小堆裝卸料機關鍵制造技術研究

李軍

（西安核設備有限公司，西安 710021）

0 引言

裝卸料機是核電廠燃料操作與貯存系統的關鍵設備之一，它橫跨于反應堆廠房換料水池上方，由提升、抓取、旋轉、運行、定位、報警和顯示系統等部分組成，能做X、Y、Z三個坐標軸方向的運動，在堆腔內能做0°～270°范圍內的旋轉運動。在停堆換料期間，可以在水下抓取具有高放射性的核燃料組件，并能在堆芯和燃料運輸系統或暫存架之間輸送和裝卸燃料組件，能安全可靠地完成堆芯燃料組件更換和倒換作業[1]。

“ACP100”是中核集團經過十余年自主研發的多功能模塊化小型壓水堆堆型。基于小堆型裝卸料機在燃料組件長度、運行路徑和操作標高等設計輸入條件方面與以往的M310堆型和華龍堆型設備相比均存在較大差異，為減少堆芯布置及操作標高等設計輸入條件對設備性能的不利影響，降低設備設計和工程供貨風險，小堆裝卸料機關鍵部件樣機應采用可靠且經過科研驗證的技術和結構，以確保裝卸料機能夠滿足安全、高效操作燃料組件的要求[2]。

1 研制總體技術

1.1 關鍵部件構成

小堆裝卸料機關鍵部件由以下部分組成：1）主起升機構。裝卸料機執行垂直方向運行功能的部件。2）上部塔架結構。主起升機構的支承和保持中心運動的結構件。3）固定套筒。用于燃料組件保護和伸縮套筒升降導向的管狀部件，燃料組件在運輸過程中整體位于固定套筒內部。4）伸縮套筒。裝卸料機上連接抓具和主起升鋼絲繩的部件，用于實現抓具在垂直方向的運動。5）抓具。用于對燃料組件實施抓取和釋放操作的部件。

1.2 研制內容

按照合同和科研技術任務書的要求，需要完成小堆裝卸料機關鍵部件科研樣機的加工制造、電控系統設計集成、試驗臺架設計搭建，以及科研樣機的組裝、調試和試驗等內容。

圖1 小堆裝卸料機

1.3 研制技術方案

1）機械關鍵部件的加工制造。機械關鍵部件都是影響裝卸料精度和性能的重要鋼結構部件。根據各零部件的設計圖樣和功能使用，從原材料質量控制、制造工藝優化、焊接工藝評定和無損檢測等方面進行一系列的創新性改進，對其加工制造過程中要求的各關鍵點進行了重點控制，確保各部件精度滿足設計文件要求。

2）電控系統設計集成。發揮“小核心、大協作”創新戰略優勢，與專業自動化研究所合作開展“電控系統設計集成”的研發，共同推動產學研深度融合。電控系統整體由操作臺、伺服驅動系統、位置編碼器、提升稱重系統和現場開關等部分組成，并通過電氣互聯實現完整的裝卸料機監測與控制功能。

3）試驗臺架設計搭建。結合公司內部實際承制設備狀態，通過對華龍堆型和小堆堆型設備相關接口尺寸和空間布局尺寸進行綜合分析評估，小堆裝卸料機研制采用廠內正在承制的華龍一號堆型某核電項目裝卸料機大、小車作為配套試驗臺架，相關接口尺寸和空間布局基本吻合。根據操作標高要求對堆芯底座高度進行提升抬高調整，滿足了抓具抓取燃料組件主起升全行程要求。驅動抓具抓取、釋放的壓縮空氣系統也采用此核電項目壓縮空氣系統各零部件作為配套，用于整機調試試驗。

4）樣機的組裝、調試和試驗。以固定套筒齒輪旋轉機構組裝為基礎，嚴格按設計要求對相關部件裝配指標進行質量檢測控制。從各子系統的單體調試（14個小項）到整機機電聯調（12個小項），提出各類關鍵點的控制及調整的方法、步驟。通過37項嚴格的功能性試驗（模擬實際運行工況及事故工況），驗證小堆裝卸料機關鍵部件對燃料組件操作的安全可靠性、靈活性、穩定性和準確性，并檢測小堆裝卸料機關鍵部件的各項性能指標是否滿足設計要求。

2 關鍵制造技術

2.1 主起升焊接構件的精密加工技術

主起升構件由鋼架結構和塔架結構兩個單獨的部件通過螺栓連接而成。鋼架結構是由型鋼組焊而成的框式焊接結構件，其上面安裝有主起升電動機減速機、鋼絲繩卷筒、吊點支架、制動器等。塔架是圓筒框架式焊接構件，它安裝在固定套筒上法蘭面上，支撐鋼架結構。鋼架結構和塔架結構組裝后要保證整體同心度，所以兩者加工的關鍵點是塔架下部法蘭的中心與上部鋼架結構各孔組所形成的中心要在同一軸線上。

主起升焊接構件的關鍵制造技術為：1）鋼架結構的組對焊接采用“三維柔性焊接鋼平臺定位焊接”，利用平臺自帶的專用夾具可實現鋼架結構的精確定位和夾緊功能，以減小整體的焊接變形；2）整體精密機加工采取“輔助工藝墊板，轉化統一基準”方式，分別確保鋼架結構和塔架的各安裝孔系相對位置準確，以此來保障伸縮套筒整體吊點位置準確。

