AP1000機組MR40轉運容器結構設計

吳 捷1，甘 諦2

（1.國核工程有限公司，上海 200233；2.中國原子能科學研究院 實驗工廠，北京 102413）

浙江三門核電站和山東海陽核電站采用了美國西屋電氣公司AP1000 技術，其中MR40轉運容器是由西屋電氣公司編制技術規格書、國核工程有限公司負責采購管理、中國原子能科學研究院承擔研制的設備。

MR40轉運容器的主要功能為：抓取高、低壓筒式過濾器中的廢過濾芯子，收入容器筒倉內，通過無軌式電瓶小車轉運至廢過濾器芯子貯存間，通過MR40轉運容器將廢過濾芯子放置在廢過濾芯子貯存架上暫存，當貯存架上的廢過濾芯子數量過多時，還要通過容器將廢過濾芯子二次轉運至一高完整性HIC 圓柱形容器中，做后續處理。

MR40轉運容器設計的基本要求為：容器具有屏蔽功能，同時要求整個操作和轉運過程中，廢濾芯均處于封閉環境，以免放射性泄漏，對工作人員造成傷害。

在設計過程中，借鑒了壓水堆機組同類設備（核島廢濾芯更換轉運容器［1］）的結構形式：核島廢濾芯更換轉運容器主要包括導向圈、閘板門、筒體、蓋板、吊具、梯子、提升裝置和電控系統等，通過電機驅動卷揚機升降容器內部的抓具體，下部閘板門通過電機驅動實現啟閉功能，裝置的電氣元器件包括電機、變頻器、編碼器、限位傳感器、重量傳感器等，通過1套帶可編程控制器（PLC）的電控系統進行控制操作，操作過程中人員可進行遠距離操作。

但AP1000機組MR40轉運容器與壓水堆機組核島廢濾芯更換轉運容器也存在不同的要求，決定了其與二代壓水堆機組核島廢濾芯更換轉運容器的結構形式有較大的不同：1）由于廠房條件限制，MR40的驅動無法采用電動控制的方式，只能采取人員近距離手動操作，這就對設備提出了更高的要求，如屏蔽更安全、結構形式更可靠、操作更簡便等。2）AP1000機組與二代壓水堆機組所采用的過濾器芯子結構形式不同。前者為一字把手形式，對抓具有方向性要求；后者中心為圓環狀結構，無抓取方向要求。相比較而言，前者的操作要求更高，結構也更為復雜。3）西屋電氣公司對MR40做了許多關于結構尺寸、功能實現等方面的具體要求。如：由于受通道尺寸限制，容器外形尺寸限定在φ965mm（直徑）×940mm（高）以內；容器與多個設備有接口要求，如現場吊車、壓力容器筒倉蓋板臨時屏蔽體、轉運電瓶車、廢過濾芯子貯存架以及HIC高完整性容器等，接口條件和操作工藝流程相對復雜。

本文結合抓取對象的結構形式和操作工況等要求，給出1套設備的結構設計方案，并進行相關的輻射防護和力學計算。

1 結構設計［2］

MR40轉運容器外形設計尺寸為φ572mm（直徑）×940mm（高），滿足規格書外形最大包絡尺寸要求，重量約2.2t，主要分為筒體、抓具體、滑臺組件、卷揚機組件等部件。采用手動驅動的方式，用鉛和鎢合金作為屏蔽材料。閉合狀態下，重心處于筒體軸線上，起吊穩定。主體結構示于圖1。

1.1 筒體

筒體又包括上蓋、中間筒體、下座等，主要結構為：1）中間筒體內外為不銹鋼包殼，包殼內部灌鉛，以滿足輻射防護的需要，筒體外部焊有吊耳、拉鉤等附屬零部件；2）筒體上蓋可拆卸，可通過上部吊環螺釘單獨吊裝，與中間筒體通過螺栓固定，內部灌鉛，可作為抓具導向套筒、鋼絲繩滑輪組件、上部輔助鎢合金屏蔽塊等的安裝基礎；3）下座為不銹鋼板，作為整個容器的支承基礎，同時也是導向圈、滑臺組件等的安裝基礎，要求有較高加工精度。

圖1 MR40運輸容器主體結構Fig.1 Structure of MR40cask

實際設計過程中，容器受規格書外形尺寸限制（特別是高度尺寸方向），同時又要滿足屏蔽設計要求，為此，部分結構采用了鎢合金作為屏蔽體，其密度更大，屏蔽效果更好，相對尺寸也更小。

