本文摘要：摘要反應(yīng)堆壓力容器通過固定、包容堆芯及內(nèi)部構(gòu)件，將核燃料的裂變反應(yīng)限制在一個(gè)密封的空間內(nèi)進(jìn)行，是電廠的重要設(shè)備之一，其完整性也直接影響到核電廠的安全運(yùn)行。為了確保反應(yīng)堆壓力容器的完整性，需對(duì)反應(yīng)堆壓力容器主螺栓、主螺栓孔的螺紋表面進(jìn)行清洗
摘要反應(yīng)堆壓力容器通過固定、包容堆芯及內(nèi)部構(gòu)件，將核燃料的裂變反應(yīng)限制在一個(gè)密封的空間內(nèi)進(jìn)行，是電廠的重要設(shè)備之一，其完整性也直接影響到核電廠的安全運(yùn)行。為了確保反應(yīng)堆壓力容器的完整性，需對(duì)反應(yīng)堆壓力容器主螺栓、主螺栓孔的螺紋表面進(jìn)行清洗，清除螺紋表面殘留的防咬合劑及其他雜物，本文研制了一套自動(dòng)清洗設(shè)備，對(duì)主螺栓螺紋、主螺母進(jìn)行清洗以及相關(guān)維修工作，以確保壓力容器的使用安全可靠。現(xiàn)場運(yùn)行結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)清洗機(jī)自動(dòng)化程度高、運(yùn)行穩(wěn)定可靠，具有很好的清洗效果。
關(guān)鍵詞：清洗機(jī)，自動(dòng)，反應(yīng)堆，壓力容器，主螺栓，主螺母
壓力容器方向評(píng)職知識(shí)：壓力容器師發(fā)表論文的期刊
《化工設(shè)備與管道》(雙月刊)創(chuàng)刊于1964年，由全國化工設(shè)備設(shè)計(jì)技術(shù)中心站、全國化工、工藝配管設(shè)計(jì)技術(shù)中心站聯(lián)合主辦。為全國性專業(yè)雜志，讀者對(duì)象為石油、化工、石化、醫(yī)藥、輕工等部門工程設(shè)計(jì)，使用維護(hù)，工程建設(shè)，高等教育等有關(guān)技術(shù)人員。本刊向國內(nèi)外公開發(fā)行，發(fā)行量大，影響面廣。獲獎(jiǎng)情況：上海市優(yōu)秀期刊三等獎(jiǎng);化工部優(yōu)秀期刊三等獎(jiǎng)。
0引言
反應(yīng)堆壓力容器(RPV)作為壓水堆核電廠的關(guān)鍵設(shè)備之一，是核反應(yīng)堆的核心部件，具有容納反應(yīng)堆的堆芯、內(nèi)部構(gòu)件，以及支撐控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和堆頂結(jié)構(gòu)等功能，屬于安全1級(jí)、質(zhì)量1級(jí)、抗震1類和質(zhì)量保證1級(jí)的設(shè)備[1-4];反應(yīng)堆壓力容器還與一回路管道共同組成高壓冷卻水的壓力邊界，是放射性安全防護(hù)的第二道重要屏障。
在核電廠運(yùn)行過程中，壓力容器主螺栓是保證壓力容器密封和防止冷卻劑泄漏的重要部件，其連接螺紋長期在高溫、高應(yīng)力及不同工況的循環(huán)載荷下工作，極易發(fā)生疲勞損傷，而且壓力容器在整個(gè)壽命期內(nèi)需要進(jìn)行多次開/關(guān)蓋操作，主螺栓也需要多次拆卸/安裝，螺栓的完整性直接影響到核電廠的安全運(yùn)行[5]，因此，對(duì)壓力容器主螺栓的清洗及檢修具有十分重要的意義。反應(yīng)堆壓力容器主螺栓螺母自動(dòng)清洗機(jī)(以下簡稱清洗機(jī))主要用于清洗主螺栓三段螺紋部分、中心孔、主螺母及其螺紋，清除螺紋表面殘留的防咬合劑以及其他雜物，并對(duì)主螺栓螺母完成風(fēng)干及上油工作。
此外，清洗機(jī)在檢修清洗時(shí)絲毫不能損傷螺紋，主螺栓在自動(dòng)清洗完成后可進(jìn)行后續(xù)的渦流探傷和檢查相關(guān)維修活動(dòng)工作，以確保壓力容器長期處于安全可靠的狀態(tài)[6-8]。目前，國外已有類似的反應(yīng)堆壓力容器主螺栓螺母清洗機(jī)產(chǎn)品，我國核電廠大多采用從國外進(jìn)口的清洗機(jī)或人工對(duì)主螺栓螺母進(jìn)行清洗，對(duì)此，本文研制了一種高效、可精確定位的自動(dòng)清洗機(jī)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)該主螺栓螺母的自動(dòng)清洗，這不僅提高了清洗效率，還對(duì)降低現(xiàn)場維修人員的輻射受照劑量具有重要意義[9-10]。
