核电站乏燃料水下设备的故障处理

施国亮

（国核示范电站有限责任公司，山东威海264312）

核电站乏燃料水下设备的故障处理

施国亮

（国核示范电站有限责任公司，山东威海264312）

根据CANDU6重水堆核电站乏燃料水下转运设备的故障特征，找出定位销、传动链条开口销安装错误，滚轮挡圈严重锈蚀碎裂等故障原因。在限定时间内无潜水员和水下机器人协助的情况下，设计专用工具、制定并实施维修方案，解决了乏燃料转运过程中，设备驱动严重卡涩，驱动力矩过大、小车移动不平稳等问题

核电；乏燃料；水下设备

0 前言

秦山第三核电厂CANDU6重水堆采用不停堆换料方式，每周都要进行多次换料操作。乏燃料由装卸料机从反应堆堆芯卸出，转运到临时储存池的过程都需要在水下进行，用一定深度的水作为对乏燃料高放射性射线的屏蔽。装置运行中若水下转运设备出现故障将无法传输乏燃料，换料工作必须暂停。若故障不能在限定时间内消除，将迫使反应堆降功率直至停堆。因此，维修工作的高效开展和成功实施直接影响核电厂的经济性和安全性。

1 水下转运设备

（1）结构组成。乏燃料水下转运设备长3.83 m，宽1.73 m，重约680 kg，安装在水深5.34 m水池底部的矩形孔洞内，由岸上驱动装置、链条传动装置、水下外轨道、内轨道和小车等组成，如图1所示。水下设备通过外轨道与水底基座用紧固件和定位销连接，外轨道和内轨道、内轨道和小车可通过滚轮做相对移动，将位于小车上的乏燃料托盘从接收池转移至贮存池。乏燃料托盘在小车上的摆放和定位由独立的提升工具来实现。

（2）故障现象。乏燃料转运过程中，转运设备驱动出现严重卡涩，驱动力矩过大，小车移动不平稳，若继续转运可能会发生影响核安全的事故。

图1 乏燃料水下转运设备

2 故障分析

通过检查和试验，确认岸上设备没有出现故障，故障位置处于水下。使用水下高清摄像机观察发现：①转运设备的定位销没有正确安装。②传动链条部分开口销安装错误，脱落风险极大。③滚轮挡圈出现严重锈蚀甚至碎裂并掉落。

根据故障现象判断，滚轮挡圈出现严重锈蚀甚至碎裂并掉落，是此次故障的主要原因；传动链条部分开口销的错误安装使故障进一步恶化；定位销没有正确安装，虽不是此次故障的诱因，但增加了故障处理的难度。

2.1 定位销安装错误

水下转运设备有2个定位销，在正确的安装过程中，定位销上的通孔用来穿插工具以便将定位销拧紧，先安装定位销，后安装需定位的转运设备，定位销的通孔就会被盖住而不可见（图2）。在错误的安装过程中，先就位转运设备后拧入定位销，定位销上的通孔就会暴露在外（图3）。将定位销从错误位置纠正到正确位置，需要将整个转运设备拆除。

图2 正确的安装位置

图3 错误的安装位置

2.2 开口销安装错误

开口销的错误安装情况如图4所示，开口销需要更换，并正确安装。在无潜水员协助的情况下，水下更换开口销的难度较大。

2.3 滚轮挡圈锈蚀脱落

从水下摄像机观察到的滚轮挡圈已经发生严重锈蚀，有的已经断裂和掉落，如图5所示，均是初次安装时挡圈材料选择不当所致。通过查阅相关资料，转运设备上总共安装了15个挡圈，其中大部分挡圈的更换必须在将转运设备的3个组件（外轨道、内轨道和小车）分离之后才能进行。这3个组件的分离及组装会涉及吊装、砂轮切割、打磨和焊接等作业，必须把转运设备整体从水下转移至岸上维修，在水下难以完成。

图4 开口销安装错误

图5 滚轮挡圈锈蚀脱落

3 维修方案的制定与实施

3.1 维修方案

定位销安装异常和设备重心不确定对设备的拆除有一定的阻碍。当定位销处于图3所示的错误安装位置时，销子没有通过销孔对转运设备起到定位作用，销子与销孔之间没有正确配合（不同心）甚至已经压紧受力。在设备重心不确定的情况下，起吊时难以保证设备处于要求的水平位置。因此，需要首先将定位销拆除，防止转运设备卡在定位销上无法拆除。

转运设备水下拆卸的简要步骤：拆下定位销→松开紧固螺栓→转运设备吊装出水；水下安装的简要步骤：安装定位销→转运设备吊装入位→螺栓紧固。水下摄像机将始终贯穿于上述一系列维修过程中，远距离高清观察对协助维修作业起到至关重要的作用。维修的难点是解决水下远距离拆装定位销和设备平稳吊装、可靠定位的问题，为此需要设计制作专用工具。

3.2 设计制作专用工具

转运设备的2个定位销和4个紧固螺栓均处于5.34 m深的水池底部，与基座之间均为螺纹连接。拆装过程中操作距离远，而且视线受到水波的影响无法直接观察，因此常规维修工具无法满足使用需求，需要设计制造和使用专用工具。

