淺談核固廢鋼桶自動取封蓋裝置設計思路

董緒超

（中國核電工程有限公司，北京）

引言

自動取封蓋裝置作為固廢系統線的關鍵設備之一,本質上是在惡劣環境(有毒,放射性,高危險等)下，通過遠程控制模式實現對核電低、中水平放射性固體廢物包裝容器鋼桶的自動取蓋和封蓋操作的機械手[1],裝置上的機械爪負責在上述過程中抓取,放開桶蓋,要求定位精度高，緊固密封牢靠，抓取準確順暢。該部件運轉的流暢程度及可靠性對整條線的運行至關重要。

1 自動取封蓋裝置的主要功能

自動取封蓋裝置有三個主要的功能：第一，鋼桶定位功能，對固廢輥道系統輸送至取封蓋下方的鋼桶起到一個定位及反饋信號通知輥道輸送停止的作用。第二，螺栓/螺孔定位功能，鋼桶定位后，需要擰松或擰緊螺栓進行取蓋或封蓋，在擰松、擰緊前需精準定位每個螺栓/螺孔，否則無法完成取封蓋操作。第三，桶蓋抓取功能，在取蓋/封蓋過程中將鋼桶桶蓋提起/放下，其可靠性是自動取封蓋過程中安全性的保證。

2 鋼桶定位功能

上述我國沿海某市核電站1、2 號機組自動取封蓋裝置中采用定位V 鐵上的機械止擋進行鋼桶定位，氣缸驅動伸出到位，當鋼桶到位后按壓其上的機械止擋觸發限位，給出桶到位信號，見圖1。

圖1 我國沿海某市核電站1、2 號機組自動取封蓋裝置中鋼桶定位方式

3、4 號機組自動取封蓋裝置中采用左、右定位輪臂（圖2 中序號1）定位，氣缸驅動輪臂伸出到位，當鋼桶觸發輥道上的兩組光電開關（圖2 中序號2）后，輥道停止運行，見圖2。

圖2 我國沿海某市核電站3、4 號機組自動取封蓋裝置中鋼桶定位方式

5、6 號機組自動取封蓋裝置依靠輥道上光電開關確定停靠點，這點與3、4 號機組自動取封蓋裝置一致；再通過安裝在輥道上抱桶裝置進行最終的定位和夾緊。

綜上所述，1、2 號機組自動取封蓋裝置的定位V 鐵所受的力為鋼桶從輥道輸送過來的橫向力，而支撐力確是縱向的，且受力面積較小，長期接收裝滿固廢的鋼桶后，氣缸的兩個直線導桿容易產生變形，導致定位V 鐵上、下滑動卡滯，鋼桶定位不準確及鋼桶信號消失等問題。而3、4 號機組自動取封蓋裝置在設計時考慮到上述定位V 鐵的問題，對定位進行了改進，采用左、右定位輪臂及氣缸支撐形式對鋼桶進行定位，使定位支撐橫向受力，增強定位的可靠性。5、6 號機組自動取封蓋裝置采用的是雙光電開關定位，液壓抱桶裝置夾緊確認最終位置，但鋼桶被抱桶裝置夾緊后，鋼桶位置唯一，遇到外形尺寸不規范的鋼桶時，容易導致扳手套筒不能順利的套住螺栓。建議解決思路為在主執行機構上增加無動力的自適應平臺，用來冗余不規則鋼桶的誤差[2]。

3 螺栓/螺孔定位功能

上述我國沿海某市核電站1、2 號機組自動取封蓋裝置上的螺栓/螺孔定位裝置整體安裝在縱向下降氣缸上，工作時通過電磁閥控制氣缸，將螺栓/螺孔定位裝置下降到檢測高度；通過電磁閥控制橫向氣缸伸出，將螺栓/螺孔定位傳感器移動至桶蓋邊緣上方；螺栓/螺孔定位傳感器為2 個接近開關/2 個激光傳感器，彼此間成固定角度和距離，與桶蓋上相鄰2 個螺栓/螺孔的角度、距離保持一致；旋轉機構進行正轉，當兩個接近開關/激光傳感器被相鄰2 個螺栓/螺孔同時觸發時停止轉動，螺栓/螺孔定位完成，見圖3。

