反应堆压力容器顶盖密封槽清洗装置的研制

穆 伟 王炳炎 杨其辉

(中国核动力研究设计院 核反应堆系统设计技术重点实验室，四川 成都 610000)

0 概述

反应堆压力容器顶盖密封槽清洗装置的功能是用于反应堆压力容器顶盖密封槽“O”环压道表面污物、附着物的去污清洗。顶盖密封槽关系到核反应堆的密封性进而影响到核反应堆的安全性，通过清洗顶盖密封槽以确保核反应堆压力容器获得良好的密封和安全可靠的运行。此外，本清洗装置的远程操作功能大大降低现场施工人员和操作人员在清洗顶盖密封槽时受到较大辐射剂量的侵害，实现反应堆维修人员辐射防护的目标。

清洗装置是专用机电设备，是集成自动控制技术的精密机械，分为自动和半自动两种工作状态。自动工作状态时，其各项操作由程序控制进行，操作人员远离辐射环境，可有效的避免维修人员清洗时受到较大辐射剂量的侵害，同时也是减少人工清洗时可能出现漏洗、清洗不完全情况，半自动工作时，其各项操作由维修人员根据现场具体情况操作执行。

目前国外已经有类似清洗装置产品，而国内核电站大多采用从国外进口清洗装置或采用人工清洗方式。因此利用先进的自动控制技术，研制一种更高效、可靠的自动清洗装置，实现反应堆压力容器顶盖密封槽的自动清洗是十分必要的。

本文研制的清洗装置的清洗方式为顶盖密封槽的槽口向上的清洗方式，与目前国外进口的密封槽的槽口向下的清洗设备不同，对于核电设备国产化有着重要的借鉴意义。

1 功能指标

研制清洗装置所需的功能要求如下：

（1）清洗装置工作时不得对压力容器顶盖密封槽造成机械损伤；

（2）采用机械摩擦清洁，干式清洗工艺,清洗刷的转速可调，完成压力容器顶盖密封槽“O”环压道表面去污清洁；

（3）清洗装置工作行走速度可根据实际工况调节其范围是1m/min－4m/min；

（4）清洗装置可实现全自动清洗，也可半自动清洗。通过控制系统进行切换；

（5）清洗装置应外观整洁，可对污物进行收集，便于去污和清理。

2 工作环境

清洗装置在反应堆压力容器顶盖密封槽上使用。清洗装置工作的环境条件：

（1）温度：0℃－45℃；

（2）相对湿度≤95%；

（3）放射性水平：反应堆压力容器密封槽内≤10mSv/h。

3 研制方案

图1 清洗装置工作图

3.1 技术路线

清洗装置采用远距离线控轮式小车行走工作方式 （电缆长度15m），在清洗装置工作前，首先将压力容器顶盖翻转并存放在顶盖存放架上，且要满足其存放的水平度要求。将清洗装置吊运到压力容器顶盖密封槽上，安装就位后,启动清洗装置，完成顶盖密封槽“O”环压道表面的清洁工作，见图1。

3.2 关键技术

根据技术路线可以确定关键技术有两个，首先是顶盖密封槽的安全可靠的清洗技术其次是自动化/半自动化的控制技术。关键技术的实现如下：

3.2.1 清洗技术方案

采用机械刷、抛光式，摩擦干法清洗工艺，完成密封面的清洁工作，清洗装置清洗组件结构示意图，见图2。

图2 清洗组件结构图

3.2.2 控制技术方案

清洗装置自动化、智能化运动控制，其特点如下：

（1）采用远距离线控轮式小车自走工作方式，有效降低操作人员工作时受到较大辐射剂量的侵害；

（2）一键操作即可自动完成清洗装置的干法清洗、粉尘废屑收集贮存等多项任务，操作简单，自动化程度高；

（3）不依赖其他装置或附件，独立完成压力容器顶盖密封槽清洗工作，对工作环境要求低。

4 结构设计

清洗装置由机械系统和电气控制系统两部分组成，其中机械系统由小车组件、清洗组件、吸尘组件等部分组成，见图3。

图3

4.1 机械系统

4.1.1 小车组件

小车组件由驱动组件，导向组件，车架和从动轮组成。

驱动组件为清洗装置提供动力，安装在小车的前部。其由电机、轴套、圆锥车轮传动副、驱动轮组成。电机为伺服电机，可实现无级调速。圆锥齿轮传动副的减速比i=1.5。两个驱动轮分别行走在压力容器密封槽的内外侧的法兰面上。为了增加驱动轮与法兰面见的摩擦力，驱动轮外圈所选用的材料为聚氨酯。

车架由车体，把手和支撑件组成。车体为不锈钢板，作为支撑结构件，在其前部焊有一个把手，便于人工操作，支撑件为不锈钢弯折件其内放置吸尘管在其后端安装两个行走轮，轮子的外层材料采用聚氨酯。

导向组件在驱动轮的后面和行走轮的前面各安装一个。其径向位置与外侧的清洗砂布轮在同一圆周上。它由轮轴、螺母、连接杆、轴承及轴承座组成。轮轴下端有一导向轮，导向轮外层材料采用聚氨酯，直径略小于密封槽宽，轮轴与连接杆之间采用螺纹连接，可实现轮轴的上下移动并用螺母锁紧。清洗时，轮轴下移进入压力容器顶盖密封槽内，调节轴承座径向位置，使导向轮与密封槽外侧面接触，起到导向作用。清洗结束后，轮轴上移，使驱动轮和行走轮与地面接触，平稳放置。

