淺析乏燃料轉運容器制造過程中的設計改進

劉 帥，唐興齡，姚 琳

（中國核電工程有限公司，北京 100840）

隨著我國核電事業的快速發展，核安全問題已成為備受社會關注的焦點話題，而核電產品的質量與核安全緊密相連。質量分為符合性和適用性兩個層次［1］。符合性質量是指質量符合規范或要求的程度，這些規范或要求涉及國際標準、國家標準和行業標準等。質量管理學家勞倫斯認為，質量并不意味著卓越或者優秀，談論質量只有相對于特定的規范或要求才有意義［2］。因此，符合性質量要求可以指導質量檢驗、質量控制等具體工作，符合了規范標準也就意味著具有了質量。區別于符合性質量，適用性質量是指產品滿足顧客主觀需求的程度，這一概念由美國質量管理專家朱蘭提出。適用性質量要求適用于一切產品或服務，是一種以顧客為中心的主觀質量觀。

我們在開展核電相關產品的科研設計工作時，為了保證核安全，應將產品的質量符合性置于首位，以使產品完全滿足國家法規標準。同時，伴隨著近幾年我國核電自主化和產業化的進程，我們也應注重核電產品的質量適用性，以提高設計與制造工藝、應用等多層面的配合度。

為了同時滿足質量的符合性和適用性要求，我們應通過采用多種質量工具對設計進行不斷改進。

1 乏燃料轉運容器設計改進背景

為了解決秦山地區乏燃料貯存問題，秦山第一核電廠和秦山第二核電廠擬采用“干法貯存”方案對乏燃料進行貯存以保證核電廠各機組的正常換料能力。乏燃料轉運容器（如圖1所示，以下簡稱“轉運容器”）是秦山乏燃料干法貯存項目中的主要設備之一。在進行干法貯存工作過程中，轉運容器用于將裝有乏燃料組件的密封貯存罐轉運到混凝土貯存模塊中。轉運容器在轉運操作時為密封貯存罐提供輻射屏蔽、結構保護和乏燃料的散熱等功能。轉運容器筒體為頂部開口底部封閉的圓柱形結構。該部件由同心的內筒體、外筒體與底部的法蘭焊接而成。內、外筒體之間為鉛屏蔽層。容器筒體外側為中子屏蔽層，由鋼殼與沿周向均勻分布的散熱片組成，鋼殼與散熱片組成的腔室內部通過灌裝中子屏蔽材料進行中子屏蔽。轉運容器主要參數見表1。

圖1 轉運容器結構示意圖Fig.1 Transfer cask structure

表1 轉運容器主要參數Table 1 Main Parameters of Tansfer Cask

設計人員通過遵循質量管理中的PDCA循環，針對轉運容器設計過程中耳軸設計結構與灌鉛工藝存在沖突這一問題進行了設計改進工作。這一改進在滿足設計質量符合性的同時提高了質量適用性。

PDCA循環由美國質量管理專家休哈特提出，并由戴明宣稱獲得普及，是全面質量管理的思想基礎和方法依據。PDCA循環的含義是將質量管理分為四個階段，即Plan（計劃）、Do（執行）、Check（檢查）和Action（處理）［3］。

2 轉運容器研制過程中的設計改進

2.1 轉運容器耳軸結構問題

耳軸是轉運容器的重要組成部分，轉運容器的耳軸分為兩個上部提升耳軸和兩個下部支撐耳軸，提升耳軸主要用于配合垂直吊具和起重機對轉運容器進行吊裝操作，支撐耳軸用于轉運容器在支撐托架上進行垂直和水平位置之間的翻轉。提升耳軸和支撐耳軸的材料都選用ASME SA-750 TYPE 630。提升耳軸、支撐耳軸初始結構設計如圖2所示。

圖2 轉運容器耳軸結構示意圖Fig.2 Transfer cask trunnion structure

在初始設計中，提升耳軸和支撐耳軸均采用全焊透，耳軸部分結構嵌在γ屏蔽層內。這種設計能夠保證耳軸的焊接強度要求，但會對容器的灌鉛工藝造成困難。根據這種設計結構，我們在制造過程中需先對容器耳軸進行焊接再灌鉛（γ屏蔽），而在灌鉛的過程中由于容器尺寸較大，需對容器表面溫度進行嚴格的控制，但耳軸凸起會造成耳軸所在環向位置產生溫度差，從而造成灌鉛缺陷，對容器的γ屏蔽性能產生潛在風險。而制造工藝上又很難克服這一問題。為此，設計方對制造工序進行了調整，即先對容器灌鉛，再焊接耳軸。容器的灌鉛過程如圖3所示。

