高溫氣冷堆控制棒圓環(huán)鏈剪切裝置設計與分析

張 斌，鮑學斌，薛永陽，譚書瑩

（1.中核武漢核電運行技術股份有限公司，湖北 武漢 430223；2.華能山東石島灣核電有限公司，山東 榮成 264312）

1 引言

以石墨為中子慢化劑和結構材料、惰性氣體氦氣為冷卻劑的高溫氣冷堆，是一種固有安全性好、發(fā)電效率高的先進核反應堆[1-3]。在反應堆運行過程中，控制棒系統(tǒng)用以進行反應性控制，實現各種運行模式。圓環(huán)鏈實現控制棒驅動機構與控制棒的連接，控制驅動機構帶動控制棒組件從而實現反應堆的功率調節(jié)[4]。24組控制棒驅動機構安裝于壓力容器頂蓋控制棒殼管嘴上，控制棒驅動機構通過圓環(huán)鏈與控制棒連接，其中控制棒驅動機構被劃分為6個單元，每個單元包括兩組直通式控制棒驅動機構和兩組外置式控制棒驅動機構。

控制棒驅動機構工況嚴格，結構復雜，操作頻繁，發(fā)生故障的概率較大，需對控制棒驅動機構進行解體維修。高溫氣冷堆控制棒驅動機構作為一回路壓力邊界，一旦拆除驅動機構，就會破壞一回路壓力邊界，導致原有的氦氣氣氛被破壞。

故需建立氣氛隔離系統(tǒng)，在保證一回路內氣氛不外泄的前提下，實現控制棒驅動機構與控制棒組件的分離。又由于控制棒驅動機構結構復雜，圓環(huán)鏈及控制棒組件的總體長度較長，故在有限的氣氛隔離空間內解體控制棒驅動機構較困難。在緊急情況下，為實現控制棒驅動機構的快速解體，提出使用專用剪切裝置快速剪切圓環(huán)鏈，斷開控制驅動機構與控制棒之間的連接，以便快速將控制棒驅動機構從一回路壓力邊界中轉移出來，進行離線檢修的方案。

這里針對上述高溫氣冷堆控制棒驅動系統(tǒng)解體維修方案，設計研發(fā)了一種圓環(huán)鏈剪切裝置，使其滿足功能性、安全性、可操作性等各方面要求，并通過Deform-3D有限元分析軟件，對環(huán)鏈剪切過程進行模擬，從而優(yōu)化剪切刃參數，降低剪切驅動力要求。仿真和實驗結果表明該裝置可實現圓環(huán)鏈的剪切，滿足工程實際要求。

2 控制棒檢修剪切裝置設計要求

環(huán)鏈剪切裝置固定安裝在氣氛隔離系統(tǒng)內部，主要用于控制棒驅動機構拆裝過程中剪斷圓環(huán)鏈，實現控制棒驅動機構與控制棒的快速拆卸分離，使控制棒驅動機構能夠離線維修，避免維修人員長時間面對放射性風險。環(huán)鏈剪切裝置必須能滿足現場安全可靠性高、操作控制簡單、安裝調整方便快捷、結構緊湊等具體需求：

（1）功能要求：在控制棒驅動機構出現故障需解體維修時，環(huán)鏈剪切裝置需具備剪斷環(huán)鏈的功能，使控制棒驅動機構與控制棒分離；

（2）載荷要求：在滿足現場使用要求的情況下，需對刀具的各項參數進行設計優(yōu)化，使圓環(huán)鏈的切口更加均勻，同時降低剪切驅動油缸性能要求；

（3）空間要求：外置式控制棒驅動機構上方存在直通式控制棒驅動機構的法蘭結構，故提升高度受限，因此剪切裝置在豎直方向上設計和操作的邊界值僅為205mm，如圖1所示。同時控制棒驅動機構的布置緊湊，剪切裝置的寬度也受到限制；

圖1 外置式控制棒驅動機構的空間限制Fig.1 Space Limitation of External Control Rod Drive Mechanism

（4）安全要求：控制棒驅動機構通過504節(jié)φ10×30圓環(huán)鏈來提升控制棒，圓環(huán)鏈一端固定在控制棒內棒上，另一端固定在驅動機構減震器內。圓環(huán)鏈與控制棒組件的總重量達262.5kg，故需確保整個剪切過程中，圓環(huán)鏈必須一次切斷，并且切口較均勻，不得產生碎屑。

3 環(huán)鏈剪切裝置結構組成

圓環(huán)鏈剪切裝置由運載單元和剪切單元兩部分組成。圓環(huán)鏈剪切裝置整體寬度為380mm，在工作過程中其長度可達1199mm，最大高度為165mm，整體模型，如圖2所示。

