核電站堆內構件水下維修專用測量工具開發及應用

劉永駿, 黃 然, 高 雷

(上海核工程研究設計院, 上海 200233)

核電站堆內構件水下維修專用測量工具開發及應用

劉永駿, 黃 然, 高 雷

(上海核工程研究設計院, 上海 200233)

核電站堆內構件由于在輻照環境下工作的特殊性, 其故障后的維修必須在水下進行. 使用先進的水下維修測量技術, 對提高檢修效率、保護人員安全有很大幫助. 通過對堆內構件在役維修技術的研究, 解決了遠距離水下孔徑、孔距、徑向距離、間隙測量的問題, 開發了多種新型水下測量工具. 新型測量工具具有結構小巧、耐輻照、可遠程操作、測量精度高的特點， 且能夠滿足秦山一期核電站輻照監督管支架更換對水下測量應用的要求.

核電站; 堆內構件; 水下維修; 測量工具

隨著世界經濟的發展和科學技術水平的不斷提升, 核能的和平利用已經成為一種趨勢, 核電作為一種可靠和清潔的能源已受到世界各國的歡迎[1]. 國內外核電站的運行經驗表明, 核電設備特別是反應堆堆內構件由于受各種因素的影響, 如工作條件惡劣、設備制造工藝與加工缺陷、結構設計考慮不周以及設備長期運行的結構老化等原因, 不可避免地出現了故障. 為了減少核電站因設備故障而造成的非正常停堆, 減少由此帶來的經濟損失, 提高核電站的可利用率, 世界各國都對核電站的在役維修非常重視[2-3]. 而在役核電設備一般具有較高的放射性, 為保證人員安全, 維修時需要使用硼酸水進行屏蔽. 整個維修作業須在高放射性環境的水下進行, 這對檢修過程中使用的工具提出了新要求, 水下維修測量工具就是其中的一大類. 本文通過對堆內構件在役維修技術的研究, 開發了多種新型水下測量工具, 并成功應用于秦山一期核電站輻照監督管支架的更換.

1 堆內構件水下維修

堆內構件是指反應堆壓力容器內除堆芯組件外的其他構件, 主要包括吊籃部件、壓緊部件及輻照監督管等[4]. 由于堆內構件處于高溫、高壓、高輻照的工作環境, 并受到含硼水流動的沖刷, 長期使用存在失效風險, 所以筆者課題組圍繞堆內構件水下維修工藝開發了工作平臺和工具輸送系統[5], 如圖1所示. 工作平臺提供人員在水上的操作空間, 輸送系統可精確輸送維修工具至水下檢修位, 并提供空壓、液壓、電力和水下監視.

維修時將工作平臺和工具輸送系統吊裝到堆內構件上, 平臺上的操作人員既可使用長柄工具遠距離操作維修工具, 也可以利用工具輸送系統將維修工具下降到水下檢修位進行工作. 水下維修測量工具的使用也須依托該系統.

2 水下維修測量工具

為滿足堆內構件維修的需要, 本文進行輻照情況下的水下測量技術研究, 開發了專用的系列水下測量工具, 包括孔徑、孔距、徑向距離、間隙測量工具. 測量工具采用耐硼酸水腐蝕和輻照的鋁合金與不銹鋼制造, 具有結構簡單小巧、質量輕、強度高、便于遠程操作且受核污染后表面去污效果好的技術特點， 對于縮短維修時間以及控制人員接受輻射劑量有很大幫助. 這些測量工具首次應用于國內核電站在役維修領域, 具有技術原創性.

2.1 孔徑測量工具

孔徑測量工具可以在水下精確地測量孔的直徑, 如圖2所示, 其由連接頭、臺階、測量棒組成. 測量棒從下至上由直徑逐漸減小的同心圓柱體構成, 每個圓柱體的直徑以及兩個相鄰圓柱體的直徑差值根據被測量孔的大小和所要求的測量精度來確定.

1—連接頭; 2—臺階; 3—測量棒圖2 孔徑測量工具Fig.2 Aperture measuring tool

使用時, 工具上部連接頭與手操長柄工具用插銷連接, 自下而上地插入被測孔, 當測量棒被卡在孔內時, 所卡住的圓柱體的直徑即為該被測孔的孔徑值. 測量棒上方的臺階用以防止長柄工具與檢修設備碰撞.

