重水堆裝卸料機管嘴安全鎖故障分析及處理

靳瀚博，茍 海，周建平，張 泰，葉 偉，曹烽華

（中核核電運行管理有限公司，浙江嘉興 314300）

0 引言

秦山核電三期共有兩臺從加拿大引進的70 萬重水堆機組，具有不停堆換料的特點，目前秦三廠燃料操作系統共有5 臺裝卸料機服役。在重水堆機組中，裝卸料機管嘴組件屬于核一級壓力邊界，具有使裝卸料機正確對準燃料通道端部件并進行機械連接、確保裝卸料機和燃料通道間的重水密封等功能，在裝換料過程中有著重要作用。在機組運行過程中，管嘴安全鎖會出現動作不到位、位置指示失效、上鎖后意外解鎖等故障，其一旦意外失效則可能導致反應堆慢化劑泄漏等嚴重后果。因此，制定針對性、切實可行的解決方案，對于燃料操作系統的安全穩定運行具有重要意義。

1 裝卸料機管嘴安全鎖的工作原理

管嘴組件構成了料倉外殼和燃料通道端部件之間壓力邊界的延伸部分，依靠4 個抱卡楔與1 個齒輪機構實現抱卡動作，抱卡動作完成后管嘴安全鎖鎖住抱卡機構、使其保持在“鎖緊位置”，整個抱卡流程結束。管嘴安全鎖全稱為管嘴組件安全鎖緊裝置，安裝在裝卸料機管嘴組件外部支撐筒的底部，其上部活塞套正好對準抱卡機構下端齒條，起到為下端抱卡齒條導向的作用。安全鎖本體分為活塞、活塞殼體（液壓缸）、開關組件及彈簧，為不影響裝卸料機在反應堆端面的移動及抱卡，其設計體積較小。

1.1 運行方式

管嘴安全鎖的液壓缸通過一條管線與裝卸料機管嘴腔室相連接，當管嘴腔壓力上升至3.79 MPa 以上時活塞伸出，直到管嘴腔壓力上升至5.86 MPa 時停止，活塞伸入下端抱卡齒條的鍵槽中達到鎖緊作用，使其不能向解除抱卡方向運動；當管嘴腔壓力下降至3.79 MPa 后，活塞在彈簧力的所用下縮回，抱卡齒條重新恢復運動的功能，達到解除抱卡的條件。

管嘴安全鎖彈簧的主要功能是對活塞的底部支撐面施加作用力，與活塞缸壓力驅動方向相反，使活塞在管嘴腔室壓力下降的過程中緩慢回縮，在管嘴腔室壓力小于3.79 MPa 時保持完全回撤的狀態，使活塞頂部鎖舌撤出下端抱卡齒條的鍵槽，使其能夠向管嘴解抱的方向運動?；钊麣んw的頂部為凹形結構，除了保護活塞與為活塞提供運動導向以外，活塞殼體還起到為下端抱卡齒條運動導向的作用，使活塞向上頂起時鎖舌能精準地進入鍵槽中。

1.2 位置指示

管嘴安全鎖的上鎖、解鎖位置靠4 個磁性開關指示，兩兩為一組被夾具固定在固定柱上。固定柱中有與活塞相連接的磁棒，活塞運動時磁棒也會跟隨運動，從而改變固定柱周圍的磁場、影響磁性開關閉合。磁性開關的兩端使用導線焊接，統一連接到管嘴安全鎖底部的航空插頭上。每個開關在主控室盤臺上均有獨立指示燈，但只有解鎖的兩個開關參與管嘴抱卡的邏輯控制，即安全鎖的兩個解鎖開關均閉合后才具備解除抱卡條件。

2 管嘴安全鎖故障分析

管嘴安全鎖是管嘴抱卡鎖緊的安全裝置，考慮到其運行可靠性，在設計時其結構較為簡單。但是在秦山核電三期兩臺機組服役的近20 年來，管嘴安全鎖也出現過一些故障，甚至因為運行周期的增加、設備老化加劇，一些同類型的故障頻發。

