遥控维护条件下冷却管道剪切试验

陈海彬 郭建文 李荣泳 汤泓 刘宇 孙振忠

(1.东莞理工学院 机械工程学院，广东东莞 523808;2.中国科学院 高能物理研究所，北京 100000)

核物理装置是与高能物理研究与应用相关的科学技术活动设施。国内外典型的核物理装置有欧洲核子研究中心的大型强子对撞机 (LHC)［1］、美国橡树岭国家实验室的散裂中子源 (SNS)［2］、国际热核聚变实验研究 (ITER)［3］、我国已建成的正负电子对撞机 (BEPC)［4］、在建的中国散裂中子源 (CSNS)［5］等。这些装置为实现战略性、基础性和前瞻性科学技术研究提供了基础条件。

遥控维护［6］是设备维护人员在远离维护现场的安全区域，通过采用机械手 (人)或专门的设备在核装置的内部开展设备监测和维护工作，以降低工作人员受照剂量和劳动强度。目前，遥控维护技术已成为大科学装置中放射性部件维护不可缺少的重要工具［7－8］。

核物理装置都配有使用液氦或液氢 (一般为5 K～20 K)等超低温冷却介质的冷却系统，以减少粒子反应过程中产生的大量热量。冷却管道作为输送冷却介质通道，是核物理装置的重要基础设施［9］。考虑到管道的老化和辐照损伤对性能的影响，冷却管道需要进行定期的检查和更换。由于需要在辐射环境下进行，冷却管道的维护需要遥控维护技术来实施。

剪切操作是冷却管道的遥控维护的必要步骤［10］。核物理装置中的冷却管道一般采用的多层结构，这种结构在增强管道性能的同时，也增加遥控维护条件下管道剪切的难度，对剪切工具的性能也具有较高的要求。

针对中国散裂中子源冷却管道遥控维护的要求，本文对遥控维护环境下冷却管道剪切进行了试验，通过不同的剪切方向和管道底板支撑强度对比，结合试验结果的分析，得出对冷却管道剪切有价值的结论，为遥控维护辅助工装开发奠定基础。

1 试验条件

中国散裂中子源冷却管道所采用的材料为316不锈钢，每段管道的长度通常为4米～5米，形状曲折。管道的横截面如图1所示，中间为冷却介质管，里层是真空绝热层，外围是检漏气体层。试验中选用如图2所示的一段同等规格管道作为样品 (长度为500 mm)。管道焊接在一块400 mm×220 mm×20 mm的钢板上。

剪切工具为图3(a)所示的液压剪刀，液压泵功率5匹 (折合功率3675瓦)，刀片为图3(b)所示的三牙口刀片。由于液压剪刀及其供油管较重，需要将其用软绳吊装，再利用长柄操作杆操控，如图4所示。

图1 管道横截面

图2 管道样品

图3 液压剪刀

图4 长柄操作杆

2 试验过程

为观察不同切向对剪切性能的影响，试验采用纵排剪切和并排剪切两种方式。

2.1 纵排剪切

纵排剪切是指刀刃剪切方向与中间两条管道排列方向平行，如图5所示。剪切过程中，液压剪刀的刀口将外层管道压缩后把咬力传递给中间管道，从而导致中间管道被压缩至扁平状。当刀尖冲破管壁的顶端时，由于管内无凹模支撑，剪切力使刀尖附近区域变形，在管子上端切口处产生塌陷，刺破后的切屑废料内翻［11］，最后断裂并形成了断裂带。断面可以明显的区分为光亮带、剪裂带、塌角和毛刺四个部分［12］。中间两条管道没有发生相对滑动，外围管道完整的切断脱落。剪切过程中刀片产生了较大的反向扭力使管道发生倾斜。由于管道底板在该方向上较长 (长度为400 mm)，较好地消除了扭力，剪切过程较为顺利。剪切后形成的断口如图6所示。

图5 纵排剪切

图6 纵排剪切断口

2.2 并排剪切

并排剪切是指刀刃剪切方向与中间两条管道排列方向垂直，如图7所示。并排剪切过程同样经历了压缩扁平阶段。与纵排剪切不同的是，由于底板该方向尺寸较小 (宽度220 mm)发生了倾斜，使得刀口剪切方向发生了变化而没有将管道剪断。发生倾斜的剪切断口如图8所示。

图7 并排剪切

图8 发生倾斜的剪切口

为了达到剪切应改进试验管道样品，在底板宽度方向两端各增加长100 mm钢板并焊接成形。改进后管道底板如图9所示。改进底板后重新进行剪切试验，由于底板提供了足够的支撑强度，剪切过程顺利完成。经历了外围管道压扁，中间管道压缩并先后发生断裂，在并剪过程中需要较大的功率，断口由里向外撕开。

图9 改进后管道底板

3 试验结果的分析

下面从剪切方向对比和管道支撑强度对比，对剪切能力、断口情况、剪切扭力和长柄操作工具方面进行分析。

3.1 剪切方向影响

从结果看，无论是纵排还是并排剪切都可以将管道剪断，纵排剪切所需功率相对更小，说明剪切方向只是影响剪切能力。断口平整清晰，从断口处判断属于挤压断裂而非切断。从图1可知管道壁厚2 mm，受挤压后剪切厚度达到了4 mm。对于刀刃来说切削厚度太大。随着剪切力增大刀刃首先将两边的材料挤压断裂而非切削开来。剪切方向对断口的影响局限于断裂开口处不同:纵排剪切时管道单边受到刀刃挤压首先断开，里面则与另一条管道接触最后断裂;而并排剪切时管道双面都收到了刀刃挤压同时断裂，断口比较对称。

3.2 管道支撑强度影响

在并剪试验中管道发生了倾斜致使剪切未能完成，在改进了底板宽度后管道顺利切断。在理论上两片刀刃应该在一个平面重合移动，但实际情况是刀刃间存在间隙t，如图10所示，而这个间隙构成了剪切是旋转扭力的来源，由于剪刀的咬合力巨大，即使这道缝隙大小的力臂也能产生较大的力矩使管道发生倾斜。

图10 刀刃件的间隙

底板提供了足够的支撑强度情况下，剪切过程中剪刀发生了左右倾斜，试验的结果与管道发生倾斜情况类似，巨大的剪切力将转化为刀刃间的排斥张力使得间隙变大，管道挤压断裂变得困难。因此，在遥控维护剪切管道过程中除了管道保持一定的垂直程度，液压剪刀长柄操作杆应该提供足够的水平支撑能力，以保证剪切过程的顺利进行。

4 结语

通过对试验结果的分析，本文得出以下的结论:

1)在液压泵提供足够强劲的动力和刀刃牙口不产生滑移时，管道剪切方向对剪切能力的影响不大;

2)剪切方向对断口的影响局限于纵排剪切时管道单边受到刀刃挤压单边断开;而并排剪切时管道双面都收到了刀刃挤压同时断裂，断口比较对称;

3)实际使用的液压剪刀刀刃间存在间隙t构成了剪切是旋转扭力的来源;

4)剪刀保持水平剪切与管道保持一定的垂直程度一样重要，在遥控维护条件下要切液压剪刀的长柄操作杆具备较好的水平支撑能力。

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