1功能要求
本文研制的清洗機(jī)的功能要求包括：1)清洗機(jī)主體結(jié)構(gòu)應(yīng)設(shè)計(jì)緊湊，對(duì)主螺栓進(jìn)行臥式清洗，清洗機(jī)工作時(shí)不得對(duì)主螺栓螺母及其螺紋造成機(jī)械損傷;2)主螺栓采用清洗液濕法清洗;3)清洗機(jī)可實(shí)現(xiàn)對(duì)單根主螺栓的全自動(dòng)清洗或者手控半自動(dòng)清洗，可通過手動(dòng)/自動(dòng)切換進(jìn)行，并可對(duì)清洗過程進(jìn)行詳細(xì)設(shè)置;4)在自動(dòng)方式下，完成單根主螺栓的清洗時(shí)間不超過10min;5)廢物收集箱應(yīng)有足夠的空間以容納廢液/廢渣，在主螺栓清洗過程中，允許更換1次廢液收集箱。
2技術(shù)方案
2.1關(guān)鍵技術(shù)
本文研制的清洗機(jī)屬于自動(dòng)化清洗系統(tǒng)，該清洗機(jī)主要解決以下關(guān)鍵技術(shù)：1)清洗技術(shù);2)主螺栓及滾刷的自轉(zhuǎn)和進(jìn)給技術(shù);3)主螺栓翻轉(zhuǎn)及螺母裝拆技術(shù);4)氣動(dòng)與風(fēng)干技術(shù);5)提高系統(tǒng)精度、可靠性、穩(wěn)定性、清洗效率，保障機(jī)械傳動(dòng)、電氣控制、數(shù)據(jù)處理等方面，特別是整體系統(tǒng)的可靠性;控制系統(tǒng)具有自檢功能、故障定位和報(bào)警功能。
2.2技術(shù)路線
清洗機(jī)整體結(jié)構(gòu)主要包括螺栓吊具、螺栓翻轉(zhuǎn)裝置、螺母拆卸裝置、螺栓清洗系統(tǒng)、螺母清洗系統(tǒng)、清洗液循環(huán)系統(tǒng)、氣動(dòng)及排風(fēng)系統(tǒng)、上油系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)，另外有在吊裝、裝夾、翻轉(zhuǎn)螺栓時(shí)使用的專用工具及控制設(shè)備。
2.2.1主螺栓翻轉(zhuǎn)及主螺母裝拆技術(shù)
螺栓翻轉(zhuǎn)裝置主要由翻轉(zhuǎn)架、蝸輪蝸桿傳動(dòng)裝置、手輪、定位卡環(huán)、保持架等部件組成，其功能是使螺栓從垂直狀態(tài)翻轉(zhuǎn)成水平狀態(tài)，或從水平狀態(tài)翻轉(zhuǎn)到垂直狀態(tài)，以便吊裝螺栓。主螺栓由吊運(yùn)工具豎直吊運(yùn)到翻轉(zhuǎn)架保持架內(nèi)固定，由于蝸輪蝸桿的傳動(dòng)設(shè)計(jì)具有自鎖功能，可保證主螺栓固定在豎直或水平的工作位置上。本文通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)蝸輪蝸桿傳動(dòng)裝置將主螺栓轉(zhuǎn)動(dòng)90°至螺母拆卸裝置的螺母支撐架后停止旋轉(zhuǎn)，蝸輪蝸桿裝置旁邊配有手輪，可對(duì)螺栓的翻轉(zhuǎn)架進(jìn)行微調(diào)。同時(shí)，在翻轉(zhuǎn)架上有螺栓重心及吊具吊點(diǎn)位置標(biāo)記，螺栓保持架可手動(dòng)開合，通過與主螺栓吊具配合，較容易實(shí)現(xiàn)主螺栓水平吊運(yùn)。
該裝置可從主螺栓上對(duì)主螺母進(jìn)行拆卸或者安裝，其結(jié)構(gòu)主要包括工作臺(tái)、螺母支撐架、螺母拆卸小車等。當(dāng)主螺栓翻轉(zhuǎn)成水平狀態(tài)時(shí)，主螺母搭靠在螺母支撐架上，拆卸小車的齒輪與主螺母外齒嚙合，再啟動(dòng)拆卸小車電機(jī)旋轉(zhuǎn)主螺母使之脫離主螺栓。螺母拆卸裝置上的支撐輪、擋塊及齒輪均采用尼龍材料制作而成，可有效保護(hù)主螺母免受磕碰損傷。
2.2.2螺栓清洗系統(tǒng)
