燃料抓取機載荷測量系統偏差的分析及改進

丁全斌

（中核武漢核電運行股份有限公司，武漢 430070）

0 引言

燃料抓取機是壓水堆核電站燃料操作的關鍵設備之一。它位于乏燃料池上方，承擔著新燃料接收，大修裝卸料時的燃料組件（Fuel Assembly）移動操作和燃料組件內插件配插等重要工作。在這些操作過程中，操作人員需要隨時關注載荷顯示值，用以判斷操作是否正常。同時，燃料抓取機的載荷測量值用于超載、欠載等的控制和保護功能。因此，載荷值對燃料操作的安全十分重要。

國內某堆型核電站的燃料抓取機載荷測量系統存在測量誤差過大的問題，不僅不能正確顯示重量，還經常誤發超載、欠載報警，導致燃料操作中斷，對換料大修的主線工期、燃料操作的安全性存在較大的影響，解決該問題對電站的經濟性和安全十分必要。

1 設備介紹

1.1 燃料抓取機的結構和作用

燃料抓取機是一臺擁有自動控制、精確定位、載荷保護與顯示等功能的門橋式吊車，如圖1 所示[1]。其上有兩個共軌單軌吊車——南吊車和北吊車，南、北吊車的結構相似，南吊車主要用于新燃料操作，北吊車主要用于乏燃料池中燃料和燃料內插件的移動操作。

圖1 燃料抓取機及吊車示意圖[1]Fig.1 Schematic diagram of fuel grabber and crane[1]

吊車上的提升機構用于使操作對象在上下兩個方向上的移動。兩條鋼纜一端纏繞在卷筒上，以控制吊鉤的升降，另一端繞過吊鉤上的滑輪后固定在平衡梁上。平衡梁則通過載荷傳感器連接在吊車承重梁的吊耳上，構成載荷傳導結構。當吊鉤掛上重物后，重物的重量就由鋼纜傳導給了載荷傳感器。圖2 為南吊車的示意圖，北吊車與此相似。

圖2 南提升機構及載荷傳感器示意圖[1]Fig.2 Schematic diagram of the south lifting mechanism and load sensor[1]

燃料抓取機主要用于新燃料接收操作（干式）、乏池內燃料組件操作（濕式）和燃料組件內插件倒換操作。燃料組件內插件主要有控制棒組件（RCCA）、灰棒組件（GRCA）、可燃毒物棒組件（BP）、次級中子源組件（SS）、阻力塞組件（TP）。由于內插件不同，組件的重量也就不同，內插件操作工具（Tool）的結構和重量也不相同。燃料抓取機吊鉤的主要工況見表1[2]。

表1 燃料及內插件重量表Table 1 Fuel and internal insert weight table

1.2 載荷傳測量系統

燃料抓取機載荷測量系統的功能是在燃料操作過程中測量出吊車吊鉤上的重量，用于控制器對燃料操作的控制、保護和顯示，主要有超載、欠載保護設定值。其中，超載動作值為大于或等于標準重量加68kg，欠載動作值為小于或等于標準重量減68kg，而其最大允許誤差要求在±22.5kg 以內。

燃料抓取機載荷測量系統主要由載荷傳感器、載荷放大器和信號電纜組成。燃料抓取機的載荷傳感器當前使用的是Magtrol 公司的LB212 型載荷測量傳感器，如圖3 所示。其工作原理是：載荷傳導結構將吊物的重量傳遞到載荷傳感器上，傳感器受到壓力時，會產生相應大小的形變，使內置的電阻式應變片變形并導致其電阻值發生相應的變化，載荷放大器的測量電路將電阻的變化量轉換為對應大小的電流信號，從而將重物的重力轉換為電流信號。

圖3 載荷傳感器[4]Fig.3 Load sensor[4]

載荷放大器不僅可以將電流信號轉換為數字量信號并通過DeviceNet（設備網絡）傳送給PLC 控制器，還提供了參數設置與標定的手段。載荷標定就是在載荷放大器上進行設置，使輸出的數字量信號與輸入量的變化成線性。通常情況下，當傳感器線性度滿足要求時，模數轉換只需將模擬量信號與數字量信號的零點與滿點相對應就可以了。該載荷放大器提供了可選的多點標定方式，在PLC 控制器中設置了超載、欠載、松繩（用于判斷燃料等操作已到位，載荷已卸除）等設定值，用于燃料操作時的保護與控制。其中，超載動作值為大于或等于標準重量加68kg，欠載動作值為小于或等于標準重量減68kg，松繩信號動作值為小于或等于22.5kg[2,3]。

2 燃料抓取機載荷偏差與原因分析

2.1 燃料抓取機載荷系統的偏差

在電站燃料操作的過程中，燃料抓取機載荷的測量值與實際載荷偏差很大，最大時超過了50kg，不僅容易讓操作人員出現誤判，還容易在加減速過程中出現超載、欠載等誤報警，嚴重影響了燃料操作的安全。為了找出燃料抓取機載荷的測量值偏差的原因，記錄了燃料操作過程中載荷測量值的數據，見表2。

表2 高度與載荷示值表Table 2 Height and load indication table

表2 的數據是南吊車鉤掛燃料組件（無水，無浮力影響）勻速升降（上升時高度數值減小，下降時高度數值增大）過程中記錄的載荷測量值的數據，北吊車的測試數據與南吊車的情況基本相似。從數據分析中可知，燃料抓取機載荷系統存在以下問題：

