核電站裝卸料機套筒調試技術要點分析

楊依彬

（中核武漢核電運行技術股份有限公司，湖北武漢 430223）

0 引言

裝卸料機是核電廠裝卸料系統中重要的燃料操作設備，橫跨在反應堆廠房換料水池的上方，執行堆芯裝卸料和其他相關的配合工作。燃料組件在堆芯中的間距僅有1 mm，在裝卸料期間，如果燃料組件發生轉動或晃動，將會引起與相鄰的燃料組件發生刮擦，造成燃料組件定位格架或燃料棒損傷，為避免發生燃料組件損傷事故，要求裝卸料機套筒必須有較高的定位精度，且能平穩地垂直升降燃料組件。套筒的定位精度以及燃料組件能否平穩地運行，主要是由套筒調試質量決定的，考慮到裝卸料機套筒調試的重要性，本文以裝卸料機套筒機械結構為基礎并結合調試的具體情況，對裝卸料機套筒調試的技術要點進行分析研究。

1 結構特點

裝卸料機套筒由固定套筒、伸縮套筒等組成。在伸縮套筒下部連接有抓具，用于抓取燃料組件。在裝卸料期間，燃料組件可以完全縮回到固定套筒中，固定套筒為燃料組件提供了邊界保護，防止裝卸料機在移動期間意外磕碰燃料組件。

1.1 固定套筒

固定套筒上裝有導向輪和燃料組件導向裝置，為伸縮套筒和燃料組件的上下運動提供導向。固定套筒上的導向輪成對布置，用螺栓固定在固定套筒上，用來調整伸縮套筒運行的直線度以及和固定套筒的同心度。燃料組件導向裝置通過螺栓安裝在固定套筒的內部，為燃料組件的兩個對角提供全程導向，保證燃料組件運行的直線度和平穩度，防止燃料組件損傷（圖1）。

圖1 固定套筒結構

1.2 齒輪旋轉機構

齒輪旋轉機構主要由內圈、外齒圈、上下密封圈、小齒輪、注油裝置組成，齒輪旋轉機構固定在小車平臺上，為固定套筒提供了旋轉支撐（圖2）。齒輪旋轉機構的結構類似軸承，在內圈和外齒圈之間有109個直徑30 mm的鋼球。固定套筒安裝在齒輪旋轉機構的外齒圈上，而內圈通過螺栓固定在小車平臺上。小齒輪和外齒圈正常情況下為嚙合狀態，通過旋轉小齒輪帶動大齒圈旋轉，從而帶動固定套筒旋轉。

圖2 齒輪旋轉機構實物

1.3 伸縮套筒

伸縮套筒主要由懸吊頭、套筒、氣缸、抓具、抓具接近開關、導向軌道等組成。懸吊頭通過鋼絲繩懸掛在提升機構上，伸縮套筒在提升機構卷揚機的帶動下上下運動。抓具的嚙合和釋放可通過氣缸帶動芯桿和驅動盤上下動作實現。伸縮套筒的外部焊有導向軌道，導向軌道的橫截面為方形，導軌與固定套筒上的導向輪配合，用來保證伸縮套筒運行的直線度。

2 套筒調試技術要點

影響套筒調試質量的主要因素有相關機械部件安裝精度、固定套筒的垂直度、伸縮套筒與固定套筒的同心度、導向輪與伸縮套筒導軌之間的間隙、燃料組件導向裝置與燃料組件之間的間隙等。

2.1 安裝精度確認

裝卸料機相關部件的安裝精度對套筒的調試影響非常大，在套筒調試之前要對影響套筒調試部件的安裝精度進行確認，如大小車軌道的水平度、齒輪旋轉機構安裝的水平度、齒輪旋轉機構與內外套筒的同心度等，通過前期對關鍵部件安裝精度的確認，制定合理的調試方案，節省調試時間。

2.2 固定套筒垂直度測量與調整

為保證固定套筒的垂直度，在固定套筒未安裝前，首先保證齒輪旋轉機構安裝的水平度，偏差要求≤0.5 mm，齒輪機構旋轉時，齒輪機構上表面的水平度≤0.8 mm，同時要求齒輪機構與固定套筒的同心度≤0.4 mm。裝卸料機安裝技術規范書要求，固定套筒垂直度≤1.5 mm。一般通過鉛垂線的方法測量固定套筒的垂直度，如果垂直度不滿足要求，根據測量結果，在固定套筒法蘭下表面和支撐圈上表面之間增加墊片的方法來調整，直至垂直度滿足要求。

固定套筒調節墊片厚度的計算可簡化為相似三角形原理，固定套筒偏移中心線的距離與墊片的增減厚度成正比（圖3）。固定套筒法蘭面的半徑R＝530 mm，固定套筒的長度L＝9145 mm，則H/D=R/L，從而得出增加墊片的厚度H=0.06D，固定套筒偏離鉛垂線的距離D可在測量固定套筒垂直度時獲得。

圖3 固定套筒墊片調整幾何模型

2.3 導向輪間隙調整

裝卸料機固定套筒上裝有6個導向輪，每個導向輪包括2個側輪和1個頂輪（圖4）。側輪的軸為偏心軸，偏心距為2 mm，調節范圍為0～4 mm，頂輪可通過調節螺栓調節與導軌之間的間隙，調整導向輪間隙的主要目的是保證伸縮套筒運行的直線度，實際上是對齒輪機構、固定套筒和伸縮套筒安裝誤差的一種補償。導向輪的作用是為伸縮套筒提供導向和定位，如果導向輪間隙過大，難以保證伸縮套筒運行的直線度，反而引起伸縮套筒與導向輪碰撞，且無法限制伸縮套筒的轉動與晃動，無法保證裝卸料機的定位精度；如果導向輪間隙過小，可能引起伸縮套筒與導向輪之間卡澀，影響伸縮套筒的正常運行。