螺栓清洗系統(tǒng)主要包括清洗箱、推拉蓋、密封圈、中心孔清洗組件、清洗刷組件、噴液組件、吹風(fēng)組件、吊耳等，此外，清洗液循環(huán)系統(tǒng)、氣動(dòng)及排風(fēng)系統(tǒng)、部分電氣系統(tǒng)也安裝在主螺栓清洗單元中。螺栓側(cè)面設(shè)有采用變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)的清洗刷組件，清洗刷與螺栓的離合通過氣缸來實(shí)現(xiàn)。清洗箱內(nèi)設(shè)有噴灑清洗液的噴管及空氣噴管，高速噴射的液體用來沖洗清除螺栓表面污垢及雜物，射出的高速氣流用來吹干螺栓并進(jìn)一步清潔螺栓表面。清洗箱與箱蓋之間安裝有密封圈，箱蓋關(guān)上后，可防止密封箱內(nèi)氣體、液體的泄漏，箱蓋可自動(dòng)翻轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)開啟或閉合，箱蓋兩側(cè)設(shè)有箱蓋閉合傳感器，可監(jiān)控箱蓋的狀態(tài)及到位情況，當(dāng)箱門閉合后，噴液組件及吹風(fēng)組件分別對(duì)主螺栓及螺栓孔進(jìn)行噴液清洗和風(fēng)干工作。
2.2.3螺母清洗系統(tǒng)
螺母清洗系統(tǒng)與螺栓清洗系統(tǒng)在清洗機(jī)機(jī)架內(nèi)組合成一體。電機(jī)減速箱設(shè)在螺母清洗箱底部，與支撐轉(zhuǎn)盤相連用于放置螺母，以及帶動(dòng)螺母低速旋轉(zhuǎn);滾刷驅(qū)動(dòng)頭通過氣動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)外表面清洗刷、螺孔清洗刷高速旋轉(zhuǎn)以清洗主螺母的螺紋面和外表面;系統(tǒng)可通過調(diào)節(jié)供氣壓力來調(diào)整清洗刷的轉(zhuǎn)速;清洗刷的升降運(yùn)動(dòng)由無桿氣缸傳動(dòng)。
2.2.4滾刷的自轉(zhuǎn)技術(shù)及進(jìn)給技術(shù)
滾刷組件由其端部變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，經(jīng)皮帶使得滾刷轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)滾輪的無級(jí)調(diào)速。根據(jù)不同的清洗工藝參數(shù)，選擇相應(yīng)的轉(zhuǎn)速，可以提高清洗效率及清潔度。滾輪進(jìn)給動(dòng)作裝置由滾刷軸端箱體外側(cè)面的氣缸實(shí)現(xiàn)，通過調(diào)整氣缸前端擺桿的擺角可調(diào)節(jié)滾刷的進(jìn)給量，根據(jù)不同的被清洗件表面狀況和毛刷磨損情況改變毛刷進(jìn)給量，滾刷的進(jìn)給量可通過滾刷擺桿上的調(diào)節(jié)螺釘進(jìn)行微調(diào)，保證清洗效果。清洗完畢后，氣缸拉動(dòng)滾刷離開主螺栓。
2.2.5主螺栓的自轉(zhuǎn)技術(shù)
主螺栓平放在滾輪上，由前后兩對(duì)滾輪保證其軸線準(zhǔn)確定位，滾輪可繞其自身軸線自由轉(zhuǎn)動(dòng)。在主螺栓頭部將驅(qū)動(dòng)頭水平推入并與螺栓花鍵槽嚙合。驅(qū)動(dòng)頭中心開有導(dǎo)流孔，用于實(shí)現(xiàn)中心孔的清洗和吹干時(shí)排氣、排水引流。變頻電機(jī)經(jīng)皮帶與滑動(dòng)驅(qū)動(dòng)頭接頭相連，主螺栓以較低的速度轉(zhuǎn)動(dòng)，根據(jù)不同的清洗工藝參數(shù)，選擇相應(yīng)的轉(zhuǎn)速，可以提高清洗效率及清潔度。
2.2.6氣動(dòng)及風(fēng)干技術(shù)
氣動(dòng)及風(fēng)干技術(shù)分為送風(fēng)部分和排風(fēng)部分。其中，送風(fēng)部分主要是利用壓縮空氣的高速射流，清除殘附雜質(zhì)并將清洗后的主螺栓及主螺母表面的清洗液吹干;排風(fēng)部分的功能是在吹干過程中，可連續(xù)地將螺母清洗系統(tǒng)和螺栓清洗系統(tǒng)內(nèi)可能含有放射性微塵的濕空氣抽出來，并經(jīng)過濾后排至熱檢修車間的空氣處理系統(tǒng)中。
2.3系統(tǒng)設(shè)計(jì)
