蒸汽發生器螺栓拉伸機控制系統設計

錢艷平，胡 娜，韓小雷

（1.中核武漢核電運行技術股份有限公司，湖北武漢 430000；2.臺山核電合營有限公司，廣東臺山 529200）

0 引言

蒸汽發生器（Steam Generator，SG）作為核電站關鍵承壓設備，每個維修周期都需要進行人孔蓋板的開蓋及關蓋密封作業。以往采用力矩扳手裝拆螺栓螺母，旋緊過程中螺牙因粘連燒結易導致發生螺栓咬死現象。現在大多數核電站改為采用螺栓拉伸的方式進行開關蓋作業，咬死狀況大為改善。

整體拉伸式螺栓拉伸機（以下稱“螺栓拉伸機”）可以將蒸汽發生器一次側人孔所有的螺栓同時、同步的拉伸，這種對所有螺栓同時、同步的拉伸能最大限度地滿足密封的需要。其控制系統能實現拉伸機對螺栓的可控高精度拉伸，減少操作人員的輻照計量。

1 控制系統總體設計

螺栓拉伸機控制系統分為氣液系統和電控系統。

（1）氣液系統采用液壓超高壓技術對人孔蓋鎖緊螺栓進行可控拉伸，以實現人孔蓋開蓋拆卸及預緊密封關蓋（圖1）。氣液系統的主要功能包括：給拉伸機輸出超高壓、小流量的液壓油；將氣源壓力穩定調節至設定壓力；遠程控制進入氣液泵氣體的流量與壓力；實時反饋氣液泵的出口壓力；壓力超過設定值時的安全溢流功能；高壓油手動卸荷功能。

圖1 氣液系統原理

（2）電控系統通過監測拉伸量和壓力數據控制氣液系統氣路的開關及流量，對氣液系統輸出的高壓油的流量、壓力進行控制，以實現拉伸過程的自動控制。該系統實行分級拉伸，確保多個螺栓拉伸的均衡性。

2 控制系統的設計和實現

2.1 氣液系統設計

氣液系統由手動空氣開關閥、減壓閥、空氣開關閥、流量控制閥、單向調速閥、氣液泵、壓力變送器、高壓卸荷閥、溢流閥等組成。其中，手動空氣開關閥用于手動開啟或關閉氣源進氣；減壓閥用于準確調節氣源壓力，并且將工作氣壓穩定在2～7 bar（0.2～0.7 MPa）；空氣開關閥與電控箱連接，用于遠程控制氣源啟閉；流量控制閥通過控制流入氣液泵的氣體流量來控制液壓油升壓的速率，從而控制拉伸速率；單向調速閥用于當流量控制閥斷開時進行單向節流，使氣液泵每分鐘沖程數≤20 次/min；氣液泵通過流經氣源控制閥的氣體壓縮活塞，將油箱中的液壓油抽出并增壓；溢流閥用于當壓力超出系統設定壓力（出廠時設定120 MPa）時，將高壓液壓油排入油箱；壓力變送器用于實時監測氣液泵的出口油壓；高壓卸荷閥用于高壓油手動卸荷。

2.2 電控系統

2.2.1 電控系統硬件設計

電控系統采用上位機和下位機組成的系統控制方案。其中，下位機采用美國國家儀器公司的NI Compact RIO 平臺，選用NI cRIO-9075 集成化系統，它集成了400 MHz 工業實時處理器和LX25 FPGA，并具有4 個用于NI C 系列I/O 模塊的插槽，在cRIO-9075 中插入數據輸入輸出模塊以及串口通信模塊，完成系統所需的數據采集以及通信功能；上位機選用X86 架構的工業平板電腦，配備高性能Intel 處理器，15 寸LCD 顯示器，面板帶按鍵控制（圖2）。

圖2 控制系統硬件結構

2.2.2 電控系統軟件設計

2.2.2.1 控制邏輯

螺栓拉伸機控制系統用于實現人孔蓋的開關操作，控制關孔拉伸和開孔拉伸操作。關孔拉伸分為三次拉伸，開孔拉伸為一次拉伸，每一次拉伸流程類似。

關孔拉伸通過控制兩個氣路電磁閥—空氣開關閥和流量控制閥來控制液壓系統，從而最終控制螺栓拉伸的長度。第一次拉伸和第二次拉伸動作停止均取決于設定的液壓系統壓力值：當液壓系統壓力低于初設值時，空氣開關閥和流量控制閥系統打開，系統處于較快速的拉伸階段；當壓力值達到初設值時，系統關閉流量控制閥，系統進入慢速的精細拉伸階段；當壓力值達到設定值時，系統關閉空氣開關閥，拉伸動作停止。

第三次拉伸動作的停止取決于拉伸過程滿足兩個條件之一：一是液壓系統的設定壓力，二是螺栓拉伸量。液壓系統壓力低于第三次拉伸初設值時，打開空氣開關閥和流量控制閥，進入較快速拉伸階段。壓力達到初設值時關閉流量控制閥，拉伸進入慢速的精細拉伸階段。

2.2.2.2 軟件模塊

確定螺栓拉伸機控制系統硬件配置方案和控制邏輯后，使用Lab VIEW2012 的開發環境，設計了螺栓拉伸機控制系統軟件。控制系統下位機為Compact RIO 平臺，采用VxWorks 實時操作系統。上位機為X86 架構的工業平板PC（Personal Computer，個人計算機），采用WIN 7 操作系統。

（1）上位機軟件。主要實現以下功能：提供控制系統狀態和數據顯示，參數設置，實現人機交互；發出控制指令到下位機；對拉伸數據進行存儲，數據庫管理及導入導出；與下位機進行數據通信；打印功能。

（2）下位機軟件。主要實現以下功能：實時采集壓力和拉伸值數據；對實時采集的壓力和拉伸數據進行處理，計算得到相關的控制參數；接收上位機命令，與上位機進行數據通信；能獨立控制兩個氣路電磁閥，上位機斷電時不會造成螺栓過拉伸；報警與保護功能（表1）。其中，FPGA 為Field Programmable Gate Array 的縮寫，是在PAL、GAL 等可編程器件的基礎上進一步發展的產物；RT 是RealText 的簡寫。

表1 系統軟件模塊功能

3 結論

本控制系統采用性能可靠的NI cRIO-9075 集成化系統作控制系統，結合Lab VIEW2012 開發環境的良好人機開發界面，實現了螺栓拉伸機對螺栓的的可控高精度拉伸。通過功能驗證試驗，本控制系統能實現螺栓拉伸機的全自動控制，能對螺栓拉伸量、剩余拉伸量、壓力等進行實時監測、控制、記錄、打印，操作簡便，且在斷電情況下也不會造成螺栓的過拉伸，安全可靠。