裝卸料機(jī)分離器安全鎖波紋管破損原因分析

章 熙，高 照，胡文凱

（中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江嘉興 314300）

0 引言

秦三廠重水堆核電廠采用2 臺裝卸料機(jī)對反應(yīng)堆進(jìn)行不停堆換料，在裝卸料機(jī)中安裝有2 臺分離器，主要實(shí)現(xiàn)在換料過程中對燃料的分離操作，以實(shí)現(xiàn)不停堆換料。裝卸料機(jī)分離器的安全鎖應(yīng)急解鎖機(jī)構(gòu)，是用來確保分離器內(nèi)部的燃料擋塊在提升或下插狀態(tài)下能夠保持當(dāng)前狀態(tài)不改變的一套安全裝置。當(dāng)因某種原因?qū)е掳踩i不能實(shí)現(xiàn)上鎖或解鎖時(shí)，即會造成分離器內(nèi)的燃料擋塊不能通過自動(dòng)命令下上升或下降，不能完成燃料棒束的分離，進(jìn)而造成反應(yīng)堆停堆。而造成安全鎖不能解鎖的原因有多個(gè)，其中波紋管破損造成的泄漏，不但會造成反應(yīng)堆廠房內(nèi)的蒸汽水平升高引發(fā)停堆，同時(shí)也會因?yàn)槿剂蠐鯄K驅(qū)動(dòng)活塞的下插加壓端與波紋管內(nèi)的聯(lián)通而造成重水壓力降低，從而導(dǎo)致活塞兩端差壓降低而不能實(shí)現(xiàn)燃料擋塊的提升及下插動(dòng)作，導(dǎo)致?lián)Q料過程中斷，一旦出現(xiàn)這種工況將導(dǎo)致非常嚴(yán)重的后果。

1 裝卸料機(jī)分離器安全鎖機(jī)構(gòu)

分離器安全鎖機(jī)構(gòu)主要功能是確保分離器中燃料擋塊在上升提起和下降插入兩個(gè)狀態(tài)下保持穩(wěn)固，避免在意外情況下燃料擋塊突然動(dòng)作而損傷燃料棒束，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要由電磁線圈、電磁吸盤、安全鎖頭、彈簧、撥叉和安全鎖外殼基座組成。其動(dòng)作原理為：當(dāng)電磁線圈失電時(shí)，安全鎖頭靠彈簧的作用下降鎖頭向外部彈出，直至插入到燃料擋塊的鎖緊槽內(nèi)，同時(shí)由安全鎖頭基座止擋，其行程約0.16 英寸（4 mm），對燃料擋塊實(shí)現(xiàn)安全鎖緊；當(dāng)電磁線圈得電時(shí)，電磁吸盤在電磁力的驅(qū)動(dòng)下帶動(dòng)安全鎖頭克服彈簧的彈力，回撤脫開燃料擋塊鎖緊槽，并由電磁線圈止擋，實(shí)現(xiàn)燃料擋塊的安全解鎖，以便燃料擋塊實(shí)現(xiàn)其既定的動(dòng)作功能。

圖1 分離器安全鎖機(jī)構(gòu)

2 分離器安全鎖應(yīng)急解鎖機(jī)構(gòu)

裝卸料機(jī)分離器安全鎖應(yīng)急解鎖機(jī)構(gòu)的主要功能，是安全鎖在鎖頭發(fā)生卡澀或電磁線圈故障等意外情況下不能動(dòng)作時(shí)，通過外部施加力量，強(qiáng)行機(jī)械驅(qū)動(dòng)安全鎖內(nèi)部的撥叉，使其驅(qū)動(dòng)安全鎖頭實(shí)現(xiàn)解鎖功能。安全鎖應(yīng)急解鎖機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖2 所示，主要部件由波紋管、波紋管芯桿、波紋管外殼等組成，其中波紋管一端和外殼焊接，另一端和芯桿一端焊接，兩處焊接均為密封焊接，并能夠承受15 MPa 的重水壓力。其動(dòng)作原理為：當(dāng)需要執(zhí)行應(yīng)急機(jī)械解鎖時(shí)，由自有的氣動(dòng)活塞驅(qū)動(dòng)活塞桿軸向頂出，由被壓縮的波紋管帶動(dòng)芯桿軸向伸出。根據(jù)波紋管的設(shè)計(jì)，可壓縮行程（驅(qū)動(dòng)部分氣缸的設(shè)計(jì)行程滿足了氣缸的可壓縮安全行程）為0.091 英寸（2.3 mm）；根據(jù)安全鎖和應(yīng)急解鎖機(jī)構(gòu)的安裝尺寸設(shè)計(jì)，解鎖機(jī)構(gòu)芯桿的軸向移動(dòng)量和安全鎖鎖頭的移動(dòng)量的比例關(guān)系約為1∶2，因此鎖頭的設(shè)計(jì)最大移動(dòng)量為0.182英寸（4.62 mm），能夠滿足安全鎖解鎖的設(shè)計(jì)行程。