清洗機(jī)的螺栓清洗系統(tǒng)主要由箱體、密封門、主螺栓自轉(zhuǎn)傳動(dòng)系統(tǒng)、滾刷自轉(zhuǎn)傳動(dòng)系統(tǒng)、滾刷進(jìn)給組件、噴液清洗組件、吹干組件、主螺栓中心孔沖洗組件等組成;螺母清洗系統(tǒng)主要由箱體、電機(jī)減速箱、滾刷驅(qū)動(dòng)頭、外表面清洗刷、螺孔清洗刷、螺母內(nèi)外表面清洗液噴管和空氣噴管等部件組成。
2.3.1機(jī)械系統(tǒng)
清洗組件分為螺栓清洗系統(tǒng)和螺母清洗系統(tǒng)，主要是對(duì)主螺栓螺母表面螺紋進(jìn)行清洗。自轉(zhuǎn)及進(jìn)給組件主要是完成主螺栓轉(zhuǎn)動(dòng)、調(diào)節(jié)滾刷的進(jìn)給量，根據(jù)不同的被清洗件表面狀況和毛刷磨損情況改變毛刷進(jìn)給量，保證清洗效果。主螺栓翻轉(zhuǎn)及主螺母裝拆組件主要實(shí)現(xiàn)主螺栓螺母的安裝與拆卸功能。廢液收集組件由吸液系統(tǒng)和過濾系統(tǒng)組成，主要對(duì)工作中產(chǎn)生的廢液和廢物進(jìn)行收集。
2.3.2電氣控制系統(tǒng)
清洗機(jī)電氣控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互、電氣控制、狀態(tài)顯示等功能。其主控系統(tǒng)采用西門子S7-200系列PLC控制器，該系列PLC已成熟地應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，具有較高的可靠性[11]。
3試驗(yàn)結(jié)果及分析
3.1清洗試驗(yàn)
主螺栓螺母清洗試驗(yàn)主要是用于驗(yàn)證清洗機(jī)清洗系統(tǒng)的自動(dòng)/手動(dòng)功能。將主螺栓螺母組件吊運(yùn)至清洗機(jī)內(nèi)，分別使用自動(dòng)和手動(dòng)控制系統(tǒng)重復(fù)執(zhí)行清洗操作各3次。試驗(yàn)過程中，清洗機(jī)的各項(xiàng)性能滿足以下要求：1)自動(dòng)/手動(dòng)控制系統(tǒng)的各項(xiàng)操作應(yīng)準(zhǔn)確無誤(包括暫停、急停)，未出現(xiàn)控制失靈等異常情況;2)主螺栓及主螺母清洗和風(fēng)干的時(shí)間在要求時(shí)間內(nèi);3)機(jī)箱應(yīng)密封良好，不存在清洗液外漏的現(xiàn)象;4)清洗后，目視檢查，主螺栓組件各表面沒有明顯可見的固狀或漿狀油污，無液滴，沒有殘留任何形狀的可移動(dòng)的金屬屑及其他雜質(zhì)。
3.2清潔度鑒定試驗(yàn)
將試驗(yàn)用的主螺栓螺母組件吊運(yùn)至清洗機(jī)內(nèi)，使用自動(dòng)控制系統(tǒng)執(zhí)行清洗操作1次。清洗后將主螺栓單獨(dú)取下(取主螺栓的過程中不得接觸螺紋段)，使用分別對(duì)應(yīng)于主螺栓三段螺紋的螺紋環(huán)規(guī)對(duì)三段螺紋進(jìn)行檢查;檢查后，取下環(huán)規(guī)，分別用3張白色的百潔布反復(fù)擦拭3個(gè)環(huán)規(guī)內(nèi)螺紋;最后檢查百潔布的干凈程度。試驗(yàn)過程中，各項(xiàng)狀態(tài)均符合以下要求：1)3個(gè)螺紋環(huán)規(guī)均可以在各自螺紋的任意位置轉(zhuǎn)動(dòng)自如，無任何卡澀現(xiàn)象;2)檢查使用過的3張白色百潔布，無黑色或灰色等明顯的雜質(zhì)。
4結(jié)論
1)本清洗機(jī)系統(tǒng)經(jīng)試驗(yàn)檢查，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到功能設(shè)計(jì)要求;2)清洗效果和試驗(yàn)運(yùn)行結(jié)果表明，清洗機(jī)系統(tǒng)的自動(dòng)化程度高、穩(wěn)定可靠、完全能夠滿足反應(yīng)堆壓力容器螺栓的清洗要求，可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)核電設(shè)備的智能化、國產(chǎn)化;3)本清洗機(jī)極大地提高清洗工作效率，顯著降低現(xiàn)場維修人員的輻射受照劑量，可實(shí)現(xiàn)核電站輻射防護(hù)最優(yōu)化的目標(biāo)。
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