圖3 我國沿海某市核電站1、2 號機組自動取封蓋裝置中螺栓/螺孔定位方式

3、4 號機組自動取封蓋裝置中的螺栓/螺孔定位激光傳感器豎直安裝在擰緊機主體框架上，和擰緊機的扳手頭成一個固定角度；激光照射到螺孔內，但不是穿過螺孔；當鋼桶就位后，伺服控制器控制旋轉裝置的伺服電機啟動，擰緊機構開始旋轉；螺栓/螺孔定位激光傳感器依次照射到兩個螺栓/螺孔后，產生兩次信號的突變，此時程序判斷已找到螺栓/螺孔位置；反向轉動固定角度，使得扳手頭和螺栓/螺孔對齊，即完成對螺栓/螺孔的定位，見圖4。

圖4 我國沿海某市核電站3、4 號機組自動取封蓋裝置中螺栓/螺孔定位方式

5、6 號機組自動取封蓋裝置螺栓定位裝置為一組固定在執行機構上的激光傳感器，激光射點高度對應桶蓋下方冒出的螺栓高度。定位螺栓時，螺栓定位裝置隨執行機構一起旋轉，激光射點會先后經過相鄰的2 個螺栓，觸發兩次信號。此時判斷已找到螺栓。執行機構回轉固定角度，使扳手套筒移動至螺栓的正上方。至此完成螺栓定位；螺孔定位裝置由一個氣動旋轉臂和固定在上面的激光傳感器組成。非工作狀態時，旋轉臂處于立起狀態，不會與其他機構動作干涉。定位螺孔時，主執行機構首先下降至金屬桶上方并保持一定距離。此時，控制旋轉臂順時針旋轉180°，使得激光傳感器的射點位置與螺栓孔處于同一圓心環內。執行機構旋轉帶動激光傳感器連續經過兩個相鄰的螺栓孔，觸發兩次反饋信號，代表已找到相鄰螺栓孔。主執行機構回轉固定角度，使得扳手套筒處于螺栓孔的正上方[3]。旋轉臂逆時針旋轉180°，重復回到立起狀態。之后可正常下降執行機構。

綜上所述，1、2 號機組自動取封蓋裝置采用光電開關/激光傳感器來對螺栓/螺孔進行定位，但是光電開關及激光傳感器接收到螺栓/螺孔信號后反饋至系統，系統再發出旋轉停止信號，中間有信號傳輸的時間差，這個誤差無法控制，會導致執行機構下降后不能準確的找準螺栓/螺孔的位置。建議解決思路為將光電開關換成激光傳感器，保證定位準確。采用伺服電機反轉功能來消除信號傳輸的時間差；后續四個機組的自動取封蓋裝置從設計角度上規避了上述問題[4]。

4 桶蓋抓取功能

上述我國沿海某市核電站1、2 號自動取封蓋裝置的桶蓋抓取功能是通過電磁閥控制抓蓋氣缸旋轉，四個抓爪向內收縮抓緊桶蓋；電磁閥控制擰緊機主體氣缸上升到位，完成取蓋的操作；電磁閥控制抓蓋氣缸反向旋轉，四個抓爪向外伸展松開桶蓋；電磁閥控制擰緊機主體氣缸上升到位，完成封蓋的操作，見圖5。

圖5 我國沿海某市核電站1、2 號機組自動取封蓋裝置中桶蓋抓取方式

3、4 號機組自動取封蓋裝置的桶蓋抓取功能是通過電磁閥控制抓蓋氣缸縮回，三個抓爪向內收縮抓緊桶蓋；升降機控制擰緊機主體氣缸上升到位，完成取蓋的操作。電磁閥控制抓蓋氣缸伸出，三個抓爪向外伸展松開桶蓋；升降機擰緊機主體氣缸上升到位，完成封蓋的操作。