2.1 常見故障

根據管嘴安全鎖的結構特點，其在裝卸料機服役過程中主要存在的故障可分為機械結構故障與開關指示故障兩大類。其中，機械故障為在對裝卸料機抱卡功能定期試驗的過程中，在管嘴抱卡及安全鎖上鎖的狀態下，驗證管嘴抱卡機構在改狀態下不能接觸抱卡但卻“意外”可以解抱。在這種狀態下，裝卸料機在反應堆端面換料過程中，一旦出現意外解抱將導致反應堆內大量慢化劑噴射泄漏，后果不可接受。

開關指示故障則具體表現為，上鎖或解鎖狀態下指示失去同步、無法點亮指示燈等。由于換料操縱員不能判斷管嘴安全鎖是否處于上鎖狀態，如果強行操作管嘴抱卡機構解除抱卡則存在損壞設備的風險，這將嚴重影響裝卸料機正常的裝換料進度及核安全。

2.2 故障分析

秦山核電三期二號機組A 側的裝卸料機曾出現過執行管嘴抱卡機構和安全鎖邏輯連鎖試驗中，在管嘴抱卡在通道上、安全鎖上鎖的情況下，執行裝卸料機管嘴解除抱卡測試時管嘴“意外”解除抱卡的情況，連鎖試驗未通過。

分析后認為，故障的主要原因為裝卸料機在設定Y 尺寸的時候設定值偏大。Y 尺寸為在裝卸料機抱卡力設置在55 000～60 000 lb（24947.58～27 215.54 kg）時，設定管嘴下齒條上的安全鎖擋塊圓弧底部與安全鎖頭之間的距離（即安全鎖鎖頭與下齒條板塊之間的間隙），一般設定為0.16～0.21 英寸（4.064～5.334 mm）。其主要作用是保證管嘴意外解除抱卡后仍有足夠的力量維持密封性，防止重水的泄漏。發生故障時測量Y 尺寸偏大1.8 mm，這直接導致在管嘴抱卡的狀態下抱卡行程偏高、管嘴腔室內的壓力偏低，安全鎖不能完全上鎖。

在檢修期間，測量裝卸料機抱卡力5 次、Y 尺寸1 次；重復4 次管嘴抱卡測量Y 尺寸的數據，分別為6.78 mm、4.82 mm、4.32 mm和4.14 mm，油壓2.95 MPa，抱卡力59 000 lb（26 761.95 kg）。可判斷為，歷史檢修中對Y 尺寸測量不準確，應連續測量幾次并取其中相近數據的平均值，而且歷史檢修中管嘴抱卡油壓不穩定也是影響Y 尺寸測量的原因之一。

安全鎖上鎖與解鎖兩個位置均有一對磁性開關，開關本質為干簧管開關。由于一個位置靠兩個磁性開關指示的特點，會出現兩個開關不同時點亮的情況。每只開關對應一個計算機D/I 信號，在計算機檢測到兩個D/I 信號不同步后會觸發失去同步報警，會干擾換料操縱員對管嘴安全鎖位置的判斷，影響換料安全。

秦山核電三期的干簧管備件為兩端金屬引腳外露，不銹鋼包殼內部充膠且手動焊接。單根開關的兩端使用焊接的方式連接導線至航空插頭上，與主控室中的指示燈構成回路，開關觸發后指示燈點亮同時觸發D/I 信號。開關制作的過程中引腳與套管不同軸可能相互觸碰，在上堆服役過程中造成接地短路。由于干簧管開關的特殊材質，引腳焊接的過程中長時間高溫會影響開關的性能，引腳上殘留的助焊劑會導致絕緣進行一步的下降，焊接點如存在虛焊現象也將導致回路電阻增大。在上堆經過長時間通電、輻射等條件故障會進一步出現。