2.2 孔距測量工具

孔距測量工具可以在水下精確地測量兩孔間的距離, 如圖3所示, 其由定位銷、機架、連接頭、軸承座、軸承、測量銷、滑動軸、位置反饋氣缸和數字式面板儀表(DPM)組成. 定位銷、連接頭、軸承座與位置反饋氣缸安裝在機架上, 氣缸數據線連接到水上的DPM, 實現移動距離的讀數. 伸出機架底部的測量銷通過滑動軸與氣缸相連, 在氣缸的帶動下可沿軸承前后滑動, 移動的距離通過位置反饋氣缸顯示在屏幕上. 定位銷可根據所測孔徑大小的不同進行更換, 整個儀器利用形似“游標卡尺”的結構實現對檢修設備孔距的精確測量. 孔距測量工具的量程和精度由位置反饋氣缸決定.

1—定位銷; 2—機架; 3—連接頭; 4—軸承座; 5—軸承; 6—測量銷; 7—滑動軸; 8—位置反饋氣缸圖3 孔距測量工具Fig.3 Hole distance measuring tool

使用步驟: (1) 將供氣管連接在位置反饋氣缸上, 并在水上標定測量工具, 使其定位銷與測量銷間的距離為D; (2) 使用長柄工具將其放入水下, 將定位銷插入其中一個待測孔, 較小的測量銷插入旁邊另一個孔, 并使工具底面與待測孔所在面平整貼合; (3) 操控手動氣控盒, 使氣缸伸出、測量銷夾緊, 反饋的移動距離d顯示在DPM讀數上; (4) 再次操控手動氣控盒使氣缸復位, 并轉動長柄工具, 使工具沿定位銷轉動一定角度; (5) 重復步驟3、4, 多次測量并記錄移動距離di(i=1, 2, …,n), 并取最大值dmax, 經計算得到孔距L=D-dmax.

2.3 徑向距離測量工具

徑向距離測量工具可以在水下精確地測量兩個面之間的徑向距離, 如圖4所示, 其由探針、位置反饋氣缸、機架和安裝底板組成. 探針與安裝在機架上的位置反饋氣缸相連, 在氣缸的帶動下前后移動, 移動的距離通過位置反饋氣缸顯示在遠端的DPM上. 整個工具由安裝底板固定在工具輸送系統上. 徑向距離測量工具的量程和精度由位置反饋氣缸決定.

1—探針; 2—位置反饋氣缸; 3—機架; 4—安裝底板圖4 徑向距離測量工具Fig.4 Radial distance measuring tool

使用步驟: (1) 將徑向距離測量工具安裝在輸送系統上, 并將供氣管連接在位置反饋氣缸上, 工具隨輸送系統下降到第一個水下待測面所在位置; (2) 操作手動氣控盒, 使探針伸出, 在第一個面上采A點, 并記錄移動距離的讀數d1; (3) 使探針復位, 并繼續將工具下降到第二個待測面位置; (4) 再次操作手動氣控盒, 伸出探針在該面上采B點, 并記錄讀數d2; (5) 經計算得到兩面之間的徑向距離AB=∣d2-d1∣.

2.4 間隙測量工具

間隙測量工具可以在水下精確地測量裝配間隙, 該工具分為上下、 左側和右側間隙測量工具3種, 工作原理基本相同. 間隙測量工具如圖5所示, 其由塞尺片、測量臂、轉軸、擺動氣缸、限位銷、機架、安裝螺栓和六角螺帽組成. 測量臂用緊定螺釘安裝在穿過機架的轉軸上, 機架底板通過安裝螺栓固定在工具輸送系統上. 上下間隙測量工具的測量臂由擺動氣缸驅動旋轉, 氣缸的擺動角可調. 左側或右側間隙測量工具的測量臂由長柄工具驅動六角螺帽來旋轉, 并由安裝在機架上的限位銷來限制測量臂的擺動范圍. 測量臂頭部安裝有用于測量間隙用的塞尺片, 測量臂上有多個調節位, 用于調整間隙測量工具的旋臂長度.

