核電站裝卸料機抓具脫扣功能失效分析1)

(中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300)

裝卸料機是壓水堆核電站停堆換料的關鍵設備之一，它的基本功能是在反應堆首次裝料或換料大修時裝卸燃料組件，以及在堆芯與燃料轉運系統之間運輸燃料組件。裝卸料機類似于移動式起重機，包括一臺移動橋架、一臺運行小車和一套帶抓具的伸縮套筒，抓具連接在伸縮套筒下端，通過氣動回路控制燃料組件的抓取和釋放[1]。由于操作對象是燃料組件，裝卸料機抓具必須對中準確、自鎖可靠、脫扣嚙合靈活，其可靠性對于核電站裝換料的安全性具有重要意義。

根據核電站運行經驗反饋信息，國內核電站曾發生過多次燃料組件無法脫扣的故障，直接影響了機組的換料大修。本文以秦山核電站M310機組的裝卸料機抓具及驅動回路為例，對歷次大修出現的脫扣功能失效故障進行原因分析，并提出相應的改進措施。

1 裝卸料機抓具脫扣原理

1.1 氣動控制脫扣[2]

為了實現可靠的抓具控制，裝卸料機在功能和結構設計上采用氣動控制和應急手動兩種操作方式，正常操作方式為氣動控制，該控制回路由驅動氣缸、雙位控制閥、雙軟管氣管卷筒等部件組成，見圖1。伸縮套筒內部氣缸是往復式結構，兩端設置進/出氣孔連接氣管，由雙位控制閥切換進出氣方向，驅動氣缸中的活塞桿運動，并通過連接管將氣缸的動作傳遞給下方的抓具。

操作員按下抓具脫扣按鈕，進氣電磁閥打開，壓縮空氣通過供氣管進入氣缸，驅動活塞向上運動。當氣缸動作時，控制桿帶動抓具控制套筒向上運動，爪鉤向內收縮完成抓具與燃料組件脫扣。

圖1 裝卸料機抓具驅動回路結構圖

1.2 手動應急脫扣

手動應急脫扣工具在裝卸料機正常運行時不需要安裝，只有在氣動無法正常實現抓具釋放燃料組件時，將工具從塔架下層檢修窗口安裝于伸縮套筒內，齒輪輪廓的工具頭部與連接管的齒輪配合，通過扭轉工具帶動套筒內的齒輪機構，驅使連接管及抓具驅動叉桿旋轉，實現抓爪控制套筒的向上運動，從而實現抓具的手動脫扣。

1.3 抓具脫扣動作原理

裝卸料機將燃料組件移動至指定位置，通過伸縮套筒將燃料組件降至支承物上。只有在燃料組件放置平穩無歪斜的情況下，才能落下夾緊套筒，直至上聯鎖板的凹槽對準聯鎖滾柱，自鎖機構解除，聯鎖滾柱可在下聯鎖板的推動下向外移動至上聯鎖板的凹槽中。此時操作壓縮空氣驅動氣缸活塞上移，螺桿帶動滑動套筒和控制套筒一起上升，控制套筒的法蘭通過抓爪上部的斜面將四個鉤爪向內收縮，從而完成釋放動作。

2 問題描述

燃料組件無法脫扣故障是指在裝卸料過程中，裝卸料機抓取燃料組件在堆芯或燃料轉運裝置傾翻機承載器中就位準備脫扣時，由于某種故障原因導致抓具氣動脫扣功能失效，進一步的情況，當應急脫開機構也發生故障時，將導致抓具與燃料組件無法脫扣，此時正常的燃料操作程序無法繼續進行。秦山核電站M310機組歷次大修中，抓具與燃料組件無法脫扣典型故障見表1。

表1 抓具與燃料組件無法脫扣典型故障

根據結構特性和秦山核電站M310機組此類設備的歷史運行情況，抓具運動部件接觸面卡澀及氣動驅動回路部件失效是導致燃料組件無法脫扣故障的主要因素。同時，抓具與燃料組件對中度、氣缸支撐法蘭中心孔與活塞連接軸接觸面等也存在一定的失效風險。