圖2 安全鎖應(yīng)急解鎖機(jī)構(gòu)

3 安全鎖應(yīng)急解鎖機(jī)構(gòu)波紋管破損原因分析

3.1 現(xiàn)狀調(diào)查

秦三廠目前裝卸料機(jī)共計(jì)有12 臺分離器，發(fā)生波紋管破損導(dǎo)致泄漏4 次，即發(fā)現(xiàn)的4 個(gè)波紋管都在裝卸料機(jī)服役期間，測量破損狀態(tài)下的芯桿L1長度如表1 所示。調(diào)查中發(fā)現(xiàn)每臺分離器安全鎖撥叉上端面到應(yīng)急解鎖芯桿端頭都沒有直接接觸，且都存在一定間隙δ，如圖1 所示，測量δ 的數(shù)據(jù)如表2 所示。

表1 波紋管芯桿長度 mm

表2 波紋管芯桿和撥叉之間的間隙 mm

查詢分離器應(yīng)急解鎖機(jī)構(gòu)波紋管組件設(shè)計(jì)手冊，波紋管的設(shè)計(jì)最大可壓縮長度為0.091 英寸（2.3 mm）；當(dāng)需要對分離器安全鎖進(jìn)行應(yīng)急解鎖操作時(shí)，可通過手動(dòng)遠(yuǎn)程驅(qū)動(dòng)氣缸操作，將波紋管壓縮一定深度，即波紋管內(nèi)部的芯桿將向下伸出并頂住安全鎖的撥叉杠桿上端板。通過設(shè)計(jì)計(jì)算，如果要實(shí)現(xiàn)安全鎖的安全解鎖功能，安全鎖的鎖頭需要在軸向移動(dòng)4 mm；通過杠桿原理及三角形法則可知，安全鎖撥叉上端板需要向下偏轉(zhuǎn)并在豎直方向位移約為2 mm，如此則需要波紋管芯桿向下移動(dòng)插入2 mm+δ mm。而波紋管的設(shè)計(jì)可壓縮量僅為2.3 mm，取現(xiàn)場實(shí)際尺寸δ=1.05 mm，則在確保安全鎖能夠完全解鎖時(shí)，需要波紋管芯桿的實(shí)際向下插入深度為2+1.05=3.05 mm，超過最大允許壓縮量的32%，從而不能確保波紋管的安全壓力邊界的完整性，存在裝卸料機(jī)在高壓泄漏的安全風(fēng)險(xiǎn)，異常工況下可導(dǎo)致反應(yīng)堆停堆及反應(yīng)堆廠房內(nèi)氚水平升高。

3.2 當(dāng)前做法

由于分離器安全鎖應(yīng)急解鎖波紋管組件機(jī)構(gòu)或安全鎖機(jī)構(gòu)存在設(shè)計(jì)缺陷，且波紋管組件的最初設(shè)計(jì)并非是針對重水堆裝卸料機(jī)分離器安全鎖設(shè)計(jì)的，因此沒有進(jìn)行過專門的匹配性設(shè)計(jì)，導(dǎo)致當(dāng)波紋管組件安裝到安全鎖組件上時(shí)，其芯桿端頭和撥叉上端板端面產(chǎn)生了間隙而沒有直接接觸。當(dāng)波紋管組件在動(dòng)作時(shí)，其芯桿要先完成該間隙的移動(dòng)，之后才開始接觸撥叉并轉(zhuǎn)換為安全鎖頭的軸向移動(dòng)。因此為了消除該間隙，目前采用在初始設(shè)定安全鎖的時(shí)候，采用提前將波紋管組件芯桿下壓，消除該無用間隙，實(shí)現(xiàn)波紋管一旦開始動(dòng)作時(shí)，其芯桿將直接驅(qū)動(dòng)撥叉組件而將安全鎖頭軸向解鎖。

3.3 當(dāng)前做法的不足

由于波紋管組件在進(jìn)行初始設(shè)定時(shí)，提前壓縮了波紋管組件，而波紋管的實(shí)際允許可壓縮量只有2.33 mm，因此在正常運(yùn)行期間，該波紋管處于允許使用壓力范圍，系統(tǒng)處于安全狀態(tài)；當(dāng)一旦出現(xiàn)應(yīng)急情況需要進(jìn)行手動(dòng)遠(yuǎn)程操作應(yīng)急解鎖機(jī)構(gòu)進(jìn)行解鎖時(shí)，波紋管實(shí)際需要的動(dòng)作行程仍會超過允許安全可壓縮量，因此該方式仍只能是異常工況下的應(yīng)急操作，并存在泄漏風(fēng)險(xiǎn)和當(dāng)波紋管一旦因?yàn)檫^壓縮導(dǎo)致破損而引起大量泄漏的隱患，此時(shí)不但不能實(shí)現(xiàn)解鎖功能，還增加了泄漏風(fēng)險(xiǎn)以及停堆風(fēng)險(xiǎn)。安全鎖內(nèi)部部分組件如圖3 所示。