5、6 號機組自動取封蓋裝置在主執行機構上固定有3 組氣動旋轉抓具，見圖6。當給出抓緊指令時，抓具向內旋轉，托住金屬桶桶蓋的吊裝環；當給出松脫指令時，抓具向外旋轉，不再與金屬桶桶蓋吊裝環接觸。

圖6 我國沿海某市核電站5、6 號機組自動取封蓋裝置中桶蓋抓取方式

綜上所述，1、2 號機組自動取封蓋裝置采用旋轉氣缸帶動四根抓爪伸、縮來完成桶蓋的抓取和釋放，但在螺栓未完全擰松時取蓋，容易將桶蓋及鋼桶同時提升，由于抓爪橫向懸臂過長，容易造成抓爪機械性損傷。建議解決思路為增加拉力傳感器，當主體機構提升力大于桶蓋的重量時，工作停止并報警；而3、4 號機組自動取封蓋裝置采用的是豎直方向的擺動桿，當氣缸收縮時抓緊桶蓋，抓爪的受力截面理論計算可以承受載滿重物的鋼桶，不會發生變形或斷裂問題，但是為了安全起見，取蓋時順帶將鋼桶提起是不可取的。建議解決思路同1、2 號機組一致；5、6 號機組自動取封蓋裝置采用3 組氣動旋轉抓具，出現鋼桶隨桶蓋上升的情況后容易對氣缸旋轉軸及抱桶裝置造成機械性損傷，會導致氣缸旋轉卡澀或失靈、抱桶裝置定位不準確等問題。建議解決思路為增強螺栓擰松的檢測，保證抓取時鋼桶不會隨桶蓋上升。

5 改進的設計思路

通過上述三套自動取封蓋裝置的對比分析，基于自動取封蓋裝置三個主要功能，提出一些改進的設計思路如下：

在設計鋼桶定位時，應考慮滿載鋼桶從輥道輸送到位的力，定位止擋所受的力應大于滿載鋼桶輸送力的1.5～2 倍，保證定位止擋的受力與載鋼桶的輸送力方向平行，適當增大接觸面積。若采用光電開關輔助夾桶裝置進行停止時，應選用精度高、性能好的光電開關，同時夾桶裝置動力部分盡可能選用電動或氣動，這樣控制起來更方便，出現故障后更容易排查，夾緊裝置應有遠傳手動控制，當發生故障時，檢修人員可以在安全的地方控制夾緊裝置打開，將鋼桶輸送至安全位置后，人員才能進入檢修。

在設計螺栓/螺孔定位時，應考慮定位精度，檢測開關的安裝法蘭上應帶有自適應平臺，保證遇到不規則的鋼桶時能夠無外力干預的情況下能夠自動調整，增強定位的可靠性。定位時初次檢測到的螺栓/螺孔不應作為基準點，應等旋轉過一定角度后，通過私服電機反轉來確認螺栓/螺孔的位置，這樣會更加精確[5]。

在設計桶蓋抓取功能時，首先應避免使用橫向抓爪，橫向抓爪懸臂梁較長，即使滿足使用要求，尺寸也會很大，浪費成本及設備空間。其次應增加拉力傳感器，可以保證桶蓋與桶可以完全分離，增強設備的安全性。還要保證抓爪具有自鎖性能，即使設備出現斷電、斷氣的情況，桶蓋也不會從抓爪上脫落。

結束語

近些年，國內核電站重啟批復建設漸熱，裝機量也逐年提升，同時，隨著時間推移，核電站更換燃料并貯存后，會有越來越多的低、中水平放射性固體廢物產生，并需要通過鋼桶轉運。相應地，定位精度更高、操作更便捷、結構更為緊湊合理、安全性更高的低成本自動取封蓋裝置，將成為固廢系統線迫切需求的設備。本文從桶定位、螺栓/螺孔定位以及抓取功能三個方面，總結分析了我國沿海某市核電站1-6 號機組中已實際應用的自動取封蓋裝置，提出了切實可行地解決問題的方法，形成了更為先進的自動取封蓋裝置推薦設計方案。也為后續進一步改進優化自動取封蓋裝置提供了一些切入點和思路。