核電廠乏燃料升降斗驅動失效原因分析及對策

章 熙

（中核核電運行管理有限公司，浙江嘉興 314300）

0 引言

秦三廠乏燃料升降斗組件是乏燃料傳輸系統的重要組成部分，其主要作用是將乏燃料從裝卸料機轉運至乏燃料水池中，其中每臺機組各有一臺乏燃料升降斗，用于將乏燃料從空氣中轉運至乏燃料水池中，保證乏燃料的冷卻，自2020 年4 月2 日以來，2 號機C 側升降斗多次出現鋼絲繩松馳報警的問題，導致換料過程中斷和功能驗證失敗，影響了正常的換料過程，同時對乏燃料的冷卻構成了威脅。查閱兩臺機組的歷史，發現兩臺機組升降斗驅動失效問題持續存在。乏燃料升降斗在運行過程中如果出現驅動失效，換料盤臺CRT 一般會出現“Drive Stuck”報警。出現驅動失效報警的現象分為兩類：①單一報警；②伴隨其他報警：如鋼絲繩松弛報警、電源失效報警、運動方向錯誤報警、超速報警及由控制回路中斷而產生的報警。

統計了從2010 年至2021 年因為設備故障而導致升降斗驅動失效的工單數量為40 個，故障統計和分類如圖1 所示。升降斗下降失效的故障原因主要來自于：①力矩限制器故障；②升降斗驅動力矩過大；③電機故障；④軸編碼器故障；⑤控制器故障。針對前兩種機械故障原因進行分析，并提出相對合適的改進措施，從而降低故障發生的次數，有效提高設備的可靠性，確保乏燃料棒能夠順利進入水池，及時得到有效的冷卻，確保燃料包殼的安全可靠。

圖1 故障統計和分類

1 乏燃料傳輸系統概述

乏燃料傳輸系統（圖2）由驅動機構和傳輸機構兩個部分組成，其中驅動機構包括乏燃料升降斗剎車、電機、力矩限制器、減速齒輪箱。傳輸機構包括裝卸料機、乏燃料通道、卷揚機、升降斗、升降斗導軌、水下傳輸小車等部分。

圖2 乏燃料傳輸系統

在進行乏燃料卸料操作時，裝卸料機將從通道卸下的乏燃料經由推桿通過管嘴、乏燃料通道推送至乏燃料升降斗上，此時升降斗電機剎車釋放，電機啟動，經過減速齒輪箱帶動卷揚機釋放鋼絲繩將乏燃料升降斗經傳輸軌道緩緩下降至乏燃料卸料池底，而后乏燃料被放置在池底的水下傳輸小車上，由小車將乏燃料轉運至乏燃料存放池進行冷卻。

2 升降斗組件結構概述

升降斗是半圓槽形，重約270 kg（圖3），由兩組萬向滾輪（包含16 個銅輪）和一組固定滾輪（包含4 個銅輪）組成，這些滾輪由一個固定支架和一個滾輪支架連接在一起，其中萬向滾輪在圓軌道上運行，固定導向滾輪在傾斜軌道上運行。

圖3 乏燃料升降斗

3 乏燃料升降斗驅動失效原因分析及對策

3.1 力矩限制器故障的原因及對策

乏燃料升降斗力矩限制器的功能是升降斗上升過程中設定限值力矩，在升降斗上升過程中驅動力矩過大時打滑，以保護驅動電機。

目前對力矩限制器的維修策略是每2 年檢查打滑力矩，要求值是16～20 N·m，力矩限制器不解體。

2021 年8 月13 日，1 號機組乏燃料升降斗出現驅動失效報警，檢查力矩限制器的打滑力矩在11～20 N·m 波動，升降斗驅動力矩（要求16.3～20.3 N·m）已出現偏差，8 月14 日維修人員對力矩限制器進行解題檢查時，發現摩擦片厚度不均勻，且表面有黑褐色摩擦痕跡。

查找力矩限制器的維修歷史，可以發現力矩限制器在長時間的運行后，力矩有所波動（表1），出現過定期檢查發現力矩限制器力矩變小的情況。力矩限制器靠2 個摩擦片的摩擦來設定力矩，長時間的運行必然會磨損摩擦片，摩擦片磨損后可能導致設定力矩波動或變小。

表1 力矩限制器打滑力矩測量歷史數據N·m

因此從維修來看，僅定期檢查力矩限制器力矩是不夠的，還要檢查力矩限制器內摩擦片的情況，才能保證力矩限制器設定的力矩穩定，避免出現力矩限制器設定的力矩變小的情況。結合多年的運行和維修經驗、工作內容和工作地點、設備運行情況，確定與乏燃料升降斗剎車解體采用同樣的周期，每8 年做一次力矩限制器內摩擦片解體檢查。

3.2 升降斗驅動力矩過大原因及對策

乏燃料升降斗導向軌道分為斜線段、曲線段、豎直段3 個部分，升降斗在這3 個部分由電機驅動時的力矩稱為升降斗的驅動力矩。

對于2010 年以來2 臺機組升降斗驅動失效的原因統計（圖2）可以發現，升降斗驅動失效大部分原因是升降斗的驅動力矩過大，導致卷揚機鋼絲繩松弛報警或者力矩限制器打滑。根據多次故障現象和檢修經驗得出，升降斗驅動力矩超標的原因有：①升降斗滾輪磨損；②升降斗滾輪與軸之間卡澀；③升降斗上滾輪支架卡澀。

