堆芯裝料機(jī)燃料操作難點(diǎn)分析及處理措施

于春寧 鄧寅生

摘要：堆芯加載是核電站每次換料大修關(guān)鍵路徑中的重要環(huán)節(jié)。安全高效的堆芯裝料不僅是核電站穩(wěn)定、安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的前提，也是保證堆芯安全和第一道放射性屏障完整性的重要環(huán)節(jié)。本文僅考慮裝卸機(jī)械的運(yùn)行對(duì)裝載的影響，對(duì)燃油抓斗、擺式機(jī)械和轉(zhuǎn)車(chē)性能對(duì)裝載的影響進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：堆芯裝載機(jī)燃料;操作難度;分析治療措施;研究

1裝載困難分析

1.1裝卸機(jī)定位精度超差

1.1.1大型汽車(chē)編碼器的計(jì)數(shù)精度

在裝載過(guò)程中，裝卸機(jī)一般采用半自動(dòng)模式運(yùn)行，在此模式下裝卸機(jī)通過(guò)編碼器反饋給可編程邏輯控制器（PLC）控制系統(tǒng)，編碼器通過(guò)齒輪和齒條在軌道上嚙合旋轉(zhuǎn)進(jìn)行位置信號(hào)反饋。編碼器和裝載機(jī)小車(chē)的實(shí)際距離之間存在線性關(guān)系，通過(guò)系數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償。調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)編碼器在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)跳檔、測(cè)量數(shù)據(jù)漂移等故障。附加裝載機(jī)的大車(chē)跨度較大，雖然采用雙邊主從驅(qū)動(dòng)方式，但由于制造、調(diào)試、安裝等過(guò)程中的偏差，裝載機(jī)的實(shí)際位置與大車(chē)核心部件的理論位置有關(guān)，可能存在偏差，影響裝卸機(jī)定位精度。

1.1.2套管的同心度和垂直度

燃料組件通過(guò)手柄與裝卸機(jī)內(nèi)套筒連接，內(nèi)套筒通過(guò)2根鋼絲繩懸掛在裝卸機(jī)升降機(jī)構(gòu)上，內(nèi)套筒由絞車(chē)上下驅(qū)動(dòng)。外套固定在小車(chē)的甲板上，通過(guò)推力軸承壓在支撐架上;內(nèi)套筒由2根鋼絲繩懸掛在卷筒上。內(nèi)套筒的上下運(yùn)動(dòng)由安裝在外套筒上的7組導(dǎo)向輪引導(dǎo)。導(dǎo)向輪按0°和180°布置。從外套筒底部開(kāi)始，152.4mm成對(duì)排列，間隔1.524m;同時(shí)，在外套筒內(nèi)側(cè)底部安裝了四根長(zhǎng)度為1.42m的燃料組件導(dǎo)桿，它們都分布在45°、135°、225°和315°四個(gè)方向上，為燃料組件和手柄的上下移動(dòng)提供指導(dǎo)。在裝載過(guò)程中，由于堆芯升降過(guò)程中內(nèi)套筒的導(dǎo)向精度，燃料組件會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)和擺動(dòng)，導(dǎo)致機(jī)械部件的振動(dòng)和磨損加劇，容易造成燃料組件及其相鄰部件的刮擦。嚴(yán)重情況下，燃油總成將損壞。因此，外套筒相對(duì)于鐵芯下板的垂直度以及內(nèi)外套的同心度將影響裝卸機(jī)定位精度的精度。

1.2燃料組件的變形

機(jī)組正常運(yùn)行期間，燃料組件經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的輻照，并一直處于高溫高壓、高活性和特殊的水力運(yùn)動(dòng)環(huán)境中，隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，燃料組件的長(zhǎng)度將增加，但受堆芯上限的限制，而鐵芯被燃料組件無(wú)法自由伸長(zhǎng)，最終會(huì)出現(xiàn)燃料組件彎曲、變形。