1—塞尺片; 2—測量臂; 3—轉軸; 4—擺動氣缸; 5—限位銷; 6—機架; 7—安裝螺栓(a) 上下間隙

1—塞尺片; 2—測量臂; 3—六角螺帽; 4—轉軸; 5—限位銷; 6—機架; 7—安裝螺栓(b) 左側或右側間隙圖5 間隙測量工具Fig.5 Clearance measuring tool

使用時, 先根據輸送系統到待測位置之間的距離調節間隙測量工具的旋臂長度, 再將測量臂處于縮回位置的工具安裝在輸送系統上并使供氣管與擺動氣缸相連, 隨輸送系統下降到水下待測位置. 然后用擺動氣缸或長柄工具驅動測量臂由收回位置向伸出位置旋轉, 并用水下監視攝像頭觀察塞尺片與待測間隙的接觸情況, 以確定間隙大小. 根據測量要求可選擇不同厚薄規格的塞尺片.

3 測量工具的應用

本文開發的測量工具都具有水下作業、耐輻照、遠程操作、測量精度高的特點, 既可以單獨使用測量幾何尺寸, 也可以結合相應的測量方案來檢測形狀與位置度. 測量工具已在秦山一期30萬kW壓水堆核電站輻照監督管支架的更換中成功應用, 現介紹其實際應用情況.

3.1 輻照監督管支架更換

“堆內構件在役維修技術研究”項目中, 要求在核電機組多個燃料循環后對支撐腳出現缺陷的輻照監督管支架(如圖6所示)進行更換. 輻照監督管支架固定在位于反應堆壓力容器內的吊籃筒體外壁面上, 其內安放有用于監測壓力容器筒體受中子輻照和熱環境影響所造成的材料性能變化的輻照監督管. 輻照監督管內的輻照樣品需定期從堆內抽出進行試驗, 以證明反應堆壓力容器在正常和事故工況下都能保持結構完整性.

圖6 輻照監督管支架Fig.6 Irradiation inspection tube support

經多個燃料循環運行后, 吊籃表面的輻照劑量率約為10 Sv/h, 在如此高的輻照劑量環境下, 人無法近距離接觸， 需將吊籃放置在2.4 m深, 硼酸質量分數為2‰的水下進行輻射屏蔽, 人員在水上的工作平臺上進行檢修操作. 為保證輻照監督管能順利地經由吊籃法蘭吊裝孔放入支架或從中取出, 要求新安裝的輻照監督管支架的管中心與吊裝孔中心之間的同軸度在1 mm之內. 同時要求新的支撐腳與吊籃筒體外壁面貼合緊密, 兩者之間的間隙不大于0.2 mm.

為滿足輻照監督管支架更換對水下測量的應用需求, 根據第2節所述制造了一批專用水下維修測量工具, 其性能和測量對象如表1所示.

表1 水下維修測量工具

(續 表)

3.2 水下測量基準

要保證輻照監督管支架的管中心與吊籃法蘭吊裝孔中心之間的同軸度, 首先要確定吊裝孔的中心線.

吊籃法蘭上有多個相鄰的吊裝孔, 以其中一個為例介紹其中心線的測量方法. 先用孔徑測量工具精確測量這一吊裝孔與附近另一吊裝孔的直徑, 得到孔徑D1和D2. 再由孔徑D1確定孔距測量工具定位銷的直徑, 用該工具測量相鄰兩孔間的距離, 得到孔距L. 最后制造出水下測量基準裝置, 作為其后距離測量的基準.

水下測量基準裝置如圖7所示, 其由套爪提升頭、上面板、定位銷、連接機構、調整板和基準板組成. 兩個定位銷安裝在上面板的孔內, 定位銷的直徑等于相鄰吊裝孔的孔徑D1與D2, 上面板兩孔間距離等于吊裝孔孔距L. 通過連接在套爪提升頭上的長柄工具, 將兩定位銷插入吊裝孔內, 并使上面板與吊籃法蘭面貼合. 上面板下方通過連接機構連接一調整板與基準板, 調整板的形狀有特定要求, 以保證基準板的外側面過吊裝孔中心線且垂直于過吊裝孔中心的吊籃筒體直徑. 該平面就是過吊裝孔中心線的基準面.