4.1.2 清洗组件

清洗装置的清洗功能由清洗组件完成。它由清洗部件、罩壳、升降调节机构和弹簧连杆机构组成。清洗部件有两组，一组是由两个砂布轮组成，另一组由两个清洗布轮构成。两组轮分别由带减速器的伺服电机通过同步带传动带动它们高速旋转，实现对两个密封槽的清理，旋转的砂布轮可去除污物，旋转的布轮可进行清洁。为防止出现粉尘四处飘扬的现象，设置罩壳罩住砂布轮和布轮。罩壳下部有橡胶密封条，其紧贴在压力容器顶盖法兰面上，上部为管座，与吸尘器连接，可将粉尘吸入吸尘组件中。罩壳还为电机提供支撑。罩壳通过升降调节机构吊挂在车体下方，升降调节机构采用丝杠、螺母方式实现清洗组件的升降调节，旋转螺母，丝杠带动清洗部件上下运动。清洗时，将清洗组件下移，使砂布轮和布轮进入顶盖的密封槽内，然后旋转两个弹簧连杆机构上方的螺母，调节砂布轮和布轮处于清洗的最佳位置并压紧。清洗完毕后，提升罩壳，使砂布轮和布轮脱离密封槽。在更换清洗轮时，只需拆下压紧条（罩壳放置清洗部件的开口正下方的密封压紧条）并提升弹簧连杆机构的杠杆旋转清洗部件，将其清洗轮旋出罩壳即可进行更换清洗轮。

4.1.3 吸尘组件

吸尘组件完成清洗粉尘和污物的收集，由工业吸尘器和过滤系统组成。

4.2 控制系统

控制系统实现清洗装置的人机交互、电气控制驱动等功能，可完成清洗装置的自动或半自动控制运行，电气控制系统由控制柜和控制系统两部分组成。

4.2.1 控制柜

采用金属控制柜，通过按键完成对清洗装置的操作。控制柜与小车之间电缆采用快插插头方式连接。

4.2.2 控制系统

整个系统由主控制系统、数字交流伺服驱动系统等部分构成。由主控制系统发出指令，通过伺服驱动系统控制小车组件的运动。

电气控制系统主要包括以下特点：

具有安全可靠、自动化程度高、抗干扰能力强等特点；

采用可靠性设计技术，突出了系统的可靠性设计理念，对系统的逻辑运行关系，失效情况、可靠度的预测分配进行科学合理的分配和评估；

控制系统具有自检功能和故障定位、报警功能、能提示用户正确设置参数，在显示界面上有自检的工况结果显示；

控制系统具有在任何情况下可强制中断任务回到默认状态的功能，从而保护整个系统。

5 清洗装置产品参数

在清洗装置制造过程中根据质保体系、产品设计和制造工艺要求，通过对生产条件、关键工序、检验等多方面的控制，确保了清洗装置的制造质量，产品各项产品参数如下：

（1）重量：约 42kg；

（2）外形尺寸：约 1100mm×420mm×400mm；

（3）电源：380V/50Hz；

（4）电功率：约3kW；

（5）清洗装置工作行走速度：0－4m/min（可调）；

（6）清洗轮转速：0－1500r/min(可调)；

（7）寿命：10 年(不包括易损件)。

6 性能试验

6.1 空载试验

对整个系统连续进行了6小时连续通电空载试验，1小时的空载运行试验，经检验设备表现正常，稳定性良好，无故障现象出现。

6.2 清洗效果试验

将清洗装置安装到模拟试验件上,在模拟试验件顶盖密封槽“O”环压道上人为涂覆一些污物和表面附着物以及局部制造锈迹，启动程序完成清洗及整机运行试验，允许清洗两次。经检验整机运行正常、无故障现象，表面污物、附着物及局部制造的锈迹清洗干净，清洗效果满足使用要求。

7 工程应用

在军工领域，清洗装置进行了反应堆压力容器顶盖密封槽的清洗工作，整个清洗工作过程顺利，无异常情况出现，清洗效果满足设计要求，较好地完成工程任务。

8 研制结论

（1）通过对清洗装置进行的试验和工程应用,证明清洗装置设计方案和采用的制造工艺路线是正确合适的，各项指标均达到使用要求；

（2）清洗装置清洗效果和试验运行结果表明清洗装置系统自动化程度高，稳定可靠，能满足反应堆压力容器顶盖密封槽的清洗要求；一键操作即可自动完成反应堆压力容器顶盖密封槽的干法清洗、粉尘废屑收集贮存等多项任务，避免了维修人员清洗时受到较大辐射剂量的侵害，大幅度提高清洗工作效率和清洗质量；

（3）在研制过程中,采用了标准化、模块化、可靠性设计等现代设计技术，突出强调了系统的可靠性要求，保证了清洗装置系统的总体质量要求；该清洗装置填补了国内反应堆压力容器顶盖密封槽自动清洗领域研究的空白。