另外，根據干簧管磁性開關的導通特點，判斷為同組的兩個開關在導通設定上存在問題。查詢管嘴安全鎖的離線檢修歷史發現，在檢修規程中沒有對同組干簧管開關導通時間的設定。

3 優化措施

通過對管嘴安全鎖故障的歸納，運用思維導圖工具對故障的根本原因進行細化，從而提出優化方案。

3.1 改進Y 尺寸設定方式

Y 尺寸設定的越精準，管嘴抱卡力量越穩定，管嘴安全鎖上鎖的可靠性就越高。因此，在對裝卸料機抱卡力及Y 尺寸測量的檢修規程中，可添加“需要重復抱卡至少3 次完成Y 尺寸的測量，并且連續3 次測量值滿足標準范圍”的要求，以提高檢修工作中的標準。同時，將管嘴抱卡力量適當提高、使其穩定，防止在后續的工作中出現Y 尺寸偏大的情況。

3.2 優化安全鎖位置指示

為徹底解決焊接過程中長期高溫、助焊劑殘留、開關引腳虛焊、制作過程中開關與套管不同軸等問題，可以改進開關的制作方式。新制式備件中干簧管開關被完整包裹在單側開口的包殼當中，內部充膠封堵，使用自動機器焊接連接導線，避免人工焊接的長時間高溫度開關造成影響。開關組件整體除導線端部外無外露部分，絕緣性能可靠。

隨機選取10 根新式開關與10 根原有開關，使用安全鎖內的磁棒作為磁場靠近開關，使開關閉合。測量開關的閉合電阻。測量新舊開關電阻值均在0.32～0.37 Ω，證明新制式內部的干簧管開關觸發后的性能與原有開關相同。

使用離線1 號管嘴安全鎖，將兩個位置的4 個開關編號，上鎖位置（1 號、2 號）、解鎖位置（3 號、4 號），1 號、3 號安裝新制式開關，2 號、4 號安裝原有開關。對管嘴安全鎖打壓，執行標準為：壓力升高，安全鎖鎖頭伸出，解鎖開關在3.1±0.8 MPa 斷路，上鎖開關在6.0±0.8 MPa 閉合導通；壓力降低，安全鎖鎖頭回縮，上鎖開關在5.0±0.8 MPa 時斷路，解鎖開關在3.1±0.8 MPa 閉合導通。

對管嘴安全鎖進行20 次動作試驗，結果表明新舊開關均能準確指示管嘴安全鎖的鎖頭狀態，同時新舊開關均能保持初始的設定壓力差值（圖1）。

圖1 壓力上升及壓力下降位置開關觸發情況

經驗證，新制式開關完全可以替代現有制式開關。并且在前期無需進行人工制作，開關引腳包在不銹鋼包殼內，徹底消除了焊接時高溫對干簧管開關的影響、在檢修規程中開關引腳接地及導線因受應力從焊點脫開的可能，對減少裝卸料機管嘴安全鎖缺陷數量、提升設備可靠性有著積極作用。

3.3 優化檢修方式

在檢修過程中，通過對檢修手段的優化可同樣起到良好效果，通過管嘴安全鎖開關指示失去同步的問題指向，在安全鎖的檢修程序中添加了“降壓至兩個解鎖開關剛好閉合時的壓力差最好低于70 kPa，如果壓差過大則對開關重新微調，再進行打壓驗證”的要求。修改維修規程以后，經過長期的檢修論證，證明該改進確實有效。同時在標準工單的質量計劃（Quality Plan，QP）中，增加了“用手操泵對管嘴安全鎖進行打壓試驗前，確認手操泵壓力為0 時安全鎖上鎖開關斷開，解鎖開關閉合”的內容，這對于安全鎖開關在后續上堆運行中狀態的保持有積極作用。

4 結論

本文通過對重水堆核電廠裝卸料機管嘴安全鎖的故障分析，明確了裝卸料機Y 尺寸設定偏大及安全鎖開關檢修方式會影響安全鎖上鎖性能。通過試驗對其進行論證，同時將理論運用于實踐，得到良好的效果，確認了改進Y 尺寸設定方法及新制式開關的可用性，為后續裝卸料機管嘴安全鎖的檢修工作提供了技術支持。