裝卸料機(jī)國產(chǎn)化實(shí)踐與推廣

袁 巍 李 均 葉陽春 周 洋（中國核電工程有限公司，北京 100840）

0 引言

裝卸料機(jī)是壓水堆核電站反應(yīng)堆廠房的重要裝卸料操作設(shè)備。 它位于反應(yīng)堆水池和換料水池的上方，實(shí)現(xiàn)將新燃料組件裝入反應(yīng)堆壓力容器內(nèi)，將乏燃料組件從反應(yīng)堆壓力容器內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)至換料水池中燃料轉(zhuǎn)運(yùn)裝置上的操作。裝卸料機(jī)不僅作為燃料轉(zhuǎn)運(yùn)的設(shè)備，還作為燃料組件檢查、控制棒鎖緊與解鎖操作的平臺(tái)為停堆換料操作提供更多的輔助工作[1]。

裝卸料機(jī)的重要性在于它是核電站每次停堆換料在堆芯操作燃料組件的唯一設(shè)備，而且占用停堆換料的主線時(shí)間。 裝卸料機(jī)設(shè)備的操作性、穩(wěn)定性和可靠性直接影響到核電站停堆換料總時(shí)長。對(duì)于核電站來說，通過控制裝卸料機(jī)換料操作的總時(shí)長，縮短停堆換料時(shí)間，增加核電站發(fā)電時(shí)間，其重要性也就不言而喻了。

裝卸料機(jī)自我國新建第一座壓水堆核電站就開始了國產(chǎn)化之路。 后續(xù)經(jīng)過自行設(shè)計(jì)的60 萬千瓦機(jī)組核電站裝卸料機(jī)的研發(fā)，逐步實(shí)現(xiàn)了裝卸料機(jī)的國產(chǎn)化。 隨著使用者要求的變化，裝卸料機(jī)國產(chǎn)化過程也經(jīng)歷了一段曲折。 在M310 堆型的核電站中，部分核電站認(rèn)為國產(chǎn)化裝卸料機(jī)還存在一些問題，相繼采購了國外設(shè)計(jì)的裝卸料機(jī)。國內(nèi)裝卸料機(jī)設(shè)計(jì)單位獲知此情況后，積極投入研發(fā)力量，對(duì)裝卸料機(jī)進(jìn)行持續(xù)性改進(jìn)。 隨著華龍一號(hào)核電站的建設(shè)，裝卸料機(jī)國產(chǎn)化又進(jìn)一步加快了步伐[2]。

裝卸料機(jī)國產(chǎn)化對(duì)于中國高速發(fā)展的科技與經(jīng)濟(jì)水平已經(jīng)不是一件困難的事情。設(shè)備的國產(chǎn)化能夠滿足國內(nèi)核電站發(fā)展的需要，同時(shí)也能為現(xiàn)有核電站中的設(shè)備提供良好的技術(shù)保障和維修服務(wù)。隨著新的國產(chǎn)化設(shè)備的使用，對(duì)于較早設(shè)計(jì)制造的裝卸料機(jī)也迎來了設(shè)備的更新?lián)Q代，設(shè)備的升級(jí)改造也會(huì)得益于國產(chǎn)化設(shè)備的進(jìn)步。

1 裝卸料機(jī)設(shè)備國產(chǎn)化指導(dǎo)思想

國產(chǎn)化裝卸料機(jī)的進(jìn)程是一步步實(shí)現(xiàn)的。 為提高國產(chǎn)化裝卸料機(jī)的性能和安全水平， 就應(yīng)對(duì)現(xiàn)有核電站設(shè)備運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了解， 并形成反饋經(jīng)驗(yàn)在設(shè)計(jì)中體現(xiàn)出來。 裝卸料機(jī)國產(chǎn)化體現(xiàn)在設(shè)備的全部國產(chǎn)化，包括從設(shè)計(jì)一直到最終用戶的應(yīng)用，由國內(nèi)技術(shù)負(fù)責(zé)完成所有的工作。 國產(chǎn)化裝卸料機(jī)還應(yīng)體現(xiàn)在設(shè)備的性能可靠， 保證操作安全性和可靠性是值得信賴的。

通過對(duì)現(xiàn)有堆型裝卸料機(jī)的國產(chǎn)化， 進(jìn)一步延伸到以M310 堆型、華龍一號(hào)、ACP100 等堆型的設(shè)備上，將產(chǎn)品能夠系列化、標(biāo)準(zhǔn)化，形成一套“標(biāo)準(zhǔn)型”產(chǎn)品。 對(duì)于其他類型核電站或后處理項(xiàng)目裝卸料設(shè)備，在操作堆型類似、工藝操作類似的條件下可以通過設(shè)備結(jié)構(gòu)的適應(yīng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化。 圖1 為已經(jīng)國產(chǎn)化設(shè)計(jì)的裝卸料機(jī)。