3 原因分析

3.1 抓具運動副配合面卡澀

裝卸料機抓具夾緊套筒、聯鎖板和聯鎖滾柱的配合動作實現抓具的聯鎖和解鎖，氣缸帶動滑動套筒、控制套筒的配合動作實現抓爪的張開和閉合。燃料組件在經過一個或多個燃料循環后會產生輻照變形，抓具導向銷進入組件上管座后，側向受力，即夾緊套筒與缸體軸線有趨向不同軸的趨勢。抓具聯鎖板及聯鎖滾柱設置在單一方向，在這種趨勢下，滑動套筒動作時受力不均，且滑動套筒與缸體間配合間隙很小，容易導致滑動套筒動作阻力加大，甚至與缸體卡澀現象。根據故障抓具解體檢查情況，滑動套筒及缸體拉傷部位多位于聯鎖板對側，見圖2。

圖2 抓具滑動套筒外壁接觸面拉傷

方家山核電站機組裝卸料機抓具的聯鎖板、控制套筒、滑動套筒等運動部件均采用0Cr17Ni4Cu4Nb，該材質屬于沉淀硬化馬氏體不銹鋼，具有高強度、高硬度和抗腐蝕等特性，但是防止粘著磨損的性能較差。抓具長時間使用或進行無水干試動作，易造成部件磨損，導致運動副配合面卡澀。聯鎖板與聯鎖滾柱卡澀會導致抓具聯鎖/解鎖功能失效，滑動套筒與缸體卡澀會導致抓具脫扣功能失效。

3.2 驅動氣缸進水和漏氣

裝卸料機驅動氣缸為出軸往復式，通過連接軸驅動抓具進行脫扣動作，以釋放燃料組件。歷次大修多次發生氣缸進水或軸封漏氣故障，導致抓具無法脫扣。一般來說，存在以下因素：

1)氣缸不具備防水功能，在卸料后與裝料前的低低水位期間處于未供氣狀態且長時間浸泡在硼酸水中，由于氣缸內部未建立氣壓，硼酸水通過活塞軸封進入氣缸。一旦硼酸水進入氣缸，容易在缸體內腔形成硼結晶，見圖3，在氣缸往復式動作過程中加速活塞密封的磨損；

2)活塞密封為橡膠材質，在反應堆運行期間處于高輻照、高溫工況下，長時間造成密封老化；

3)氣路系統壓縮空氣中夾雜的粉塵等細小顆粒進入氣缸，加速活塞密封的磨損；

4)氣缸供氣尼龍管老化或折彎損傷，產生細裂縫，硼酸水從裂縫處滲進氣管，產生背壓，導致抓具脫扣動作時活塞上行程不能完全到位。

圖3 氣缸內壁硼結晶

3.3 氣缸活塞連接軸與支撐架法蘭孔卡澀

圖4 氣缸活塞連接軸與支撐架法蘭孔卡澀

氣缸活塞連接軸與支撐架法蘭材質同為0Cr18Ni10Ti，在過定位狀態下連接軸在法蘭孔中直線往復運動時，存在同種不銹鋼材質相對運動接觸面產生拉傷、咬死現象，這是導致氣缸活塞連接軸與支撐架法蘭孔卡澀的根本原因。

3.4 氣路控制閥不動作

氣路控制閥主要包括電磁換向閥、調壓閥和截止閥等，通常造成故障主要有以下因素：

1)反應堆運行期間高輻照、高溫工況下，氣路控制閥內部密封件老化，密封失效導致閥體漏氣;

2)電磁換向閥的控制線路出現故障，導致無電信號不動作；

3)壓縮空氣中夾雜的粉塵等細小顆粒未被完全過濾，堵塞電磁換向閥氣孔，導致閥門動作異常。

3.5 抓具與燃料組件不對中

每次大修卸料前需要對裝卸料機大車零位進行重新標定，操作員通過對大車物理坐標的檢查以及遠程觀察抓具與模擬組件上管座的嚙合情況進行確認。由于輻照后的乏燃料組件會產生不規則的變形，出現上管座相對燃料組件中心的同心度偏差，因此裝卸料期間抓具與燃料組件的對中確認并不能完全參考初始的坐標標定。

同時，裝卸料機大車行走并非同步驅動，運行過程中可能發生大車跑偏現象，而目前沒有監控抓具和燃料組件對中情況的監測設備。當裝卸料機大車存在零位偏差或者運行跑偏情況，結合燃料組件的輻照變形就會出現抓具與燃料組件不對中的現象，導致抓具在脫扣動作過程中滑動套筒受力不均，增加抓具運動部件之間的咬死概率。

