核電廠屏蔽主泵密封環(huán)自動切割裝置研制

閆國華，袁夢揚，文 忠，李 瑋，俞照輝

（國核電站運行服務(wù)技術(shù)有限公司，上海 200233）

0 引言

CAP1400、AP1000 機組反應(yīng)堆冷卻劑屏蔽泵葉輪和電機部件共用一根主軸，通過螺栓與泵殼相連。為了防止泵體內(nèi)放射性冷卻劑外泄，泵殼與電機定子蓋之間焊接有一個Canopy 密封環(huán)[1]。主泵雖設(shè)計為免維護，但在制造、調(diào)試及運行過程中均出現(xiàn)了若干故障，說明了主泵維修的必要性[2]。同時，主泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計也考慮了后期拆卸的可能[3]。拆卸前需切割Canopy 密封環(huán)。為了解決主泵現(xiàn)場的拆裝問題，滿足實際維修需要，同時避免檢修過程中人員承受過量輻照劑量，設(shè)計了Canopy 密封環(huán)自動切割裝置。

1 自動切割裝置的設(shè)計

1.1 功能需求

屏蔽主泵采用正置安裝，泵殼與電機定子蓋之間焊接有Canopy 密封環(huán)，如圖1 所示。在主泵需要檢修時，需將該Canopy 密封環(huán)切斷，電機部件才能降落，移出核島。因電機是通過主螺栓懸掛于泵殼上，所以切割過程中始終會有4 個螺栓處于連接狀態(tài)用于承重，切割裝置需要切割2 次才能完成切割過程。電機定子蓋有外置熱交換器接管法蘭，故在該處的切割需從兩邊斜向切割，如圖2 所示。

圖1 主泵Canopy 密封環(huán)區(qū)域結(jié)構(gòu)

圖2 電機定子蓋接管法蘭

根據(jù)主泵Canopy 密封環(huán)區(qū)域的結(jié)構(gòu)特點，自動切割裝置的設(shè)計應(yīng)具備以下功能：①整個裝置應(yīng)輕便化，可快速裝夾固定，且一次裝夾可完成整個切割過程；②裝置應(yīng)在不切除接管法蘭的情況下，完成干涉部位的Canopy 密封環(huán)切割；③作業(yè)過程中為避免碎屑劃傷主泵其他部件，要求刀具及其切削參數(shù)的選擇應(yīng)保證碎屑為微小碎片狀；④裝置應(yīng)能夠遠程控制，盡量減少作業(yè)人員所受的輻照劑量。

1.2 切割裝置設(shè)計

為了滿足上述的功能要求，裝置的總體設(shè)計大致分為環(huán)形軌道和切削專機兩部分，如圖3 所示。

圖3 Canopy 密封環(huán)自動切割裝置

環(huán)形軌道主要包含環(huán)形齒圈、環(huán)形底座、固定套筒、周向電機、運動底座等5 部分內(nèi)容。環(huán)形齒圈和環(huán)形底座通過螺栓、銷釘連為一體（為了便于搬運及安裝，可將環(huán)形軌道分為多段），通過固定套筒插入主螺栓通孔內(nèi)，從而將環(huán)形軌道固定在主泵定子法蘭面上。周向電機端部安裝有齒輪，與齒圈齒形配合，驅(qū)動運動底座在環(huán)形齒圈上作周向運動。環(huán)形齒圈兩邊設(shè)有V 形槽，與運動底座底部的滾輪相配合，對運動底座起到導(dǎo)向作用。

切削專機安裝于運動底座上，通過旋轉(zhuǎn)電機端部的齒輪嚙合，實現(xiàn)自身的角度擺動，以躲避切割過程中與主螺栓等的干涉空間干涉。專機主要包含直線進給機構(gòu)、切削電機、切削刀具、攝像頭等部分。刀具選用標準刀具，采用快裝方式，快速安裝于切削電機端部。通過選用合適的刀具及切削參數(shù)，保證切削碎片為細小碎屑，一方面便于收集，另一方面避免了對周圍主泵零部件表面造成損傷。攝像頭用于監(jiān)測刀具的刀頭磨損情況、現(xiàn)場切割的情況等。裝置的周向零點和旋轉(zhuǎn)零點為專機切割起始位置及姿態(tài)提供校正。為了保證整套裝置在現(xiàn)場環(huán)境的順利使用，專機在環(huán)形軌道上行走時處于與環(huán)形軌道相切的姿態(tài)，可盡可能節(jié)省空間。設(shè)計階段也對切割裝置的外形尺寸進行了嚴格限制，保證了現(xiàn)場在不拆卸環(huán)境構(gòu)筑物的情況下完成Canopy 密封環(huán)的切割。

電機定子蓋接管法蘭處Canopy 密封環(huán)的切割示意，如圖4所示。

圖4 接管法蘭處Canopy 密封環(huán)切削

1.3 刀具切削參數(shù)

刀具及其切削參數(shù)的選擇應(yīng)滿足刀具標準化、通用化、可快速更換，碎屑非連續(xù)、碎小狀，切削過程刀具跳動量較小等要求。為此，試驗選取了直徑為6 mm的標準球頭銑刀，經(jīng)優(yōu)化，對于無接管干涉區(qū)域的垂直切割，切削速度為0.5 mm/s，每次徑向進給深度為1 mm；對于接管區(qū)域的斜向切割，切削速度為0.3 mm/s，每次徑向進給深度為0.5 mm。切削試驗材料為304L 不銹鋼，切削試驗效果如圖5 所示。

圖5 最優(yōu)參數(shù)下的切削

2 樣機與試驗

根據(jù)上述設(shè)計方案，研制了原理樣機，如圖6 所示。根據(jù)系統(tǒng)維修作業(yè)的工藝規(guī)程，按步驟對樣機的基本功能和切割作業(yè)進行了試驗驗證。試驗結(jié)果表明：裝置周向運動機構(gòu)、切削專機旋轉(zhuǎn)機構(gòu)和切削專機直線進給機構(gòu)運行平穩(wěn)，精度滿足要求，機械限位穩(wěn)定可靠，按預(yù)定的工藝要求完成了切割作業(yè)，未發(fā)生主泵局部模擬體其他部件損傷事件；刀具選型及切削參數(shù)設(shè)置合理，切削過程中，碎屑為細小碎片；控制系統(tǒng)軟硬件工作正常，通訊交互合理，操作簡便。實際切削效果及碎片如圖7 所示，碎片非常細小，不會對周圍零部件造成損傷，碎屑可用吸塵器進行收集。

圖6 Canopy 密封環(huán)自動切割裝置樣機

圖7 切削效果及碎屑

3 結(jié)論

根據(jù)主泵的結(jié)構(gòu)特點和現(xiàn)場維修需求，設(shè)計了Canopy 密封環(huán)自動切割裝置，選取了合理的刀具切削參數(shù)，搭建了運動機構(gòu)，開發(fā)了控制系統(tǒng)，完成了樣機的研制，并在模擬體上進行了Canopy 密封環(huán)的自動切割試驗。試驗結(jié)果表明：Canopy密封環(huán)自動切割裝置設(shè)計合理，可在不去除接管法蘭的情況下完成Canopy 密封環(huán)的切割；刀具及切削參數(shù)選取合適，切削碎屑細小，未損傷主泵其余部件，易于收集；控制系統(tǒng)滿足遠程監(jiān)控和控制需求；整套裝置結(jié)構(gòu)緊湊，操作簡便，能夠?qū)崿F(xiàn)既定的功能需求，可用于現(xiàn)場的實際作業(yè)。