1.2 抓具體

抓具體采用的是無動力自重式機械抓具（圖2），功能原理是：在與外部設備接觸過程中，依靠抓具自重驅動內部星形塊轉動至不同工位，從而實現抓具頭部抓爪的開合（本抓具已有成功應用的經驗）。抓具體主體結構為不銹鋼材料，星形塊等耐磨部件選用強度和表面硬度更高的沉淀硬化不銹鋼，最大抓取重量23kg，抓取的對象為廢過濾器芯子，其接口部位為1根橫梁把手，抓具應能可靠地抓住把手。

需關注的是，由于廢過濾器芯子把手是有方向的，對抓具也有了抓取方位的要求，因此在抓取前應先確定把手的方向，然后確定抓具抓爪的方向，同時在抓具體外部設置了導向套，通過導向銷與抓具體連接，可隨抓具體的上下移動在軸向自由伸縮，但不能軸向轉動，可防止抓具體在升降過程中發生轉動，無法抓取芯子。此外，除了對抓具體本身的結構形式提出要求外，還應對過濾器芯子的安裝方位、MR40容器的定位方位等作出相應規定，以有效解決廢過濾器芯子抓取方位的問題。

圖2 抓具體主體結構Fig.2 Structure of gripping apparatus

1.3 滑臺組件

為滿足廢過濾器芯子能從底部開口進出容器，同時開口應在裝載芯子后關閉，以防止輻射曝露和防止放射廢液滴落擴散的要求，容器在下部設置了1套滑臺組件（圖3），其包含滑臺、鋼珠滾輪、導液管、接液盒和把手等。

圖3 滑臺組件Fig.3 Structure of sliding table

1）滑臺主體為不銹鋼包殼，內部灌鉛。

2）滑臺外壁裝有鋼珠滾輪，采用成熟產品，負載滿足使用要求，安裝后通過人工可輕松地推拉滑臺。

3）滑臺中部上表面加工了1個凹臺，可接收廢芯子上滴落的廢液，并通過1根曲折的導向管將廢液收集到滑臺外側安裝的1個封閉式接液盒中，接液盒上裝有液位計，人員可目視監測盒內液體的儲量，及時處理。

4）把手主要用于人員通過手或長桿工具對滑臺組件進行推拉操作。

5）在滑臺的開關兩個極限位置設置了固定銷，到達預定位置后用固定銷將滑臺固定住，防止在操作過程中，滑臺意外滑動導致事故發生。

1.4 卷揚機組件

抓具體的升降依靠1套手動鋼絲繩卷揚機機構驅動（圖4）。卷揚機主體采用不銹鋼材料，主要機構包括了鋼絲繩卷筒、壓輥、計數器、防轉夾板、棘輪棘爪機構、手輪以及支架等。

圖4 卷揚機組件Fig.4 Structure of hoist

1）壓輥主要用于防止鋼絲繩脫槽。

2）鋼絲繩將抓具體提升至預定位置后，可通過防轉夾板抱緊轉軸，防止卷揚機的意外轉動。

3）計數器顯示卷揚機轉動圈數，可粗略地指示抓具體的大概位置，當其處于高位或低位時，操作人員可適當放慢轉動速度，防止碰撞。

4）棘輪棘爪機構是防逆轉機構，主要用于在提升廢過濾芯子的過程中，由于人員操作失誤導致廢過濾器芯子反向滑落的情況。

此外，為了防止抓具體升至最高位時碰撞容器上蓋造成危險，在上蓋內側設置了1個彈簧緩沖器，并在緩沖器上設有1個指針，具備最高位指示功能。

1.5 其他

容器附屬設備還包括與其他設備接口的法蘭座、固定掛鉤等以及輔助屏蔽塊、長桿工具等。

1）針對容器其他設備的接口進行了細致的考慮：容器上部設置吊耳，用于吊裝，可通過卸扣、吊裝帶與吊車連接；在下座設置了導向圈，方便與壓力容器筒倉蓋板臨時屏蔽體、廢過濾芯子貯存架等設備對中安裝；在容器筒體側面設置了拉鉤，可通過緊繩器等將容器與轉運小車拉緊固定，防止運輸過程中容器出現晃動、移位等。

2）在人員操作側的薄弱部分設置了鎢合金輔助屏蔽塊，以提供給操作人員更為安全的輻射防護。

3）長桿工具的設置主要是在特殊情況下用于操作人員遠距離推拉滑臺組件。

2 屏蔽與力學計算［3］

2.1 屏蔽計算

技術規格書要求：廢過濾芯子在移除時將有5Sv／h的輻射劑量率，MR40轉運容器的屏蔽要求為在距容器表面30cm 處，將放射性劑量率減少至1mSv／h，同時過濾器表面伽馬射線能譜應假設能級在0.45～3.0 MeV 之間。

