HFETR可拆卸輻照考驗裝置專用吊裝工具的研制

劉豪，吳瑞，馮浩志，余潔，羅文廣

（中國核動力研究設計院反應堆運行與應用研究所，成都 610213）

0 引言

輻照裝置主要用于燃料元件、材料等輻照考驗試驗[1]。完成輻照試驗后，將輻照裝置整體出堆，通過吊裝將燃料元件拔出。輻照裝置吊裝過程直接影響了燃料元件的安全。

在HFETR堆內輻照考驗結束后，燃料元件具有高放射性特點。由于輻照裝置重約600 kg，總長約9 m，內部空間長徑比達到160∶1。輻照試驗后的燃料元件需要在水池或熱室進行表面檢查等，因此吊裝期間輻照裝置需具有較好的垂直度，以避免擦傷燃料元件表面。同時為盡量降低人員受輻照劑量，輻照裝置上端應具有足夠高度的水屏蔽層。為確保吊裝過程安全、燃料元件的安全性及表面特征的完整，本文進行了吊裝工具的結構設計及分析優化。

1 吊裝工具設計技術

參考《EJ/T 883-2006壓水堆核電廠乏燃料貯存設施設計準則》[2]中對乏燃料貯存裝置要求及輻照裝置吊裝過程中的垂直度要求提出設計要求：1）額定載荷產生的應力小于20%抗拉強度；2）吊裝工具支撐基座水平面受載后沿Y向允許偏轉角小于0.1°，偏轉角δ計算公式為

式中：τ為工具受載后Y向位移，mm；L為工具受載面長度，取400 mm。

2 操作工藝及吊裝工具結構

吊裝工具的應用對象為HFTER可拆卸輻照裝置[3]，其結構如圖1所示。

圖1 可拆卸輻照裝置

吊裝工具主要包含支撐基座、高度調節部件和法蘭連接部件，如圖2所示。其中高度調節部件主要用于輻照裝置高度微調，使其盡量接近池底，以保證足夠高度的水屏蔽層，高度調節范圍為0～500 mm。高度調節部件采用減速比為1∶3的直齒輪副及增速比16∶1的滾珠絲杠副作為傳動部件，通過搖動手柄提升或下降承載板。材料均選用06Cr19Ni10，其屈服強度為205 MPa，抗拉強度為520 MPa（參考EN/T 883-2006標準中的許用應力為104 MPa）。

圖2 專用吊裝工具

燃料元件拔出操作過程中，主要的吊裝狀態如圖3所示。在圖3（a）所示吊裝狀態下，由操作人員拆卸頂部法蘭，取出保護鼠籠等附件。完成后，利用分流管吊裝工具將分流管組件懸掛后，將燃料元件抓取工具穿過分流管吊裝工具及分流管組件，抓住燃料元件。在圖3（b）吊裝狀態下，利用吊裝工具的高度調節機構調整輻照裝置高度，使其盡量接近保存水池池底，然后借助吊車遠程操作系統將分流管吊裝工具、燃料組件抓取工具、分流管及燃料組件一并拔出。

圖3 輻照裝置吊裝主要狀態示意圖

3 吊裝工具結構分析及優化

吊裝工具中承載部件主要為支撐基座、高度調節部件中的傳動部件，下文針對兩處主要承載部件進行有限元分析。

3.1 支撐基座結構有限元分析及優化

由于支撐基座屬于兩點固定懸臂梁，因此該支撐基座為主要承載件。選取無加強筋、三角加強筋、整體加強筋等3種結構施加額定載荷6 kN進行受力分析，其結構如圖4所示。

圖4 不同加強筋結構示意圖

3.1.1 有限元模型

有限元模型采用六面體網格，網格總數為50 000，節點數為170 000。有限元模型中分別對載荷面施加6 kN的Z向載荷，對支撐翼板施加固定約束。

3.1.2 結果分析

由圖7可知，事故工況下，3種結構最大應力分別為72、84、50 MPa，其中無加強筋和三角加強筋均存在局部應力集中。無加強筋結構安全系數為1.44。整體加強筋結構在額定載荷下，應力分布更加均勻，不存在局部應力集中，最大等效應力為50 MPa，安全系數為2.08，為3種結構中安全系數最高值。

圖5 吊裝工具有限元模型網格劃分

圖6 有限元模型邊界條件

圖7 不同加強筋對基座mises應力的影響

由圖8可知，額定工況下3種結構的Z方向位移差分別為0.7、0.1、0.2 mm，三角加強筋結構的Y方向位移差值最小。3種結構均滿足吊裝過程中對輻照裝置垂直度的要求。

圖8 不同加強筋對基座Y方向變形量的影響

3.2 傳動部件有限元分析

傳動部件中主要包含一對傳動比為3∶1的減速直齒輪及傳動比為16∶1的增速滾珠絲杠。滾珠絲杠選取承載1.5 t、導程為16 mm的標準件，其承載能力遠大于額定工況，因此本文主要進行直齒輪受載能力分析，齒輪參數如表1所示。

表1 齒輪參數表

大齒輪轉矩T計算公式為

式中：η為滾珠絲杠效率，取0.9；F為軸向載荷，為6 kN；L為導程。

3.2.1 有限元模型

由于直齒輪副中齒輪軸軸承間距跨度小，因此僅進行了齒輪無偏載情況下的有限元分析。有限元模型采用六面體網格，網格總數為153 702，節點總數為472 951，對小齒輪施加0.6 rad的轉角，對大齒輪施加135 N·m的轉矩，如圖9所示。

圖9 直齒輪副有限元模型

3.2.2 結果分析

由圖10～圖12可以看出，在額定載荷下單齒接觸時，齒輪齒面接觸應力、齒根彎曲應力最大，其中小齒輪齒根處等效應力最大值為62 MPa，大齒輪齒根處等效應力最大值為40 MPa。小齒輪齒面最大等效應力為79 MPa，大齒輪齒面最大等效應力為121 MPa。

圖10 不同嚙合點小齒輪Mises應力

圖11 齒輪副接觸壓力分布

圖12 不同嚙合點大齒輪Mises應力

4 結論

本文根據燃料元件出堆需求制定了輻照裝置吊裝工藝路線，并根據該工藝路線設計了專用吊裝工具。通過對專用吊裝工具進行有限元計算，在未優化條件下，原設計安全系數為1.44。通過分析結果，對吊裝工具結構進行了優化，提高了臺架吊裝過程、拆卸過程中的安全系數，滿足現場吊裝需要。