2 裝卸料機(jī)實(shí)踐之路

裝卸料機(jī)國產(chǎn)化之初是通過消化吸收國外同類設(shè)備的結(jié)構(gòu)及控制要求實(shí)現(xiàn)裝卸料機(jī)國產(chǎn)化。國產(chǎn)化之路向來就不是一條平坦之路，早期的這些設(shè)備在設(shè)計(jì)和制造上或多或少地存在一些問題。這些問題既反映出國產(chǎn)化設(shè)備的不成熟，也反映出國外設(shè)計(jì)的設(shè)備在結(jié)構(gòu)上也有其不合理之處。

裝卸料機(jī)國產(chǎn)化過程中遇到的問題表現(xiàn)在設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)與操作要求同實(shí)際操作之間存在不一致的地方。裝卸料機(jī)國產(chǎn)化設(shè)計(jì)之初是基于國外同類產(chǎn)品是成熟的設(shè)備，對(duì)于裝卸料機(jī)在裝卸料過程中實(shí)際遇到的問題考慮不夠細(xì)致。 所以，在國產(chǎn)化的過程中設(shè)備的不斷改進(jìn)是提高裝卸料機(jī)性能的有效手段。

圖1 國產(chǎn)化裝卸料機(jī)

目前，核電行業(yè)各集團(tuán)的設(shè)計(jì)單位大多參與實(shí)施過裝卸料機(jī)的國產(chǎn)化設(shè)計(jì)。中核集團(tuán)的中國核電工程有限公司對(duì)裝卸料機(jī)的國產(chǎn)化是從秦山二期核電項(xiàng)目開始的。 通過在試驗(yàn)樣機(jī)上進(jìn)行一系列針對(duì)性試驗(yàn)，成功應(yīng)用在秦山二期核電項(xiàng)目中。在此基礎(chǔ)上，又繼續(xù)開展了全自動(dòng)數(shù)控裝卸料機(jī)的研制。通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)，提升控制系統(tǒng)提高裝卸料機(jī)的性能。 自華龍一號(hào)核電項(xiàng)目啟動(dòng)以來，裝卸料機(jī)國產(chǎn)化再次提到日程上來。 不僅對(duì)華龍一號(hào)項(xiàng)目裝卸料機(jī)的本體結(jié)構(gòu)，而且對(duì)輔助單軌吊也進(jìn)行了國產(chǎn)化。 通過各單位不斷努力，裝卸料機(jī)所有設(shè)計(jì)和制造均實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化。

在華龍一號(hào)裝卸料機(jī)國產(chǎn)化過程中，因?yàn)樵O(shè)計(jì)工期緊，無法開展科研研制工作。針對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)的變化，通過建立裝卸料機(jī)三維模型，提高設(shè)計(jì)效率。 為驗(yàn)證華龍一號(hào)輔助單軌吊進(jìn)行國產(chǎn)化，開展了與裝卸料機(jī)并行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了自主研發(fā)與制造的能力。 為華龍一號(hào)裝卸料機(jī)應(yīng)用在華龍一號(hào)上奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3 裝卸料機(jī)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)

華龍一號(hào)裝卸料機(jī)是在M310 堆型裝卸料機(jī)發(fā)展而來的。 通過對(duì)M310 堆型裝卸料機(jī)使用經(jīng)驗(yàn)反饋，制造經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，以及設(shè)計(jì)上認(rèn)知的提高，對(duì)裝卸料機(jī)的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)。這些結(jié)構(gòu)的變化將改善裝卸料機(jī)的運(yùn)行狀況和操作抓具的安全性與可靠性。例如，通過對(duì)抓具局部受力分析，改善抓具動(dòng)作時(shí)的受力集中點(diǎn)， 減小內(nèi)部滑動(dòng)體的相互摩擦狀態(tài)，增加了抓具的容錯(cuò)性；根據(jù)華龍一號(hào)裝卸料機(jī)伸縮套筒的變化，配置適合的平衡重，確保燃料組件受力不大于規(guī)定值； 改變氣路氣管在固定套筒上的安裝形式，減小意外剮蹭情況的發(fā)生。這些設(shè)計(jì)上的改變均來自以前國產(chǎn)化裝卸料機(jī)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)水平的提高。