圖2 圓環(huán)鏈剪切裝置整體模型Fig.2 The Whole Model of Ring Chain Shear Device

3.1 運載單元

運載單元由運載平臺、鎖定機構和導軌等組成，如圖3所示。運載平臺主體呈平板狀，其尾部裝有推桿，便于工作人員在氣氛隔離裝置外部推動小車。平臺前部設有兩個孔，用以安裝螺栓實現與剪切單元的連接。導軌固定在氣氛隔離裝置內部，為運載平臺運動提供行走軌道并導向。鎖定機構安裝在運載平臺上，當運載平臺到達指定位置時，栓銷與導軌上的定位孔同軸心，通過推動栓把可實現整個裝置的固定支撐。

圖3 運載單元模型Fig.3 The Model of Carrier Unit

3.2 剪切單元

剪切單元通過螺栓與運載平臺連接，由液壓泵與液壓油缸驅動刀具，從而實現環(huán)鏈的剪切。剪切機構上兩邊設有兩個擋塊，確保刀具剪切時不發(fā)生側向偏轉，同時使用螺栓與上下兩塊擋板連接，使刀片能夠精確定位。下冊擋板處設有凸塊，用于輔助支撐環(huán)鏈，防止被剪斷的環(huán)鏈直接掉落。剪切裝置后部與右側擋塊用鉸接軸連接，當剪切裝置移動到指定位置后，轉動剪切裝置后部，使其階梯軸與左側擋塊的軸孔同軸心，即可插入階梯軸，完成剪切裝置的布置，如圖4所示。

圖4 剪切單元模型Fig.4 The Model of Shear Unit

目標圓環(huán)鏈的設計破斷力為126kN，破斷力為環(huán)鏈受拉發(fā)生破壞的力，按照材料力學經典方程可知，其受剪切發(fā)生破壞的力為破斷力的0.71倍，為89.1kN?？紤]裝置的空間限制及盡量減少油缸的載荷要求，選取液壓油缸的內徑為80mm，液壓泵的輸出壓強為25MPa，該液壓裝置能產生126kN的推力?；钊麠U與刀具采用刀架進行連接，活塞桿與刀架采用螺紋連接，刀具與刀架采用螺栓連接。為保證刀具具有足夠的強度，能夠安全地剪切圓環(huán)鏈，選取刀具厚度為18mm。圓環(huán)鏈的結構導致與被剪切鏈環(huán)相鄰的兩個鏈環(huán)之間只有10mm 的間隙，故在刀具中間開設寬12mm的槽，避免刀具與相鄰的鏈環(huán)發(fā)生干涉。

4 剪切過程仿真分析及刀具參數優(yōu)化

根據設計需要，環(huán)鏈剪切裝置需由水平方向沿導軌進入，并快速剪斷鏈環(huán)，為保證剪切裝置能夠順利剪斷環(huán)鏈，需要對鏈環(huán)剪切過程進行仿真模擬[5]，并對剪切刃參數進行優(yōu)化。

因此這里通過Deform-3D有限元分析軟件，對以下三個問題進行模擬研究：

（1）上刀刃剪切角對剪切力大小的影響；

（2）刀具剪切間隙對剪切力大小的影響；

（3）刀具前角對剪切力大小的影響。

4.1 基本工藝參數

斜刃剪的基本工藝參數有剪切角α，剪切間隙Δ[6]，如圖5所示。

圖5 斜刃剪的基本工藝參數Fig.5 The Basic Technological Parameters of Inclined Blade Shear

剪切角即上剪刃與水平方向的夾角，其大小直接影響剪切力的大小。剪切間隙即上下剪刃的剪切側向間距，其大小對剪切力和剪切質量有較大影響，是剪切機的重要工藝參數。過大的剪切隙會增大驅動力矩，從而使得鋼板的邊緣域產生較大的彎曲變形、降低成材質量；過小的剪切間隙則會造成鋼板邊緣的二次切面，不僅降低剪切質量，還會加劇剪刃磨損、降低生產效率。剪切間隙合理取值與剪切機形式、板材厚度、材料屬性、剪切溫度、刀具磨損等因素相關，目前國內還沒有形成成熟且被廣泛采用的理論方法，一般根據經驗公式取值：

式中：h—被剪切工件厚度。

剪切過程中上剪板作為“刀具”，相應的具有刀尖，前角αs，后角βs等刃型參數。如圖6所示。

圖6 上剪刃的刃型參數示意圖Fig.6 The Schematic Diagram of Blade Parameters of Upper Cutting Edge

4.2 模型建立

分析對象由被剪切鏈環(huán)，上剪刃及下剪刃組成。在Deform-3D軟件中，由于下剪刃結構相比上剪刃剛度較大，將其定義為剛體，將上剪刃定義為彈性體，材料選擇合金工具鋼Cr12MoV。圓環(huán)鏈定義為塑性體，材料選擇為符合G80標準的AISI 5115，材料的結構模型采用的是流動應力與等效塑性應變、等效塑性應變速率和溫度相關的Oxley模型，屈服準則采用Von-Mises，斷裂準則采用Normal C&L模型[7]。