燃料組件變形的形狀各不相同，因?yàn)槿剂辖M件之間的間隙僅為1.5 mm，燃料組件的變形會(huì)擠壓相鄰燃料組件或侵占相鄰組件的空間、光線，導(dǎo)致裝卸機(jī)過(guò)載或欠載故障報(bào)警，或?qū)е氯剂辖M件相互干擾掛鉤，燃料組件擠壓損壞，影響充電大修持續(xù)時(shí)間，嚴(yán)重時(shí)甚至可能導(dǎo)致核安全事故。

2堆芯機(jī)操作困難的處理措施

2.1裝卸機(jī)定位精度超差驗(yàn)證及處理措施

2.1.1.大型汽車(chē)編碼器定位精度驗(yàn)證與調(diào)整

除編碼器定位外，裝卸機(jī)還采用物理尺和指針定位。因此，可以使用物理刻度和指針來(lái)驗(yàn)證編碼器的定位精度。具體方法如下：在堆芯H8位置選擇作為裝卸機(jī)零點(diǎn)（原點(diǎn)），并在橋架、小車(chē)軌道井位置標(biāo)記線，每天連續(xù)1班后將裝卸機(jī)定位到零位，確認(rèn)指針與標(biāo)記線是否對(duì)齊，因此，如果編碼器接口可以設(shè)置任何錯(cuò)誤，則確認(rèn)編碼器的錯(cuò)誤位置，以修改編碼器的測(cè)量值。

2.1.2.外套管垂直度的校核和調(diào)整

可通過(guò)將鉛錘懸掛在0°、90°、180°和270°的外套筒外壁上，并在外壁上選擇至少三個(gè)位置測(cè)量外套筒與鉛錘線之間的距離來(lái)驗(yàn)證外套筒的垂直度，滿足設(shè)計(jì)和安裝文件的要求（≤4.76毫米）。如果垂直度不符合要求，可通過(guò)增減裝卸機(jī)小車(chē)甲板上的支撐墊片來(lái)調(diào)整外套的垂直度。

2.1.3內(nèi)外套筒同心度的調(diào)整

通過(guò)內(nèi)套筒全行程運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)，將激光發(fā)射器固定在夾具定位銷(xiāo)上，驗(yàn)證內(nèi)外套筒的同心度，形成的光斑必須在φ4mm圓內(nèi)。如果同心度不符合要求，可通過(guò)調(diào)整導(dǎo)向輪和導(dǎo)向桿之間的間隙以及調(diào)整提升機(jī)構(gòu)提升支架的高度來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.2構(gòu)件變形處理措施

2.2.1燃料組件旋轉(zhuǎn)加載

當(dāng)燃料組件的變形方向朝向開(kāi)放區(qū)域時(shí)，可通過(guò)旋轉(zhuǎn)裝卸機(jī)套筒將燃料組件旋轉(zhuǎn)到一定角度，以達(dá)到組件順利插入的目的。

2.2.2燃料組件擴(kuò)展操作

燃料組件在堆芯銷(xiāo)上就位時(shí)，由于輻照變形或相鄰燃料組件的擠壓而出現(xiàn)一定程度的傾斜，這會(huì)占用其他燃料組件的空間，導(dǎo)致后續(xù)燃料組件的加載受到周?chē)M件的干擾而加載，現(xiàn)在需要傾斜反向驅(qū)動(dòng)膨脹的燃料組件，當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，夾具可以重新定位在傾斜部件上。根據(jù)燃料組件的實(shí)際傾斜，裝載車(chē)或小車(chē)可以移動(dòng)到標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)方向，傾斜的燃料組件可以推到標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)方向，最多可以推展開(kāi)方向的第二組燃料組件和第三組燃料組件。

據(jù)調(diào)查，中國(guó)同行業(yè)的核電廠都為此配備了堆芯膨脹工具。堆芯膨脹工具可以在關(guān)閉狀態(tài)下進(jìn)入要加載的燃料位置，操作堆芯膨脹工具打開(kāi)，使傾斜部件可以移動(dòng)到標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)，而不會(huì)損壞相鄰的燃料部件。