（1）由于受到5.34 m水深的限制，考虑到岸上人员对工具的可操作性，因此要求工具长度足够。通过计算，选择6 m长直径1英寸无缝碳钢管作为长杆工具的本体。

（2）定位销和螺栓的拧紧力矩分别为200±5 N·m和490± 10 N·m，要求长杆工具上部能够配合力矩扳手使用以达到要求力矩值，下部能配合不同的接头以分别满足销子和螺栓的拆装及其他的功能需要。通过设计选型，在无缝钢管上部焊接3/4英寸方形沉孔的力矩扳手接头；下部焊接1个能配合不同功能公接头使用母接头，公接头和母接头之间使用螺栓连接。

由于使用此类长杆工具会对拧紧力矩产生较大的偏差，扳手显示的力矩与实际传递至紧固件的力矩明显不同，因此在正式使用前需要做好力矩试验，保证实际传递至紧固件的力矩为要求值。图6为拆除定位销的专用工具示意图。

图6 拆除定位销专用工具

（3）专用工具下部接头需具有导向功能，能顺畅的套入螺栓和定位销而不卡涩。根据螺栓和销子的上半部都是1个具有导向作用的圆形锥面，专用工具下部的公接头均可以做成与螺栓或定位销匹配的套筒，通过锥面的导向能够顺利安装专用工具。

（4）专用工具下部接头需具有狭小范围内精确定位和作业的功能。通过观察和测算，定位销上的通孔与转运设备支撑板的距离约为3 mm，定位销与其相邻的螺纹凸台之间的距离为12.7 mm，焊缝的实际宽度和高度约为3 mm。因此，拆装定位销的专用套筒的结构必须简单、紧凑、容易定位，否则无法转动定位销。在定位销通孔中穿过1个销钉，让专用套筒带动销钉转动就可以实现定位销的拆除和安装，定位销拆装专用套筒结构示意见图7。

（5）定位销拆装专用套筒的设计制作要求：①在整个使用过程中销钉不会从套筒中掉落，否则不但工具使用失败，而且如此小的销钉掉落在水池中也难以取出，造成安全隐患。②销钉和套筒的尺寸必须保证能够在定位销和螺纹凸台之间狭小的空间内自由转动，不会出现阻挡。③销钉和套筒能够在水下简易、可靠地与定位销套合或分离。④由于是水下远距离操作，该工具还需要保证定位销的不锈钢螺纹能垂直拧入，否则不锈钢螺纹极有可能出现咬死。若出现螺纹咬死，不仅需要潜水员下水，而且在水下的处理难度非常大，因此必须避免。这个要求也适用于螺栓的专用套筒。

根据以上4个要求，需要设计制作2个定位销专用套筒，用于拆卸的套筒内径和定位销的外径采用间隙配合，套筒在定位销的下插或提升操作简便，容易把套筒的孔与定位销的通孔调节到同轴并穿入销钉；用于安装的套筒内径和定位销的外径采用过渡配合，有一定的紧度，不会出现晃动，使定位销与套筒尽量同轴。安装定位销时，只要保证套筒加长杆垂直度，定位销的垂直度也能得到保证，螺纹不会出现咬死现象。

（6）吊具需要具有吊装过程中水平度调节和稳定定位的功能。由于转运设备重心的具体位置无法确定，制作的专用吊具还需要能够将转运设备调整至要求的水平度位置。转运设备在水下安装时销孔与定位销配合间隙为0.06 mm，对吊装要求较高，销和孔对准后需要通过吊具稳定于该位置并水平缓慢下降。

吊具正式下水使用前，应做好载荷试验和标定工作，并通过试吊检验吊具的功能是否满足维修工作的要求。

3.3 故障处理

（1）定位销的拆装。在定位销拆除的过程中，专用套筒能顺利套入定位销并将其拆除。在安装的过程中，螺纹垂直入扣，没有出现咬死现象。

（2）螺栓的拆装。因螺栓无法从转运设备上完全拆下，在拆卸时只需要将螺纹连接完全松开。拆除过程中个别螺栓出现卡涩，拆下后发现螺纹有损伤，修复螺纹后顺利安装。

（3）设备的吊装。在将设备从水下吊装至岸上的过程中，先将设备水平起吊至一定高度，整体离开安装基座后水平移动，让整个设备全部离开水下孔洞，最后吊离出水上岸。安装回位吊装前，先在岸上将设备调整至水平状态，在销孔与定位销对中时，利用其他牵引将设备的位置稳住，使用导向杆顺利入位。

在使用专用工具并结合水下摄像机观察的条件下，乏燃料水下转运设备的故障在有限的时间内得到了顺利解决，反应堆继续换料操作，没有出现降功率运行。

4 结语

图7 定位销拆装专用套筒

在乏燃料水下转运设备故障出现后急需维修的情况下，维修方案的制定和专用工具的设计制作等前期准备工作时间非常有限，这些方案和工具还有一定的优化空间。该设备维修后，经过几年时间的运行，设备工作状态良好。对于类似的水下重要关键设备，虽然在设计、制造和安装时都是以在核电站寿期内永久使用为目的，但是也不排除在各种意外因素的作用下发生故障，需要相应的水下作业方案和作业工具来解决这类故障，保证核电站的安全、稳定、经济地运行。

［1］A.Muscat.Spent Fuel Transfer and Storage[J].AECL，2003，（1）.

［2］S.Girn.Spent Fuel Transfer Equipment[J].AECL，2000，（8）.

〔编辑李波〕

TL423

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10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2016.12.19