2.2 固定套筒管與法蘭的定位裝配技術

固定套筒主要由法蘭、不銹鋼管[3]、卡箍等焊接而成，總長度約為8 m。固定套筒通過回轉軸承安裝在小車架的法蘭上，為伸縮套筒提供導向和支承，并保持伸縮套筒處于垂直狀態。為了保證整體機加工過程中卡箍導向輪安裝面與法蘭端面的垂直度，必須保證鉚焊階段套筒管與法蘭的組對精度。

固定套筒的關鍵制造技術是套筒管與法蘭裝配方式采用“止口式帶公差配合的精確裝配定位”。套筒管在單件齊頭定基準過程中，在保證圖樣最小壁厚的前提下同時加工出定位止口，與法蘭公差配合。這樣裝配后可以進一步提高法蘭面和卡箍的裝配精確度，有效減小組對誤差，更能保證法蘭和套筒管的同軸度和垂直度要求。

2.3 伸縮套筒的加工技術

伸縮套筒是連接抓具和主起升鋼絲繩的部件，用于實現抓具在垂直方向的運動。它由大長度、薄管壁的不銹鋼管與其它小型不銹鋼零件焊接而成，全長近9 m，筒身兩側導軌的加工精度極高。由于這類薄壁不銹鋼細長桿狀焊接構件剛性極差、易變形，其整體加工技術一直是機械加工行業里的難點，況且此伸縮套筒又比以往堆型裝卸料機伸縮套筒長度還長1 m左右，加工難度大幅提高。

伸縮套筒最主要的加工難點在于加工應力的消除。此關鍵制造技術是通過“來回翻轉、小切削量、多道加工，同時穿插自然時效”的工藝方法，過程中釋放應力，最大限度地消除加工應力對導軌整體精度的影響。

2.4 抓具立柱焊接結構體的加工技術

楔塊自鎖式抓具是一種全新結構形式的抓具。立柱焊接結構體是整個抓具部件的安裝載體，是由1個不銹鋼叉形板和4個不銹鋼半圓型立柱通過卡槽定位焊接為一體的焊接結構件。此焊接構件的設計非常特殊，立柱下部空間沒有任何剛性固定和相互牽制，整體剛度較弱，在焊接過程中極易引起立柱無規律變形（內收、外張或者扭曲），導致焊后整體尺寸超差嚴重；另外，由于剛度和焊接應力的共同影響，機加工過程中伴隨有加工變形發生，從而喪失原有的加工精度。

圖2 伸縮套筒

立柱焊接結構體加工難點在于如何防止焊接變形及焊后如何消除內應力，保證最終加工后尺寸的穩定性。此關鍵制造技術在于采用“設計制作專用夾具工裝，焊后3種應力消除結合，數控坐標定位精密加工”的新工藝方法來控制和預防這種焊接構件的變形，并對其產生的焊接變形進行矯正，以保證整體構件的尺寸穩定性及最終機加工精度的準確性。

3 創新性和先進性

3.1 制造關鍵技術創新點

3.1.1 主起升鋼絲繩卷筒結構優化

將主起升鋼絲繩卷筒左右捻繩槽有效圈數各增加2圈，鋼絲繩壓板安裝孔順繩槽螺旋線方向布置。首次從設計和制造加工上徹底解決了鋼絲繩纏繞圈數和鋼絲繩頭壓板安裝孔的布置問題，加強了鋼絲繩的防滑作用，滿足起升高度有效行程的要求[4]。

3.1.2 懸吊頭結構改進

將懸吊頭整體組焊結構改為3個精加工零件通過機械裝配連接的結構形式。解決了因整體焊后機加工形狀和定位公差尺寸不穩定而導致的最終組裝困難問題。

將懸吊頭上支板下方吊耳由焊接結構改為止口公差定位、螺栓固定裝配為一體結構。解決了焊后整體加工困難的問題，同時也提高了整體的同心度。

3.2 調試關鍵技術創新點

3.2.1 試驗用模擬燃料組件的自主設計制造與應用

根據小堆堆型燃料組件的相關技術參數，針對公司以往使用的模擬燃料組件的缺陷，設計開發全新的模擬燃料組件。該模擬組件結構更簡化合理，降低加工難度并減少制造工序，易保證尺寸及形位公差，且整體外觀更為美觀，解決了裝卸料機在調試過程中需要使用模擬燃料組件來完成的相關試驗項目。

圖3 主起升鋼絲繩卷筒

3.2.2 新型帶針試驗裝置自主設計制作與應用

針對新型楔塊式抓具的結構特點，自主設計制作了一套新式可拆卸、精度高的帶針試驗裝置。該裝置利用抓具本體的上法蘭作為載體，設計簡單、合理、緊湊且易安裝，解決了裝卸料機所有試驗項目中最難的對中精度試驗和回轉精度試驗問題。

圖4 小堆模擬燃料組件

4 結論

小堆裝卸料機的成功研制，為后續項目市場承攬打下堅實的基礎。此次研制的成功，解決了多項重要技術難點，是對“ACP100小堆”技術國產化的有力支持，將創造良好的經濟效益和顯著的社會效益。

核燃料裝卸與貯存系統（PMC系統）承擔著核電廠核燃料組件裝卸與儲存的重要功能，是核電廠實現帶核運行的一項前提條件，現已引起越來越多的關注，專業化程度也越來越高。小堆裝卸料機的成功研制，對于推動核電安全發展和自主創新具有重要意義[5]。