3.4 理論計(jì)算

（1）波紋管組件的芯桿伸出長度尺寸為：L1=0.377 英寸=9.6 mm（圖2 中L1）。

（2）波紋管組件底部距離撥叉上端板端面的距離為：L=11.10 mm（圖1 中L）。

（3）根據(jù)圖1 及圖3 所示可知：L=a-b-c=11.10 mm。

（4）波紋管芯桿端頭到撥叉上端面的間隙為：δ=L-L1=1.524 mm。

（5）安全鎖頭在實(shí)現(xiàn)安全解鎖功能時(shí)需要的軸向移動(dòng)量為：δ1=0.16 英寸=4.06 mm。

（6）根據(jù)圖1 中波紋管芯桿和撥叉接觸點(diǎn)的位置計(jì)算，以及撥叉豎直段和鎖頭組件銷子直接接觸的位置計(jì)算可知，當(dāng)撥叉沿豎直方向向下移動(dòng)位移e，則撥叉沿轉(zhuǎn)軸銷子逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)一定角度z，使得撥叉豎直方向也發(fā)生同樣角度z 的旋轉(zhuǎn)，并產(chǎn)生水平方向的位移量f。根據(jù)圖3 所示可知，波紋管芯桿到銷子轉(zhuǎn)軸中心的距離為a，豎直方向撥叉和安全鎖頭驅(qū)動(dòng)銷子的接觸點(diǎn)到撥叉銷軸中心距離為b，當(dāng)撥叉沿豎直方向移動(dòng)e 時(shí)，其安全鎖頭在其驅(qū)動(dòng)銷子的作用下沿軸向移動(dòng)距離f，sinz=e/a=f/b，如圖4 所示。

圖3 安全鎖內(nèi)部組件

（7）結(jié)合圖3、圖4 可知：a=0.37 英寸=9.398 mm。

圖4 分離器撥叉偏轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)

（8）由圖3 可知：b=0.75 英寸=19.05 mm。

（9）根據(jù)安全鎖頭軸向移動(dòng)的最低安全距離：δ1=f=0.16 英寸=4.06 mm。

（10）再由e/a=f/b 可知：e=0.078 93 英寸=2.005 mm。

（11）根據(jù)應(yīng)急解鎖機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)功能的過程及原理可知，波紋管實(shí)際需要可壓縮的徑向位移為，L=δ+e=0.138 9 英寸=3.529 mm，而波紋管的設(shè)計(jì)最大可壓縮行為0.091 英寸（2.3 mm），超過了設(shè)計(jì)最大安全值的52.67%。

根據(jù)以上設(shè)計(jì)理論計(jì)算可知，當(dāng)分離器安全鎖在異常工況下需要進(jìn)行應(yīng)急解鎖時(shí)，通過遠(yuǎn)程驅(qū)動(dòng)氣缸來壓縮波紋管組件芯桿，將會使得波紋管過壓縮超過理論安全設(shè)計(jì)的52.67%，存在波紋管破損導(dǎo)致泄漏的安全風(fēng)險(xiǎn)，甚至?xí)?dǎo)致反應(yīng)堆停堆風(fēng)險(xiǎn)。

4 解決方案

根據(jù)安全鎖內(nèi)部撥叉的機(jī)構(gòu)，可通過增加撥叉上部橫板的厚度，并增加其上部和波紋管接觸區(qū)域厚度，確保鎖增加的厚度能夠補(bǔ)償δ 的間隙，同時(shí)考慮在撥叉上增加厚度的位置和形狀尺寸對撥叉自身的影響。

5 結(jié)論

通過以上分析，當(dāng)裝卸料機(jī)分離器在異常工況下需要進(jìn)行安全鎖應(yīng)急解鎖時(shí)，通過人為遠(yuǎn)程控制氣缸驅(qū)動(dòng)應(yīng)急解鎖機(jī)構(gòu)對安全鎖進(jìn)行解鎖，由于波紋管設(shè)計(jì)最大安全可壓縮行程小于實(shí)際解鎖需要的可壓縮行程，因此存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。針對該設(shè)計(jì)缺陷，本文提出了三種解決方案來消除該風(fēng)險(xiǎn)，目前正在通過外部單位進(jìn)行波紋管的重新設(shè)計(jì)，調(diào)整波紋管的可壓縮行程，以滿足現(xiàn)場實(shí)際的安全需要。