2.2.3燃料組件導(dǎo)向裝置（行李箱頂部）充電

燃料組件和堆芯下板由兩個(gè)180°對(duì)稱布置的定位銷(xiāo)定位。燃料組件下管座定位孔直徑22.2mm，堆芯下板定位銷(xiāo)直徑21.5mm。在不考慮燃料組件刮擦等因素的情況下，裝卸機(jī)的最大偏移量允許為11mm。當(dāng)燃料組件的變形超過(guò)11mm時(shí)，即使通過(guò)調(diào)整坐標(biāo)進(jìn)行加載，燃料組件仍不能插入堆芯下板的定位銷(xiāo)中，裝載機(jī)坐標(biāo)的過(guò)度調(diào)整將導(dǎo)致燃料組件擠壓，并增加燃料刮擦的風(fēng)險(xiǎn)。為了解決這一問(wèn)題，需要將燃料組件導(dǎo)向裝置（小靴頂）放置在堆芯底板上，為扭曲的燃料組件和堆芯底板定位銷(xiāo)提供導(dǎo)向，以實(shí)現(xiàn)燃料組件的順利裝載和放置。雖然燃料組件的變形程度和變形方向是隨機(jī)的，但一般認(rèn)為每個(gè)乏燃料組件在大修和加載時(shí)都會(huì)發(fā)生變形，這種變形不利于燃料組件的加載。因此，國(guó)內(nèi)同行優(yōu)先考慮在裝載每個(gè)乏燃料組件之前放置小防塵套。

小靴頂通常用作堆芯裝載的輔助工具，用于燃料組件的輔助導(dǎo)向。小鞋頂加載法是一種安全、高效、操作簡(jiǎn)單且不占用變形裝配加載法關(guān)鍵路徑的加載方法。

2.2.4修改的材料步驟順序（跳躍步驟）

目前，三門(mén)核電站堆芯加載方式為“蛇型”。在后期充電中，大部分堆芯空間已被燃料組件占據(jù)，因?yàn)樵谑褂萌剂辖M件的位置時(shí)，L型小靴幫助占據(jù)了大約3個(gè)空間，堆芯沒(méi)有足夠的空間放置L型小靴幫助，單型和小靴幫助只能提供一個(gè)引導(dǎo)面，使用上述方法仍可以將燃料組件的一部分安裝到位。此時(shí)，只能選擇“跳過(guò)”操作來(lái)修改物料步驟順序。然而，每次換料大修前，堆芯燃料組件的裝載設(shè)計(jì)主要考慮堆芯燃料組件的濃縮程度、運(yùn)行時(shí)間、反應(yīng)性控制等因素。因此，“跳過(guò)”操作只能在核心核物理學(xué)家計(jì)算后進(jìn)行，以確保核安全和控制。

2.3增加部件變形測(cè)量裝置

由于燃料組件的隨機(jī)變形和強(qiáng)烈的水下熱擾動(dòng)，很難通過(guò)目測(cè)直接判斷燃料組件的變形量和變形方向，這給堆芯載荷帶來(lái)了很大的不確定性。然而，如果在加載鐵芯時(shí)添加部件變形測(cè)量裝置，則可以預(yù)先測(cè)量部件變形方向和變形量。根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和堆芯加載方案，分析燃料組件加載方式（是否可以直接就位，是否需要旋轉(zhuǎn)外套和提前改變加載步驟等），以及組件變形方式，變形量和變形位置標(biāo)記在加載步驟列表中。通過(guò)預(yù)先分析、判斷和制定相應(yīng)的處理措施，可最大限度地縮短檢修裝車(chē)周期，降低裝車(chē)難度。

3結(jié)論

綜上所述，在使用裝載機(jī)操作燃料組件的過(guò)程中，影響裝載的主要因素是裝載機(jī)的定位精度和燃料組件的變形。由于裝卸機(jī)的定位精度主要是在設(shè)備調(diào)試期間確定的，其次是機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件之間的磨損引起的相關(guān)部件之間的精度變化對(duì)定位精度造成的影響，但可以通過(guò)調(diào)整坐標(biāo)、調(diào)整或更換部件，包括定位精度對(duì)載荷的影響要盡量減小。

參考文獻(xiàn)

[1]汪寧遠(yuǎn)，李然，劉義保，楊靈芳，楊波.基于MOX燃料組件的177混合堆芯裝料方案數(shù)值研究[J].核動(dòng)力工程，2018，39（04）：6-10.