核電站乏燃料水下設備的故障處理

施國亮

（國核示范電站有限責任公司，山東威海264312）

核電站乏燃料水下設備的故障處理

施國亮

（國核示范電站有限責任公司，山東威海264312）

根據CANDU6重水堆核電站乏燃料水下轉運設備的故障特征，找出定位銷、傳動鏈條開口銷安裝錯誤，滾輪擋圈嚴重銹蝕碎裂等故障原因。在限定時間內無潛水員和水下機器人協助的情況下，設計專用工具、制定并實施維修方案，解決了乏燃料轉運過程中，設備驅動嚴重卡澀，驅動力矩過大、小車移動不平穩等問題

核電；乏燃料；水下設備

0 前言

秦山第三核電廠CANDU6重水堆采用不停堆換料方式，每周都要進行多次換料操作。乏燃料由裝卸料機從反應堆堆芯卸出，轉運到臨時儲存池的過程都需要在水下進行，用一定深度的水作為對乏燃料高放射性射線的屏蔽。裝置運行中若水下轉運設備出現故障將無法傳輸乏燃料，換料工作必須暫停。若故障不能在限定時間內消除，將迫使反應堆降功率直至停堆。因此，維修工作的高效開展和成功實施直接影響核電廠的經濟性和安全性。

1 水下轉運設備

（1）結構組成。乏燃料水下轉運設備長3.83 m，寬1.73 m，重約680 kg，安裝在水深5.34 m水池底部的矩形孔洞內，由岸上驅動裝置、鏈條傳動裝置、水下外軌道、內軌道和小車等組成，如圖1所示。水下設備通過外軌道與水底基座用緊固件和定位銷連接，外軌道和內軌道、內軌道和小車可通過滾輪做相對移動，將位于小車上的乏燃料托盤從接收池轉移至貯存池。乏燃料托盤在小車上的擺放和定位由獨立的提升工具來實現。

（2）故障現象。乏燃料轉運過程中，轉運設備驅動出現嚴重卡澀，驅動力矩過大，小車移動不平穩，若繼續轉運可能會發生影響核安全的事故。

圖1 乏燃料水下轉運設備

2 故障分析

通過檢查和試驗，確認岸上設備沒有出現故障，故障位置處于水下。使用水下高清攝像機觀察發現：①轉運設備的定位銷沒有正確安裝。②傳動鏈條部分開口銷安裝錯誤，脫落風險極大。③滾輪擋圈出現嚴重銹蝕甚至碎裂并掉落。

根據故障現象判斷，滾輪擋圈出現嚴重銹蝕甚至碎裂并掉落，是此次故障的主要原因；傳動鏈條部分開口銷的錯誤安裝使故障進一步惡化；定位銷沒有正確安裝，雖不是此次故障的誘因，但增加了故障處理的難度。

2.1 定位銷安裝錯誤

水下轉運設備有2個定位銷，在正確的安裝過程中，定位銷上的通孔用來穿插工具以便將定位銷擰緊，先安裝定位銷，后安裝需定位的轉運設備，定位銷的通孔就會被蓋住而不可見（圖2）。在錯誤的安裝過程中，先就位轉運設備后擰入定位銷，定位銷上的通孔就會暴露在外（圖3）。將定位銷從錯誤位置糾正到正確位置，需要將整個轉運設備拆除。

圖2 正確的安裝位置

圖3 錯誤的安裝位置

2.2 開口銷安裝錯誤

開口銷的錯誤安裝情況如圖4所示，開口銷需要更換，并正確安裝。在無潛水員協助的情況下，水下更換開口銷的難度較大。

2.3 滾輪擋圈銹蝕脫落

從水下攝像機觀察到的滾輪擋圈已經發生嚴重銹蝕，有的已經斷裂和掉落，如圖5所示，均是初次安裝時擋圈材料選擇不當所致。通過查閱相關資料，轉運設備上總共安裝了15個擋圈，其中大部分擋圈的更換必須在將轉運設備的3個組件（外軌道、內軌道和小車）分離之后才能進行。這3個組件的分離及組裝會涉及吊裝、砂輪切割、打磨和焊接等作業，必須把轉運設備整體從水下轉移至岸上維修，在水下難以完成。

圖4 開口銷安裝錯誤

圖5 滾輪擋圈銹蝕脫落

3 維修方案的制定與實施

3.1 維修方案

定位銷安裝異常和設備重心不確定對設備的拆除有一定的阻礙。當定位銷處于圖3所示的錯誤安裝位置時，銷子沒有通過銷孔對轉運設備起到定位作用，銷子與銷孔之間沒有正確配合（不同心）甚至已經壓緊受力。在設備重心不確定的情況下，起吊時難以保證設備處于要求的水平位置。因此，需要首先將定位銷拆除，防止轉運設備卡在定位銷上無法拆除。

轉運設備水下拆卸的簡要步驟：拆下定位銷→松開緊固螺栓→轉運設備吊裝出水；水下安裝的簡要步驟：安裝定位銷→轉運設備吊裝入位→螺栓緊固。水下攝像機將始終貫穿于上述一系列維修過程中，遠距離高清觀察對協助維修作業起到至關重要的作用。維修的難點是解決水下遠距離拆裝定位銷和設備平穩吊裝、可靠定位的問題，為此需要設計制作專用工具。

3.2 設計制作專用工具

轉運設備的2個定位銷和4個緊固螺栓均處于5.34 m深的水池底部，與基座之間均為螺紋連接。拆裝過程中操作距離遠，而且視線受到水波的影響無法直接觀察，因此常規維修工具無法滿足使用需求，需要設計制造和使用專用工具。