3.6 應急脫開機構失效

應急脫開工具帶動裝卸料機套筒內的齒輪機構，旋轉抓具驅動叉桿，實現抓爪控制套筒的上下運動。抓具應急脫開螺桿軸肩尺寸為φ35h8，控制套筒上端軸孔尺寸為φ35F8，理論間隙只有0.025～0.089 mm。兩個零部件均為不銹鋼材質，存在同種材料運動副相對摩擦情況，若配合接觸面光潔度差或殘留雜質，易產生咬死現象。故障抓具解體檢查時均發現兩者配合面存在輕微咬痕。因此，應急脫開螺桿軸肩與控制套筒上部軸孔咬死是導致抓具應急脫開機構失效的根本原因。

4 改進措施

根據以上分析，為消除隱患，應采取針對性對策加以改進，主要關注以下方面并采取相應措施：

4.1 加強抓具解體檢修質量控制

在大修裝料工作結束后應將抓具從裝卸料機上拆除，進行預防性的全面解體檢修，第2年大修卸料前再將抓具安裝到裝卸料機上并確認試驗合格。抓具解體檢修工作需加強以下內容的質量控制：

1)清洗檢查各零部件，處理磨損、拉毛和劃痕等缺陷，各運動副配合面必須滿足光潔度要求;

2)確認鎖緊螺栓、墊片彎折、開口銷等與抓具各運動副配合面無干涉;

3)檢查確認爪鉤的鉤口直角處和附近區域無裂紋或其他異常;

4)檢查抓具鉤爪、導向輪等運動部件動作靈活無卡澀;

5)檢查應急脫開功能完好，螺桿配合面及螺紋副完好;

6)通過抓具試驗臺架對檢修后的抓具進行功能再鑒定，檢查鉤爪張開和閉合的尺寸合格。

4.2 抓具運動部件材質變更

秦二廠1/2號機組裝卸料機抓具的結構與尺寸與方家山核電站較為相似，但是主要部件的材料選擇方面區別較大，其缸體、控制套筒、滑動套筒等運動部件采用的是Cr20Mn10Ni4Si3N不銹鋼，聯鎖板、聯鎖滾柱和螺桿采用的是0Cr17Ni7Al不銹鋼。Cr20Mn10Ni4Si3N不銹鋼添加了Mn和Si元素，在防粘著磨損性能方面較普通Cr-Ni不銹鋼有一定的優勢。因抓具負載約700 kg，對強度要求不高，且抓具故障多為運動副配合面咬合所致，因此抓具運動部件材質選用Cr20Mn10Ni4Si3N抗咬合材料，能在現有結構基礎上提升抓具的可靠性及耐久性。

4.3 優化氣路驅動系統維修大綱

1)每次裝卸料前對氣路驅動系統進行重點檢查，包括氣管接頭和氣缸軸封部位的檢漏及電磁換向閥和氣缸的動作試驗，發現漏氣、卡澀等缺陷及時處理；

2)每四個燃料循環對裝卸料機氣缸及相連尼龍管、接頭進行預防性更換；

3)每六個燃料循環對大小車、主提升氣路系統的氣管進行預防性更換；

4)卸料完成后的低低水位期間，操作主提升上升至零標高，避免氣缸長時間浸泡在硼酸水中。

4.4 氣缸支撐架法蘭孔結構改造

將氣缸支撐架法蘭孔尺寸適當擴大，由φ35H10變更為φ47，并在孔中鑲嵌材料為QSn7-0.2的銅套過渡，法蘭與銅套過盈配合0.05 mm，兩者之間使用騎縫螺釘連接并點焊處理。最終避免裝卸料機氣缸活塞連接軸與支撐架法蘭的直接接觸，改善該結構的抗咬合性。

4.5 增設抓具與燃料組件對中檢查裝置

增設反應堆廠房傾翻機位置可移動式的水下電視裝置，裝卸料期間對抓具的對中情況進行實時觀察及檢查，確保整個裝卸料期間抓具與燃料組件的對中度符合要求。

研制抓具對中檢查裝置，在卸料前燃料轉運裝置傾翻機垂直度檢查過程中，將抓具對中裝置安裝在傾翻機的承載器喇叭口，下降裝卸料機伸縮套筒，確認抓具定位銷與裝置定位銷孔對中完好并標定坐標，避免裝卸料機大車初始零位出現偏差。

5 結束語

本文對秦山核電站M310堆型歷次大修出現的裝卸料機抓具無法脫扣故障進行了原因分析，并制定了具有針對性的應對措施。通過采用這些改進和控制措施，秦山核電站在近幾次大修中，裝卸料機未再出現過抓具無法脫扣的故障現象，證明相關分析及所采取的應對措施起到了良好的效果，同時也為裝卸料機類似故障的判斷和處理提供了借鑒和參考。