據此要求，屏蔽計算的源項為直徑150mm、高525mm 的反應堆回路濾芯。設該濾芯為均勻分布體源。由于濾芯為塑料材料，可忽略輻射在濾芯體內的衰減，所以源項按真空中均勻分布計算。設濾芯側表面中心平面外的劑量率為5Sv／h，光子能量均按3.0 MeV 計算。

源項與屏蔽計算均采用通用蒙特卡羅程序MCNP。該程序能模擬包括中子、光子、電子在內的多種粒子在物質中的輸運過程。并且該程序能模擬三維幾何結構，給出空間劑量場的分布。

經前期估算，MR40 鉛罐罐體采用側向14.5cm 的鉛屏蔽及累計1.8cm 的不銹鋼；底部7cm 的鎢合金、1.55cm 鉛及累計1.8cm的不銹鋼；頂部10cm 鎢合金及累計2.2cm 的不銹鋼；頂部開口8cm 不銹鋼及1.8cm 鎢合金完成對濾芯的屏蔽。計算使用的幾何結構模型示于圖5。

通過對MR40轉運容器的模擬計算，距容器外表面30cm 處不同位置的當量劑量率列于表1，劑量場的分布如圖6所示。

圖5 MR40輻射屏蔽計算模型Fig.5 Radiation shielding calculation model of MR40cask

位置 周圍當量劑量率／（mSv·h-1）容器側向外表面30cm 0.362容器底部外表面30cm 0.506容器頂部外表面30cm 0.830

圖6 MR40鉛罐縱向中心平面劑量率分布Fig.6 Plane dose rate distribution for MR40cask

通過屏蔽分析和計算可知，容器結構形式滿足輻射防護的需要。

2.2 力學計算

容器本身結構較為簡單，起吊用吊耳根據HG／T 21574《化工設備吊耳及工程技術要求》的標準選用，留有較大的安全裕量；其他選用的外購標準件和各受力結構件也均有較大的安全系數。

3 制造要求

結合MR40轉運容器的使用工況和西屋電氣公司技術規格書對設備制造的相關要求，確定了以下幾點基本的制造要求：

1）設備的制造過程應編制質量計劃，并設置相應的見證點；

2）主要材質均選用美標奧氏體不銹鋼材料，應符合美國ASTM 相關標準要求；屏蔽材料選用鉛和鎢合金；

3）材料的焊接和焊接人員資質應符合美國焊接協會AWS標準相關要求；

4）設備的無損檢測和人員資質應符合美國無損檢測協會ASNT 標準相關要求；

5）制造、組裝、調試和試驗各階段均應編制相應程序文件和試驗大綱，并做好相關記錄；

6）設備的清潔、包裝、儲存和運輸應符合相關程序文件規定；

7）設備的調試和試驗應模擬核電現場實際工況進行，以確定設備的功能是否完全滿足使用要求；

8）設備應操作靈活方便，不得有卡滯、阻塞等問題；

9）所有不銹鋼表面應酸洗鈍化處理，所有機加工件銳邊倒鈍。

4 結論

由于AP1000機組與二代壓水堆機組中關于廢過濾器芯子的處理工藝不同，因此對相關的配套設備的功能要求也有差異。為了滿足AP1000 機組對轉運容器的一些新要求，在MR40轉運容器的設計過程中，借鑒了壓水堆機組核島廢濾芯更換轉運容器的結構形式，機組同時充分考慮了設備工藝操作流程的每個細節，對設備結構做了精心的設計，完全滿足西屋電氣公司采購技術規格書的相關要求。

MR40轉運容器以及其多項配套設備也是國內首次研制，設計初期碰到諸如工藝操作要求不明確、廠房環境條件復雜、設備功能要求不合理、設計輸入條件不全等困難，在這個過程中，經歷了兩次西屋電氣公司對技術規格書的升版，多次修改設計方案，中國原子能科學研究院和國核工程有限公司的技術人員通力合作，克服了諸多工程技術上的難點，最終完成了設備設計工作，目前首個機組設備已制造完成，通過了出廠試驗，順利運至核電現場。

［1］ 亢之義，石兵，袁坤.廢過濾器芯子更換轉運容器：中國，2009200068047［P］.2010-01-06.

［2］ 徐灝.機械設計手冊［M］.北京：機械工業出版社，2000.

［3］ 李德平，潘自強.輻射防護手冊［M］.北京：原子能出版社，1991.