AP1000燃料抓取機故障處理

左常迪

摘 要：本文解決了海陽核電廠1號機組首次核燃料接收過程中設備故障問題，AP1000燃料抓取機南起升機構采用防單一故障設計，確保出現任何設備異常后能使燃料組件保持在安全位置。保護功能的實現依賴于傳感器等硬件功能保持完好，過多的保護一方面提高了設備的安全性，另一方面降低了設備的可靠性。故障診斷過程對后續設備維保有很強的借鑒意義。

關鍵詞：AP1000燃料抓取機；防單一故障；核燃料接收

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.19.184

1 AP1000燃料抓取機概述

西屋AP1000 燃料抓取機由美國Par公司設計，是一臺橫跨燃料廠房的門式起重機，可以到達乏燃料儲存區域，新燃料接收和儲存區域，新燃料升降機，乏燃料運輸容器區域和燃料轉運系統乏池側區域。燃料抓取機運行于操作平面的兩條下部軌道上，另外一條上部軌道與乏燃料運輸容器吊車共軌，在地震工況下起支撐作用。兩臺帶有電動小車的葫蘆安裝在上部單軌梁上，葫蘆上可以連接燃料操作工具用來抓取核燃料及內插件。操作員可以在下部走臺上進行抓具手動操作。南葫蘆采用防單一故障設計，負責吊運新燃料及水閘門。北葫蘆是標準工業葫蘆，用于吊運乏燃料。AP1000 燃料抓取機采用雙電動葫蘆結構，能夠避免操作燃料組件時長短柄工具的頻繁更換，其下掛式觸摸控制屏及控制系統的設計便于人員的正常操作。如圖1 所示。

2 南鉤防單一故障模塊介紹

輕水反應堆設計和運行的一個總的要求是裝換料系統在正常和事故工況下能夠確保足夠的安全性1。起升機構可以采用防單一故障設計，即單一故障不會導致系統安全保持載荷能力的喪失，避免由于燃料組件跌落導致放射性外泄1。

南鉤防單一故障模塊使用編碼器監測起升高速軸（電機）轉速和低速軸（卷筒）轉速進行傳動比計算。此外，大車及小車編碼器也用來監測各自坐標軸運動。南鉤傳感器布置如圖2所示。使用過程中，當出現表1所示的任一故障類型時，抓取機PLC會監測到，設備控制臺界面上顯示“單一故障”，同時產生一個緊急停止信號，起升正常剎車和應急剎車抱死，設備處于安全制動狀態。這樣，許多系統故障可以被監測到以避免不受控的載荷跌落。

圖2說明：01 起升電機編碼器（高速軸）；02 起升電機；03 正常剎車（主）；04 正常剎車（冗余）；05 高速軸錐齒輪箱；06 減速箱；07 鋼絲繩卷筒；08 斷繩監測限位；09 防沖頂懸臂式限位；10 應急剎車（棘輪式）；11 低速軸錐齒輪箱；12 蝸輪式上限位及下限位；13 卷筒編碼器（低速軸）。

3 故障描述

在2015年海陽1號機組新燃料接收期間，當用南鉤采用半自動運行模式將新燃料組件向新燃料升降機轉運時，在燃料組件到達指定位置前，南鉤小車運行突然停止，造成燃料組件劇烈晃動。經查看，抓取機控制臺顯示“單一故障”，南鉤故障指示窗顯示“起升傳動比故障”。

4 故障診斷過程

南鉤防單一故障模塊使用起升卷筒編碼器和起升電機編碼器作為輸入進行起升傳動比計算，一般技術通過測量單位時間起升卷筒編碼器和電機編碼器的脈沖數來計算起升的速度和傳動比。但這種傳統的方法存在一些缺點，比如，減速箱輪齒之間存在間隙，處理器速度，順序編程等都會導致測量不準確和系統停機。AP1000南鉤防單一故障模塊由復雜的可編程邏輯設備對起升卷筒和電機編碼器積分信號進行解碼，并且使用低速卷筒編碼器信號作為門信號計取20 MHz晶體振蕩器脈沖。這種方法可以測量出卷筒的絕對轉速。卷筒編碼器門信號也用于計取起升高速電機編碼器脈沖。采用這種傳動比計算方法排除了減速器中由于齒輪間隙的存在造成的傳動比波動，這使得無論是在高轉速還是低轉速階段得到的傳動比都是一致的。傳動比異常意味著傳動鏈中的某個環節出現打滑（比如離合器故障）或者失效（比如聯軸器斷裂）。可編程邏輯設備將測量數據傳送給微控制器以實現傳動鏈連續性的實時監測，一旦傳動比偏離了表1中的許用范圍，且持續時間達到2秒以上，將觸發急停故障，并告知PLC南鉤單一故障觸發。

將新燃料組件置于安全位置后，反復模擬上述燃料轉運過程，試圖復現故障，發現故障的出現是隨機的，屬于偶發故障。因此，診斷初期決定將端子虛接等接觸不良故障作為第一診斷方向，這也符合偶發性故障的特征。對照設備電氣接線圖，檢查了南鉤卷筒編碼器和起升編碼器在單一故障模塊處理器卡件的端子壓接情況，對疑似接觸不良的端子松開后重新進行壓接，重新投運設備后發現故障依舊無法消除，之后目視檢查了從編碼器至處理器的電纜，發現外觀良好，沒有受力的痕跡，基本能夠排除由于電纜芯線斷裂造成不連續故障的情況。由于模塊內處理器卡件承擔編碼器解碼及傳動比計算的功能，將處理器模塊故障作為第二診斷方向，但更換新處理器卡件后依舊不能消除故障。最后將故障鎖定在起升卷筒編碼器和電機編碼器上，在對兩個編碼器進行外觀檢查后，發現卷筒編碼器卡環未完全擰緊，在設備半自動運行模式下，大小車高速聯動時，卷筒編碼器輸入端由于小車高速啟動引起的擾動產生了虛假輸入信號，導致起升傳動比異常，上述分析符合故障出現的偶發特征，將編碼器卡環擰緊后，故障排除。

5 結語

AP1000燃料抓取機屬于機電一體化的設備，用于燃料組件相關的操作，控制方面設計了很多保護，確保出現任何設備異常后能使燃料組件保持在安全位置。保護功能的實現依賴于傳感器等硬件功能保持完好，過多的保護一方面提高了設備的安全性，另一方面降低了設備的可靠性，因為任何一個傳感器失效都能導致整個設備不可用。這就對燃料組件操作期間的維保工作提出了挑戰。在每次燃料組件操作前，需要重點檢查設備硬件方面的問題，例如端子有無虛接，編碼器卡環是否松脫，確保重要操作過程中設備的可用性。

參考文獻：

[1]NUREG-0554 Single-Failure-Proof Cranes for Nuclear Power Plants.endprint