圖3 樣機灌鉛加熱示意圖Fig.3 Transfer cask prototype heating

2.2 問題原因分析

由于轉運容器耳軸結構較為復雜，設計人員總結以往設計經驗并采用質量管理中的魚骨圖等工具，進行了全面的原因分析及歸納整理，詳細內容如圖4所示。

圖4 原因分析魚骨圖Fig.4 Cause analysis fishbone diagram

通過質量工具魚骨圖我們可以看出轉運容器耳軸焊接結構與γ屏蔽層灌鉛工藝沖突的幾個主要原因為：

（1）設計人員缺乏制造經驗；

（2）制造廠工作人員與設計人員未提前進行溝通；

（3）灌鉛加熱器結構較為簡易；

（4）制造廠設備相關資料未及時更新；

（5）耳軸初始設計與灌鉛工藝不匹配。

制造廠客觀存在的一些問題是難以在短時間內解決的，為配合轉運容器研制項目的整體進度，解決該問題，設計人員決定從設計端制訂對策，對耳軸焊接結構、工裝順序進行改進。

2.3 針對耳軸結構設計問題的改進措施

設計人員對此開展了質量管理活動，并通過集思法等質量工具對該問題提出了相應的解決方案。

集思法又名頭腦風暴法，由美國人奧斯本于1941年提出。在質量改進活動中，該方法適用于問題解決的多個階段，有助于清楚地認識問題，找出根本原因并尋求糾正措施。

設計改進具體方案的實施，需通過如下幾個步驟逐步進行：

（1）調整耳軸焊接與灌鉛順序。問題的根本在于耳軸位置影響了灌鉛加熱工裝對筒體的均勻加熱。該問題通過調整工裝順序可以得到解決，即將原本的先焊接耳軸再進行灌鉛調整為先進行灌鉛再焊接耳軸。實施該方案需確定新的耳軸結構和焊接方式。

（2）調整耳軸結構位置。耳軸焊接與灌鉛順序的調整，使得此前耳軸部分的焊接強度發生改變（初始耳軸設計為嵌入γ屏蔽層內，進行全焊透）。為保證耳軸部位強度，設計人員需對耳軸的結構重新進行考量。對此，設計人員制訂了兩種方案（如圖5和圖6所示）。

圖5 耳軸設計改進方案1Fig.5 Trunnion design improvement 1

圖6 耳軸設計改進方案2Fig.6 Trunnion design improvement 2

設計人員在進行過初步計算并與制造廠溝通后，得出方案1具備更高的可行性和合理性，并予以采納。方案具體實施內容為：在距離外筒體內壁5 mm的位置加工與耳軸底部對接的槽，再將耳軸焊至外筒體上，將耳軸區域與灌鉛區域隔離，從而避免耳軸焊接時對γ屏蔽層造成局部損壞。

（3）在耳軸底部加裝加強板。頂部提升耳軸和底部支撐耳軸在吊裝和翻轉以及運輸操作的過程中將承受較大的應力，由于方案1未達到初始設計的耳軸焊接強度，因此設計改進方案在耳軸根部加裝了加強板（如圖5所示）以滿足結構強度要求。

以上三個步驟為針對耳軸結構問題的設計改進方案，解決了設計人員在轉運容器設計過程中發現的耳軸焊接與灌鉛工藝沖突的問題。

2.4 設計改進有效性檢查

為論證上述改進方案的有效性，即驗證設計質量符合性，設計人員通過運用ANSYS有限元分析軟件對加裝了加強板的耳軸結構和筒體結構進行了受力分析。圖7為耳軸及其周圍筒體結構在吊裝操作過程中的最大應力分布。結果顯示，該結構能夠滿足結構強度要求。

圖7 耳軸及周圍筒體結構在吊裝過程中的最大應力分布Fig.7 The max stress distribution of trunnions and surrounding structures occurs during hoisting

轉運容器的筒體采用的材料是SA-240 304不銹鋼，上部提升耳軸和下部支撐耳軸采用的材料均為ASME SA-705 630（H1150）材料。材料性能參數見表2和表3。

表2 耳軸材料性能參數（-30～450℃）Table 2 Material property of trunnion

表3 筒體材料性能參數（-30～450℃）Table 3 Material property of cask

數值計算結果表明設計人員針對耳軸結構提出的設計改進方案在理論上是切實可行的，通過后續與制造廠的對接也確認了實際工裝操作的可行性。該設計改進的有效性得到了充分論證。

3 結語

設計人員遵循PDCA活動原則，對科研設計中的設計問題進行分析，提出解決方案：首先明確問題根源所在，從原因分析入手，使用質量管理工具魚骨圖對多種原因一一分析并進行列舉；然后根據現實情況制訂可行的解決方案并對方案進行論證和有效性分析。設計人員通過對耳軸結構進行改進，解決了轉運容器耳軸焊接與灌鉛工藝沖突的問題，同時確保了轉運容器耳軸和筒體的結構強度。在保證設計質量符合性的同時，提高了樣機制造的效率，保證了科研項目的總進度，提高了設計的適用性。