裝卸料機(jī)作為機(jī)電一體化設(shè)備，除了結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)，在工藝和控制系統(tǒng)上的改進(jìn)也是極其必要的。 裝卸料機(jī)的工藝優(yōu)化體現(xiàn)在消減了不必要和過于保守的聯(lián)鎖要求，提高裝卸料機(jī)運(yùn)行效率。 工藝上充分考慮運(yùn)行安全的前提下，增加高速運(yùn)行區(qū)域；根據(jù)新堆型布置，按操作位置設(shè)定了偏移法裝卸燃料組件的位置。 電控系統(tǒng)采用了現(xiàn)階段最成熟的設(shè)計(jì)，確保操作的穩(wěn)定性和可靠性。

裝卸料機(jī)制造是體現(xiàn)裝卸料機(jī)性能的重要階段。裝卸料機(jī)制造工藝的趨于完善為制造的產(chǎn)品提供了可靠保障。在裝卸料機(jī)制造過程中就曾因?yàn)閷?duì)制造工藝的不正確理解，使得設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生了不可糾正的偏差。制造廠通過經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，進(jìn)一步規(guī)范了工藝要求，使得產(chǎn)品質(zhì)量有了很大的提升。

裝卸料機(jī)的調(diào)試經(jīng)驗(yàn)來自制造廠的經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)。 制造廠內(nèi)調(diào)試主要是實(shí)現(xiàn)裝卸料機(jī)功能，對(duì)設(shè)備具體使用條件一般不會(huì)去進(jìn)行模擬。現(xiàn)場調(diào)試不僅要實(shí)現(xiàn)設(shè)備功能， 而且還要模擬現(xiàn)場實(shí)際操作情況。這兩者的差別有時(shí)會(huì)讓裝卸料機(jī)呈現(xiàn)出兩種不同的狀態(tài)。 針對(duì)這個(gè)情況，就需要制造廠內(nèi)建立與現(xiàn)場實(shí)際操作工況一致的試驗(yàn)平臺(tái)，消除現(xiàn)場裝卸料機(jī)可能產(chǎn)生的故障。

為吸收裝卸料機(jī)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，就應(yīng)建立一套涵蓋設(shè)計(jì)、制造、安裝、調(diào)試和操作流程的溝通機(jī)制。 核電站參與裝卸料機(jī)運(yùn)維人員有豐富的使用經(jīng)驗(yàn)，他們通過操作、維修和調(diào)試設(shè)備取得了許多經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了設(shè)備的問題。 現(xiàn)在，各電站之間已經(jīng)建立了信息共享的機(jī)制，所有電站發(fā)現(xiàn)的問題都能及時(shí)在核電站運(yùn)維人員之間進(jìn)行有效溝通，并采取預(yù)防措施避免發(fā)生類似的問題。那么對(duì)于設(shè)計(jì)人員如何將各電站的使用信息及時(shí)收集，并反映在后續(xù)設(shè)計(jì)當(dāng)中呢？ 對(duì)于這個(gè)問題，設(shè)計(jì)人員雖然也主動(dòng)收集過一些問題，但是對(duì)這些問題的理解有時(shí)是比較片面的，并沒有有效地分析出問題的根結(jié)。這就要求設(shè)計(jì)人員要積極參與核電站裝卸料機(jī)換料操作和維修工作，體會(huì)在實(shí)際操作過程中出現(xiàn)的問題所在；還要積極參與收集各電站中的問題，將問題的現(xiàn)象與實(shí)際原因結(jié)合在一起，在設(shè)計(jì)上做出正確的解決方案。

只有通過從設(shè)計(jì)、制造、使用者之間有效的信息互通，裝卸料機(jī)的發(fā)展才能逐步進(jìn)入到一個(gè)新高度。

4 裝卸料機(jī)推廣

裝卸料機(jī)國產(chǎn)化已經(jīng)完成了從M310 堆型到華龍一號(hào)堆型的推廣。下一步國產(chǎn)化工作將以現(xiàn)役電站設(shè)備的升級(jí)改造作為工作方向。升級(jí)改造的內(nèi)容是解決裝卸料機(jī)出現(xiàn)的故障，以及替換因產(chǎn)品更新?lián)Q代不再生產(chǎn)的零部件。對(duì)現(xiàn)役電站裝卸料機(jī)的國產(chǎn)化改造工作，應(yīng)以操作人員的反饋建議為核心，采取針對(duì)性策略解決現(xiàn)實(shí)問題。