1—套爪提升頭; 2—上面板; 3—定位銷; 4—連接機構; 5—調整板; 6—基準板圖7 水下測量基準Fig.7 Datum plane of underwater survey

3.3 距離與間隙測量

在確定了過吊裝孔中心線的基準面后, 為保證支架安裝后與孔中心的同軸度, 需測量中心線到每個支架在吊籃外壁面預定安裝位置的距離(即測量基準面到每個安裝面的徑向距離), 從而確定支架每個支撐腳的高度. 測量過程如圖8所示.

圖8 徑向距離測量過程Fig.8 Measuring process of radial distance

測量時, 徑向距離測量工具隨工具輸送系統先下降到水下測量基準所在位置, 操控工具在基準板上采點, 該點為落在吊裝孔中心線上的基準點, 得到測量距離d0. 再將工具依次下降到各支架安裝位置, 先后在外壁面上采點, 得到測量距離di(i=1, 2, …,n), 即可得到每個位置到吊裝孔中心線的徑向距離Li=(di-d0) (i=1, 2, …,n). 由Li值確定各個支撐腳的高度, 保證安裝后的輻照監督管支架的管中心與吊裝孔中心之間的同軸度在1 mm之內.

為檢驗新安裝支架的可靠性, 使用工作輸送系統將間隙測量工具潛入水下, 到達各個支撐腳位置. 用塞尺分別檢驗支撐腳與吊籃筒體外壁面上、下、左、右的間隙小于0.2 mm.

4 結 語

本文開發的水下維修專用測量工具, 具有結構小巧、耐輻照、可遠程操作、測量精度高的特點. 制造的樣機經試驗能夠滿足核電站堆內構件維修對水下測量應用的需求, 對提高核電站水下維修的效率和控制人員受輻照劑量有很大幫助, 其應用前景廣闊.

根據我國《核電中長期發展規劃》, 到2020年核電運行裝機容量將達到4 000萬kW, 同時向國外出口核電技術. 不斷地發展與完善具有自主知識產權的先進水下維修技術與裝備, 是對核電站安全高效運行的有力保障.

[1] 歐陽予, 汪達升. 國際核能應用及其前景展望與我國核電的發展[J]. 華北電力大學學報, 2007, 34(5): 1-10.

[2] 徐玉虎, 徐念念. 核電堆內構件在役維修用水下吸塵裝置[J]. 通用機械, 2009(4): 20-23.

[3] CASANUEVA R, AZCONDO F J, ALCEDO L, et al. Advanced cutting experiences for a nuclear power plant application [J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2010, 46(1): 17-21.

[4] 鄭明光, 杜圣華. 壓水堆核電站工程設計[M]. 上海: 上海科學技術出版社, 2013: 84-93.

[5] 翁志敏. 三維激光跟蹤儀在核電維修設備制造檢驗中的應用[J]. 機械研究與應用, 2014, 27(6): 73-75.

Invention and Application of Measuring Tools for Reactor Internals Underwater Repair in Nuclear Power Plant

LIUYong-jun,HUANGRan,GAOLei

(Shanghai Nuclear Engineering Research & Design Institute, Shanghai 200233, China)

Because of reactor internals working in radiation environment, they should be repaired in underwater. The use of advanced underwater measuring technology is helpful to improve the efficiency of repair and protect the safety of workers. Based on the technology research for in-service reactor internals repair, the problem of underwater measurement for aperture, hole distance, radial distance and clearance has been solved. A variety of new measuring tools have been invented, which have many characteristics, such as compact construction, resistant to radiation, remote operation and high precision. These measuring tools can be applied in replacement of irradiation surveillance capsule bracket for QinShan I nuclear power plant.

nuclear power plant; reactor internals; underwater repair; measuring tools

1671-0444 (2016)04-0548-06

2015-04-20

國防科工委“堆內構件在役維修技術研究”資助項目(5K201)

劉永駿(1983—), 男, 江蘇靖江人, 工程師, 碩士, 研究方向為機械設計. E-mail: will_lyj@163. com

TH 12

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