3.2.1 升降斗滾輪磨損原因及對策

2020 年4 月3 日，2 號機組C 側發生同樣的故障，檢查發現圓導軌的滾輪表面磨成凹槽形，圓導軌上的對角滾輪間隙都大于0.76 mm，更換滾輪并設定間隙，檢查6 個滾輪凹槽處的最小外徑分別為60.90 mm、68.08 mm、68.88 mm、68.14 mm、69.12 mm、68.72 mm，最大磨損量約為1.8 mm，磨損后的滾輪向內凹陷情況如圖4 所示。

圖4 磨損后的滾輪向內凹陷

升降斗滾輪磨損的直接原因是滾輪磨損導致與軌道的接觸面積增加，摩擦力阻力增加，而間隙增加導致升降斗傾斜度增加，導致升降斗運行阻力增加，兩個互相作用最終導致升降斗下降失效。根本原因是缺乏有效的預防性維修，未能及時發現并解決問題，因為間隙測量設定只是一個過程標準，升降斗運行力矩的大小才是最終的驗收標準，而運行力矩的大小是由滾輪的狀態及與軌道的間隙決定的。

應對策略：預防性維修添加了升降斗滾輪間隙標準。圓軌道銅輪：對滾輪外徑小于69.20 mm 的圓軌道滾輪進行更換；角軌道滾輪：對滾輪外徑小于63.00 mm 的角軌道滾輪進行更換。

3.2.2 升降斗滾輪與軸之間卡澀原因及對策

維修人員將無法轉動的滾輪拆下解體后發現滾輪內孔與軸表面有磨損拉毛的現象，原因是升降斗在運行過程中，由于受升降斗組件自身重力影響，滾輪的孔在軸上長期向一側受力，導致受力不均，加速了磨損和毛刺的形成。而且卸料池房間的特殊性導致房間內灰塵較多，可能有堅硬的異物進入軸與孔之間長期作用形成缺陷。

針對以上缺陷，維修人員首先對拉毛的部分進行修復，對于缺陷較深，狀態差的直接進行更換。在回裝前涂抹防咬劑對其進行保護。

3.2.3 升降斗組件上滾輪支架卡澀原因分析及對策

由于升降斗組件作用的導軌為兩條平行軌道，且存在斜線、曲線和直線段3 個不同狀態，作用在兩根軌道上的兩組滾輪由一根支架連接，該支架與上滾輪支架間存在可調節的轉動副（圖5中①位置），且上、下兩個滾輪支架與滾輪組件之間也存在可調節的轉動副（圖5 中②位置），升降斗在軌道上動作時需要不斷調節滾輪的狀態來達到滾輪在軌道的一個良性受力的目的。

圖5 升降斗上滾輪支架卡澀位置

在進行2 號機組C 側乏燃料升降斗滾輪整體更換的工作中，維修人員將升降斗組件整體拆除后，在對升降斗組件各關節部位進行檢查時，發現升降斗上滾輪支架與升降斗組件之間的轉動副卡死，無法旋轉，而且上、下兩組滾輪連接軸在滾輪支架上均轉動困難，存在卡澀現象。解體后發現轉軸與軸套之間以及滾輪軸與滾輪支架之間存在拉毛現象或銹跡。這些部位在升降斗動作時能夠隨著升降斗位置的變化對滾輪支架進行自動調整，一旦卡澀甚至卡死，升降斗組件在動作時由于受力而發生傾斜，導致軌道上的滾輪受力不均，阻力增大，驅動力矩隨之增大，最終導致驅動失效。

維修人員對卡澀的部位進行清潔和修復，涂抹少量防咬劑，回裝至軌道之后，滾輪支架能夠隨著位置移動自由轉動，升降斗的驅動力矩大幅降低。由于該問題會導致升降斗組件整體發生傾斜，使滾輪受力不均，是導致升降斗驅動力矩在短時間內多次偏大的根本原因，在發生升降斗驅動力矩偏大問題時要著重關注該位置狀態，盡早做出處理。

通過更換滾輪、調整滾輪間隙、修復受損的滾輪軸與偏心套、修復滾輪支架軸和軸套等措施對2 臺機組4 臺升降斗進行了檢查和修復，逐漸將4 套升降斗的驅動力矩調整至最佳狀態（表2），自2022 年1 月以來2 臺機組還未發生升降斗因為驅動力矩增大而驅動失效的缺陷，設備可靠性得到了增強。

表2 升降斗當前驅動力矩N·m

4 結束語

乏燃料升降斗系統由于運輸乏燃料棒時人員無法靠近的特殊性，設備可靠性要求高。通過對缺陷工單的統計分類，總結乏燃料升降斗下降失效的2 種故障模式：力矩限制器故障、升降斗驅動力矩過大，對上述故障原因逐一進行分析，并提出相對應預防措施。通過有效的預防性維修，降低乏燃料升降斗驅動失效故障率，提高設備可靠性，避免出現乏燃料棒長期暴露在空氣中無法冷卻的情況，確保乏燃料棒在傳輸過程中的安全。