（1）由于受到5.34 m水深的限制，考慮到岸上人員對工具的可操作性，因此要求工具長度足夠。通過計算，選擇6 m長直徑1英寸無縫碳鋼管作為長桿工具的本體。

（2）定位銷和螺栓的擰緊力矩分別為200±5 N·m和490± 10 N·m，要求長桿工具上部能夠配合力矩扳手使用以達到要求力矩值，下部能配合不同的接頭以分別滿足銷子和螺栓的拆裝及其他的功能需要。通過設計選型，在無縫鋼管上部焊接3/4英寸方形沉孔的力矩扳手接頭；下部焊接1個能配合不同功能公接頭使用母接頭，公接頭和母接頭之間使用螺栓連接。

由于使用此類長桿工具會對擰緊力矩產生較大的偏差，扳手顯示的力矩與實際傳遞至緊固件的力矩明顯不同，因此在正式使用前需要做好力矩試驗，保證實際傳遞至緊固件的力矩為要求值。圖6為拆除定位銷的專用工具示意圖。

圖6 拆除定位銷專用工具

（3）專用工具下部接頭需具有導向功能，能順暢的套入螺栓和定位銷而不卡澀。根據螺栓和銷子的上半部都是1個具有導向作用的圓形錐面，專用工具下部的公接頭均可以做成與螺栓或定位銷匹配的套筒，通過錐面的導向能夠順利安裝專用工具。

（4）專用工具下部接頭需具有狹小范圍內精確定位和作業的功能。通過觀察和測算，定位銷上的通孔與轉運設備支撐板的距離約為3 mm，定位銷與其相鄰的螺紋凸臺之間的距離為12.7 mm，焊縫的實際寬度和高度約為3 mm。因此，拆裝定位銷的專用套筒的結構必須簡單、緊湊、容易定位，否則無法轉動定位銷。在定位銷通孔中穿過1個銷釘，讓專用套筒帶動銷釘轉動就可以實現定位銷的拆除和安裝，定位銷拆裝專用套筒結構示意見圖7。

（5）定位銷拆裝專用套筒的設計制作要求：①在整個使用過程中銷釘不會從套筒中掉落，否則不但工具使用失敗，而且如此小的銷釘掉落在水池中也難以取出，造成安全隱患。②銷釘和套筒的尺寸必須保證能夠在定位銷和螺紋凸臺之間狹小的空間內自由轉動，不會出現阻擋。③銷釘和套筒能夠在水下簡易、可靠地與定位銷套合或分離。④由于是水下遠距離操作，該工具還需要保證定位銷的不銹鋼螺紋能垂直擰入，否則不銹鋼螺紋極有可能出現咬死。若出現螺紋咬死，不僅需要潛水員下水，而且在水下的處理難度非常大，因此必須避免。這個要求也適用于螺栓的專用套筒。

根據以上4個要求，需要設計制作2個定位銷專用套筒，用于拆卸的套筒內徑和定位銷的外徑采用間隙配合，套筒在定位銷的下插或提升操作簡便，容易把套筒的孔與定位銷的通孔調節到同軸并穿入銷釘；用于安裝的套筒內徑和定位銷的外徑采用過渡配合，有一定的緊度，不會出現晃動，使定位銷與套筒盡量同軸。安裝定位銷時，只要保證套筒加長桿垂直度，定位銷的垂直度也能得到保證，螺紋不會出現咬死現象。

（6）吊具需要具有吊裝過程中水平度調節和穩定定位的功能。由于轉運設備重心的具體位置無法確定，制作的專用吊具還需要能夠將轉運設備調整至要求的水平度位置。轉運設備在水下安裝時銷孔與定位銷配合間隙為0.06 mm，對吊裝要求較高，銷和孔對準后需要通過吊具穩定于該位置并水平緩慢下降。

吊具正式下水使用前，應做好載荷試驗和標定工作，并通過試吊檢驗吊具的功能是否滿足維修工作的要求。

3.3 故障處理

（1）定位銷的拆裝。在定位銷拆除的過程中，專用套筒能順利套入定位銷并將其拆除。在安裝的過程中，螺紋垂直入扣，沒有出現咬死現象。

（2）螺栓的拆裝。因螺栓無法從轉運設備上完全拆下，在拆卸時只需要將螺紋連接完全松開。拆除過程中個別螺栓出現卡澀，拆下后發現螺紋有損傷，修復螺紋后順利安裝。

（3）設備的吊裝。在將設備從水下吊裝至岸上的過程中，先將設備水平起吊至一定高度，整體離開安裝基座后水平移動，讓整個設備全部離開水下孔洞，最后吊離出水上岸。安裝回位吊裝前，先在岸上將設備調整至水平狀態，在銷孔與定位銷對中時，利用其他牽引將設備的位置穩住，使用導向桿順利入位。

在使用專用工具并結合水下攝像機觀察的條件下，乏燃料水下轉運設備的故障在有限的時間內得到了順利解決，反應堆繼續換料操作，沒有出現降功率運行。

4 結語

圖7 定位銷拆裝專用套筒

在乏燃料水下轉運設備故障出現后急需維修的情況下，維修方案的制定和專用工具的設計制作等前期準備工作時間非常有限，這些方案和工具還有一定的優化空間。該設備維修后，經過幾年時間的運行，設備工作狀態良好。對于類似的水下重要關鍵設備，雖然在設計、制造和安裝時都是以在核電站壽期內永久使用為目的，但是也不排除在各種意外因素的作用下發生故障，需要相應的水下作業方案和作業工具來解決這類故障，保證核電站的安全、穩定、經濟地運行。

［1］A.Muscat.Spent Fuel Transfer and Storage[J].AECL，2003，（1）.

［2］S.Girn.Spent Fuel Transfer Equipment[J].AECL，2000，（8）.

〔編輯李波〕

TL423

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10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2016.12.19