圖4 導向輪結構

為保證伸縮套筒的定位精度，在不發生碰撞或卡澀的前提下，盡量減小導向輪的間隙，導向輪間隙調整方法如下：①將伸縮套筒提到0位，用塞尺測量每個導向輪與伸縮套筒導軌之間的間隙，并做記錄；②將導向輪與伸縮套筒導軌的間隙調整到最大，使伸縮套筒處于自由狀態；③調整第一組導向輪與伸縮套筒導軌之間的距離，先將塞尺放在導向輪和伸縮套筒導軌之間，然后使導向輪貼緊塞尺，將導向輪固定，塞尺的厚度便是導向輪與導軌之間的間隙；④用上述方法調整剩余導向輪與導軌之間的間隙，直至所有的導向輪間隙調整合格。導向輪順序自上而下，第1、第2組導向輪間隙的理論值為0.5～1.2 mm，第3～第6組導向輪間隙的理論值為0.5～0.8 mm。

導向輪間隙調整之后，在空載情況下升降伸縮套筒數次，通過觀察載荷和聽聲音，初步判斷伸縮套筒的運行情況：①伸縮套筒在運行的過程中，載荷若有明顯變化或有撞擊聲，則表明導向輪不在一條直線上；②若有較大的摩擦聲，則表明導向輪與伸縮套筒的間隙過小；③若伸縮套筒的導向軌上有較深的劃痕，則表明導向輪與伸縮套筒存在摩擦。

導向輪調整是一個反復的過程，需要不斷嘗試，要找到導向輪與伸縮套筒導軌之間最合理的間隙，既能保證伸縮套筒運行的直線度，又能保證伸縮套筒與導向輪之間的摩擦力符合要求。

2.4 固定套筒與燃料組件的同心度調整

固定套筒與燃料組件同心度的調整可以通過兩個環節實現，首先保證固定套筒與伸縮套筒的同心度，其次保證燃料組件的垂直度。固定套筒和伸縮套筒的同心度可通過導向輪調整，但在調試過程中發現，通過調整導向輪并不能完全實現內外套筒的同心度。懸掛伸縮套筒的鋼絲繩一端連接在卷揚機上，一端穿過定滑輪連接在配重塊上，現場可通過調整定滑輪的位置、改變伸縮套筒的吊點位置，來調整伸縮套筒與固定套筒的同心度。安裝手冊要求，抓爪在嚙合位置的水平度≤0.15 mm，抓爪的水平度直接決定了燃料組件的垂直度。影響抓爪水平度的主要因素有：①抓爪與伸縮套筒連接的法蘭水平度不滿足要求；②抓爪制造加工安裝存在誤差，造成4個抓爪與上管座的接觸面的水平度不滿足要求。針對上述原因制定了下列解決方案：

（1）檢查測量抓具與伸縮套筒的連接法蘭面，確認水平度是否滿足要求，若不滿足要求，則將抓具返廠，對法蘭面進行加工處理或更換，確保水平度在安裝要求的范圍內?；蚋鶕y量結果，制作一套特制墊片，安裝在抓具和伸縮套筒的法蘭面之間，同時要確保墊片已采取防異物措施，不管何種工況都不會脫落。

（2）根據現場測量結果，對抓爪與上管座的接觸面進行打磨處理，直至其水平度滿足安裝要求。

2.5 重復定位精度試驗

重復定位精度試驗是驗證抓具同一位置重復上下運動，抓具的落點是否在同一位置。首先將扎針裝置固定在抓具的導向銷上，并調整扎針裝置的位置，使針尖與抓具同心（圖5）。把一張白紙固定在抓具的正下方，下降抓具4次，在紙上扎小孔，形成的小孔必須在1 mm×1 mm的正方形內。

圖5 扎針試驗裝置

2.6 回轉精度試驗

套筒回轉精度試驗是為了驗證固定套筒與伸縮套筒的同心度，同心度是影響抓具定位的關鍵因素，會影響后續的燃料組件操作，也是對套筒調試成果的驗證。

扎針試驗開始前，先將扎針裝置固定在抓具的導向銷上，使針尖與抓具同心。把一張白紙固定在抓具的正下方，下降抓具，使伸縮套筒只有最下面的兩組導向輪導向。轉動固定套筒，分別在0°、90°、180°、270°位置下降抓具，重復4次，形成的小孔必須在2 mm×2 mm的正方形內。若回轉精度不滿足試驗要求，分析扎針試驗的結果，調整導向輪與導向軌之間的間隙，使其滿足要求。

2.7 燃料導向裝置調整

燃料導向裝置通過支撐螺桿固定在固定套筒上，主要對燃料組件起導向和限位作用。燃料組件進入固定套筒時，燃料組件導向裝置對燃料組件進行導向。當裝卸料機移動或停止時，燃料組件導向裝置能限制燃料組件的晃動，避免燃料組件意外損傷。

通過調整支撐螺桿來調整燃料導向裝置與燃料組件之間的間隙，使導向裝置與固定套筒同心，導向裝置與燃料組件之間的間隙控制在1.5～3.5 mm。

3 結論

提高裝卸料機套筒調試的定位精度和伸縮套筒運行的垂直度，對燃料操作的安全性有著極為重要的意義。經實踐驗證，上述方法能有效提高裝卸料機套筒的調試精度，可提高裝卸料機的運行的可靠性，為國內同行電廠裝卸料機套筒調試提供借鑒和參考。