金屬塑性成形中模具與工件之間的相對運動會產生相對摩擦，摩擦系數大小會對計算結果產生影響，本次實驗中摩擦因子為μ=0.12。

在有限元模擬中，單元的疏密程度直接影響了結果的準確性。劃分單元后的刀具剪切環(huán)鏈的仿真模型，如圖7所示。

圖7 劃分網格后的仿真模型Fig.7 The Simulation Model After Meshing

有限元模型參數，如表1所示。

表1 有限元模型參數表Tab.1 Parameter Table of Finite Element Model

通過計算對比，該單元劃分方式可滿足網格收斂性需求。

環(huán)境溫度設為20℃，對模型施加邊界條件：

（1）在下剪刃的側面和底面施加位移約束，使其被完全固定；

（2）在上剪刃的側面施加位移約束，在其頂面施加施加每秒1mm的位移，使上剪刃能以1mm/s的速度豎直向下運動；

（3）定義類型為兩物體接觸，環(huán)鏈分別和上下剪刃接觸。

4.3 仿真結果

仿真步數設置為30步，進行仿真計算，得出以下仿真結果，如圖8所示。

圖8 圓環(huán)鏈剪切過程示意圖Fig.8 The Schematic Diagram of Cutting Process of Ring Chain

圖8顯示了圓環(huán)鏈的剪切過程，其中圖8（a）表示上剪刃接觸環(huán)鏈的右側并開始剪切，應力集中在環(huán)鏈右側表面；圖8（b）所示的時刻，圓環(huán)鏈右側發(fā)生明顯斷裂，同時圓環(huán)環(huán)鏈左側受上下剪刃和擋板共同作用，應力集中區(qū)由左側向右側轉移，此時為整個過程中剪切力最大時刻；圖8（c）顯示圓環(huán)鏈右側基本完全斷裂，環(huán)鏈左側開始發(fā)生斷裂；圖8（d）中圓環(huán)鏈左側基本完全斷裂，整個剪切過程結束。

根據多組仿真模擬結果，得到上剪刃剪切角、前角、剪切間隙與環(huán)鏈剪切過程中最大剪切力的大小關系，如圖9～圖11所示。

圖9 上剪刃剪切角與剪切力的關系圖Fig.9 The Relationship Between Shear Angle of Upper Shear Edge and Shear Force

圖10 刀具間隙與剪切力的關系圖Fig.10 The Relationship Between Tool Clearance and Shear Force

圖11 上剪刃前角與剪切力的關系圖Fig.11 The Relationship Between Front Angle of Upper Cutting Edge and Shear Force

由上述結果可知，在一定范圍內，剪切角與剪切力呈線性負相關的關系，刀具前角與剪切力呈線性負相關的關系，而刀具剪切間隙與剪切力無明顯相關關系。故在保證刀具強度的同時，應采用較大的剪切角和刀具前角。

選取剪切角為15°，上剪刃的前角為10°，剪切間隙為0.9mm，此時所需剪切力較小，約為52kN，僅需液壓缸提供10.5MPa 以上輸出壓力即可，確保了環(huán)鏈剪切裝置驅動油缸設計選型的保守性。

利用上述參數進行環(huán)鏈剪切實驗，實驗中所需最大剪切力經折算約為61kN，與仿真結果近似，此外，仿真模擬的圓環(huán)鏈斷面圖，如圖12所示。剪切裝置實驗所得圓環(huán)鏈的斷面圖，如圖13所示。兩者的斷面形狀基本一致，且斷面切口較均勻，說明了仿真結果的準確性，同時說明剪切裝置能夠快速完成圓環(huán)鏈剪切，滿足工程實際要求。

圖12 仿真結果的圓環(huán)鏈斷面圖Fig.12 The Cross Section of Circular Chain of Simulation Results

圖13 剪切實驗所得圓環(huán)鏈的斷面圖Fig.13 The Cross Section of Ring Chain from Shear Experiment

5 結論

隨著核電日益快速的發(fā)展，高溫氣冷堆技術在示范工程中得到了更加深入的應用。對高溫氣冷堆核電站示范工程的控制棒系統(tǒng)進行了研究，設計了快速剪切圓環(huán)鏈的剪切裝置。

圓環(huán)鏈剪切裝置由運載單元和剪切單元兩部分組成，它與氣氛隔離系統(tǒng)配合使用，氣氛隔離系統(tǒng)負責建立氣氛隔離環(huán)境，避免驅動機構裝拆過程中，堆芯—回路氣體外泄至空氣中；圓環(huán)鏈剪切裝置實現堆芯內圓環(huán)鏈的剪切，即可快速拆除控制棒驅動機構。該裝置滿足現場安全可靠性高、操作控制簡單、安裝調整方便快捷、結構緊湊的具體需求。

對圓環(huán)鏈的剪切過程做了多組仿真模擬，探討了剪切角、刀具前角和刀具剪切間隙等參數與剪切力之間的關系，據此對剪切刃參數進行了優(yōu)化，采用了較大的剪切角和刀具前角，減小了剪斷圓環(huán)鏈所需剪切力，降低了剪切裝置整體所受載荷。

對圓環(huán)鏈的剪切過程開展了驗證實驗，驗證了仿真結果的有效性，并說明該裝置適用于現場工作條件，滿足實際工程要求。