”可燃毒物組件抓具的所有組件棒束全部均由兩個方向的導向耙的導向齒交錯形成定位孔來定位(見圖5)，這種定位方式可以更加嚴格、有效地約束組件棒束。反應后的組件棒束即使存在一定的變形，也可以通過這種定位方式得到一定的修正。

圖4 海外某核電30萬kW機組中4根棒束通過合抱定位Fig.4 Four rod bundles in an overseas 300 MW nuclear power unit are positioned by embracing

圖5 海外“華龍一號”所有棒束均由導向耙的導向齒交錯形成定位孔來定位Fig.5 All rod bundles of an overseas Hualong One are positioned by the guide teeth of the guide harrow staggered to form positioning holes

3)海外“華龍一號”可燃毒物組件抓具在兩組導向耙形成的定位原理與精度方面做了重大改進與提升。以往的可燃毒物組件棒束會頻繁出現卡在導向耙位置，可能是因為棒束在插回燃料組件過程中，定位精度不足，棒束未正確插入燃料組件，而抓具仍繼續下降，棒束被擠壓彎曲變形，從而導致組件卡阻于導向耙位置。以海外某核電30萬kW機組為例，海外“華龍一號”抓具兩組導向耙形成的定位方孔與棒束之間的間隙，比海外某核電30萬kW機組抓具定位孔與棒束之間的間隙小：前者導向耙定位齒縫寬度為 10.2 mm，棒束直徑為φ9.7 mm(見圖6)；而后者定位齒縫寬度為13 mm/11 mm，棒束直徑為φ10 mm(見圖7)。抓具導向耙定位精度相對更精確，可有效減小棒束因定位偏移過大而無法準確插入燃料組件的可能。

圖6 海外某核電30萬kW機組定位齒縫寬度13 mm/11 mm(棒束直徑10 mm)Fig.6 The width ofthe locating slot of a 300 MW overseas nuclear power unit is 13 mm/11 mm (rod bundle diameter is 10 mm)

圖7 海外“華龍一號”定位齒縫寬度10.2 mm(棒束直徑9.7 mm)Fig.7 The positioning slot width 10.2 mm (rod bundle diameter 9.7 mm) of overseas Hualong One

3.3.3 避免可燃毒物組件外套筒故障導致組件與工具無法脫離而進行的改進

可燃毒物組件抓具抓取組件的抓頭主要是轉動上部手柄驅動撥叉撥指帶動外套筒轉動從而鎖定抓頭，當出現轉動上部手柄無法使撥叉帶動外套筒轉動，或外套筒行程不到位的故障情況，就會導致可燃毒物組件與可燃毒物組件抓具無法脫離。為避免此問題的出現，海外“華龍一號”可燃毒物組件抓具在機械結構設計上進行了改進：撥叉軸上、下部支撐面均設有銅套，而不是奧氏體不銹鋼之間直接相互接觸。不銹鋼與銅套配合可有效降低摩擦力，避免了不銹鋼之間的直接接觸造成咬死的可能。同時，操作手柄與撥叉軸之間傳動力矩的圓柱銷直徑6 mm，安全系數冗余量足夠，應不會被扭轉力剪斷。

4 結論

海外“華龍一號”可燃毒物組件抓具總結了之前國內外核電項目同類設備的經驗，實現了與阻流塞抓具的分離，設置了抓具機械限位、初始位，同時在避免可燃毒物組件卡在支撐板、導向耙、外套筒對抓具機械結構進行了針對性改進，實現了設備性能的重大提升。根據海外“華龍一號”項目業主等相關單位反饋的情況，海外“華龍一號”可燃毒物組件抓具得到了一致好評，實現了“安全又高效、好用又耐用”的既定目標。