1）不同高度載荷示值不同，提升時載荷示值逐漸增加，越接近上限位增加越明顯，下降則反之。同向最大差值超過了40kg。

2）同一高度位置，提升（上限位高度為0mm）載荷時示值比下降載荷時示值小，約差13kg。

2.2 載荷測量偏差的原因分析

不同高度載荷示值不同的原因分析：如圖2 所示，吊鉤提升時，鋼纜逐漸卷上卷筒，載荷傳感器測得的重量應隨之稍稍減小（鋼纜約0.75kg/m），而實際情況卻與此相反。進一步研究發現，鋼纜上部吊點的距離（傳感器側鋼纜固定點與卷筒側鋼纜點之間的距離）大于下部吊點的距離（滑輪側鋼纜的距離）。因此，鋼纜并非豎直狀態，而是與垂線之間存在一個夾角，且該夾角的度數隨著滑輪升高而變大。經測算，角度最大時約有10°。這就導致平衡梁對傳感器的壓力并非垂直，而是在軸向上有一個角度，且角度隨著滑輪升高而變大。雖然此時平衡梁對傳感器的壓力在豎直方向上的分力與傾斜角沒有關系，但是由于平衡梁與傳感器的接觸面是鋼性的，傳感器的受力點會偏向一邊，其形變量與垂直受力相比存在較大差異，這就導致了不同高度載荷示值不同，提升時載荷示值逐漸增加，下降則反之的情況，稱之為鋼纜夾角誤差。

同一高度位置提升和下降時測得的載荷值不同的原因分析：圖2 中的提升機構可以簡化為一個動滑輪組。根據滑輪的受力分析，在無加速狀態下，滑輪兩側的鋼纜的拉力之和等于吊物的重力。由于滑輪存在摩擦力，在吊物上升時，卷筒側的鋼纜克服摩擦力，此時卷筒側鋼纜拉力大于傳感器側；在吊物下降時，傳感器側的鋼纜克服摩擦力，此時傳感器側鋼纜拉力大于卷筒側。因此，同一高度位置，提升載荷時示值比下降時小的主要原因是這兩種情況下滑輪的摩擦力方向不同，稱之為摩擦力誤差。

3 燃料抓取機載荷系統的改進

從以上分析中可知，鋼纜夾角誤差和摩擦力誤差是導致燃料抓取機載荷測量偏差大的主要原因。其中，摩擦力是滑輪運動的一個固有屬性，考慮到滑輪摩擦力對燃料抓取機載荷測量偏差的影響較小，而且選擇滑輪作為門橋式吊車的吊鉤部件是難以回避的，因此其改進的空間和必要性較小，而鋼纜夾角誤差則有改進的空間和必要。

改進鋼纜夾角誤差可以直接減小傳感器側鋼纜固定點與卷筒側鋼纜點之間的距離，或者增大滑輪側鋼纜的距離，使鋼纜完全豎直。然而，要減小傳感器側鋼纜固定點與卷筒側鋼纜點之間的距離，又要使吊物時吊車重心在單軌的正下方（設計上，單軌吊車的重心必須在軌道的正下方），則需要同時改變傳感器側鋼纜固定點與卷筒的位置，需要對吊車的結構進行重新設計和制造。而想要增大滑輪側鋼纜的距離，則需要對滑輪組進行重新設計和制造，而滑輪組尺寸過大則容易與廠房構筑物或其它設備發生干涉，該方法并不可取。

根據載荷傳感器的測量原理和燃料抓取機的結構，對燃料抓取機載荷傳感器的安裝方式進行改進創新。其方案是：將原載荷傳感器用同樣大小的銷子替代，利用鋼纜張力對彎曲處的壓力與彎曲夾角滿足三角函數關系的原理，設計一個工件，將載荷傳感器安裝在平衡梁下方的鋼纜上，如圖4 所示。其中，上半部分與傳感器一起固定在鋼纜上。下半部分固定在傳感器上，鋼纜可在其孔中活動。傳感器中間的受力部位與鋼纜間有一個可活動的楔形塊，可將鋼纜彎曲處的壓力轉化為對傳感器的壓力，從而達到測力的目的。

圖4 載荷傳感器與鋼纜安裝示意圖Fig.4 Schematic diagram of load sensor and steel cable installation

該設計與原載荷傳感器安裝方式相比，有以下兩點改善：

1）載荷傳感器直接安裝在鋼纜上，傳感器的受力與鋼纜的張力成比例，且燃料抓取機吊燃料上升或下降時，傳感器的受力點不會發生改變，從而消除了原結構中的鋼纜夾角誤差。

2）該設計中，測力正比于鋼纜的張力，而根據2.2 節的分析，鋼纜與豎直方向有一個隨高度變化的夾角，因此其張力等于吊物重力乘以該夾角的余弦的倒數。也就是說，在吊重物升降時，鋼纜的張力是變化的。經計算，在吊一組900kg 左右的燃料組件升降時，鋼纜夾角變化導致的載荷測量變化值在17kg 左右，而該過程中鋼纜長度的變化導致的重量變化則在15kg 左右，且力鋼纜夾角變化導致的載荷變化趨勢相反，從而較好地彌補了兩者的誤差。

該設計方案在燃料抓取機提升上進行了實施，并做了載荷測量試驗，記錄的數據見表3。

表3 改造后南提升高度與載荷示值表Table 3 Lifting height and load indication table after modification

從表3 中可以看出，改進后的載荷測量系統在操作燃料組件上升和下降的過程中載荷測量值基本穩定，其測量準確度有了很大的改善，滿足系統允許誤差的要求。

4 總結

對于燃料抓取機類的吊車，由于吊物大多都較重，且一直處于動態過程中，要準確測量其吊物的重量一直是個較為困難的問題。本文根據燃料抓取機載荷測量系統的結構與原理及現場調試的經驗，找出了燃料抓取機載荷測量系統誤差大的根本原因，并對其載荷測量的安裝方式進行了改進創新，從而改善了燃料抓取機載荷測量的準確度，在類似的應用上有一定的參考意義。