裝卸料機(jī)推廣可以按發(fā)展方向歸納為擴(kuò)展性推廣和延伸性推廣（見圖2）。 擴(kuò)展性推廣是面對(duì)不同類型核電站或設(shè)施中的燃料組件操作設(shè)備，根據(jù)工藝要求和廠房布置實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的變化和功能的一致性。 例如，微小堆型采用與頂蓋一體化結(jié)構(gòu)，將裝卸燃料組件的設(shè)備懸掛在頂蓋結(jié)構(gòu)上， 作為頂蓋的一部分，實(shí)現(xiàn)燃料組件的操作；在后處理設(shè)施內(nèi)，增加裝卸料機(jī)設(shè)備的功能，不僅能完成燃料組件的操作，而且還能實(shí)現(xiàn)容器或相關(guān)組件的吊運(yùn)；在VVER 堆型上，裝卸料機(jī)具有獨(dú)特結(jié)構(gòu)，能同時(shí)實(shí)現(xiàn)不同組件的吊裝。 不同運(yùn)行環(huán)境中裝卸料機(jī)的多種形式能很好體現(xiàn)出裝卸料機(jī)擴(kuò)展性推廣的美好前景。

延伸性推廣促使裝卸料機(jī)不僅在國內(nèi)廣泛性用，而且能推廣到國外項(xiàng)目上。這種推廣一是依托于國內(nèi)核電站整體建造水平的提高，能夠開拓國外核電站市場，二是作為成熟的設(shè)備為核電站供貨。目前，國外項(xiàng)目使用國產(chǎn)化裝卸料機(jī)的項(xiàng)目，僅限于中核集團(tuán)承建的核電站，但我們相信隨著技術(shù)不斷提高，開拓國外市場是指日可待的事情。

5 結(jié)語

裝卸料機(jī)國產(chǎn)化之路隨著國內(nèi)核電站的不斷興建發(fā)展得越來越成熟，裝卸料機(jī)國產(chǎn)化成績斐然。 當(dāng)然，在肯定成績的同時(shí)，也要清醒認(rèn)識(shí)到裝卸料機(jī)國產(chǎn)化工作的不足之處。 諸如：設(shè)備自動(dòng)化水平和操作可靠性還有待提高，試驗(yàn)測試效果還不足以滿足實(shí)際操作遇到的特殊情況等問題。 所以，裝卸料機(jī)國產(chǎn)化技術(shù)水平趕超世界先進(jìn)水平是應(yīng)該通過技術(shù)進(jìn)步在實(shí)踐中體現(xiàn)出來的。

圖2 裝卸料機(jī)推廣內(nèi)容

裝卸料機(jī)國產(chǎn)化的實(shí)踐推廣對(duì)核電站中其他設(shè)備有很好的借鑒意義。根據(jù)裝卸料機(jī)國產(chǎn)化過程的經(jīng)驗(yàn)，設(shè)備國產(chǎn)化路線及其指導(dǎo)方向應(yīng)該考慮如下因素：

（1）根據(jù)已掌握的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，積極獲取現(xiàn)階段運(yùn)行電站的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)及出現(xiàn)的問題，有針對(duì)性地在設(shè)計(jì)上解決現(xiàn)實(shí)問題；

（2）依托核電站的大修和升級(jí)改造進(jìn)行設(shè)備的改進(jìn)，提高設(shè)備國產(chǎn)化實(shí)施效率；

（3）加強(qiáng)設(shè)備工藝研究，對(duì)現(xiàn)有設(shè)備難以充分實(shí)現(xiàn)工藝要求的結(jié)構(gòu)，應(yīng)進(jìn)行有效改進(jìn)；

（4）驗(yàn)證設(shè)計(jì)的使用效果，可以通過軟件模擬實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證，但驗(yàn)證應(yīng)該滿足現(xiàn)場要求才能取得可信的驗(yàn)證效果；

（5）設(shè)備國產(chǎn)化的目標(biāo)是保證設(shè)備在核電站運(yùn)行中具有安全性和可靠性。

對(duì)裝卸料機(jī)國產(chǎn)化設(shè)備的持續(xù)改進(jìn)是國產(chǎn)化設(shè)備做大做強(qiáng)的必由之路。 在設(shè)計(jì)、制造、調(diào)試等各專業(yè)的配合下， 裝卸料機(jī)國產(chǎn)化的持續(xù)改進(jìn)也會(huì)更加深入地開展，使裝卸料機(jī)成為更加成熟、可靠的國產(chǎn)化設(shè)備。