核电站堆内构件水下维修专用测量工具开发及应用

刘永骏, 黄 然, 高 雷

(上海核工程研究设计院, 上海 200233)

核电站堆内构件水下维修专用测量工具开发及应用

刘永骏, 黄 然, 高 雷

(上海核工程研究设计院, 上海 200233)

核电站堆内构件由于在辐照环境下工作的特殊性, 其故障后的维修必须在水下进行. 使用先进的水下维修测量技术, 对提高检修效率、保护人员安全有很大帮助. 通过对堆内构件在役维修技术的研究, 解决了远距离水下孔径、孔距、径向距离、间隙测量的问题, 开发了多种新型水下测量工具. 新型测量工具具有结构小巧、耐辐照、可远程操作、测量精度高的特点， 且能够满足秦山一期核电站辐照监督管支架更换对水下测量应用的要求.

核电站; 堆内构件; 水下维修; 测量工具

随着世界经济的发展和科学技术水平的不断提升, 核能的和平利用已经成为一种趋势, 核电作为一种可靠和清洁的能源已受到世界各国的欢迎[1]. 国内外核电站的运行经验表明, 核电设备特别是反应堆堆内构件由于受各种因素的影响, 如工作条件恶劣、设备制造工艺与加工缺陷、结构设计考虑不周以及设备长期运行的结构老化等原因, 不可避免地出现了故障. 为了减少核电站因设备故障而造成的非正常停堆, 减少由此带来的经济损失, 提高核电站的可利用率, 世界各国都对核电站的在役维修非常重视[2-3]. 而在役核电设备一般具有较高的放射性, 为保证人员安全, 维修时需要使用硼酸水进行屏蔽. 整个维修作业须在高放射性环境的水下进行, 这对检修过程中使用的工具提出了新要求, 水下维修测量工具就是其中的一大类. 本文通过对堆内构件在役维修技术的研究, 开发了多种新型水下测量工具, 并成功应用于秦山一期核电站辐照监督管支架的更换.

1 堆内构件水下维修

堆内构件是指反应堆压力容器内除堆芯组件外的其他构件, 主要包括吊篮部件、压紧部件及辐照监督管等[4]. 由于堆内构件处于高温、高压、高辐照的工作环境, 并受到含硼水流动的冲刷, 长期使用存在失效风险, 所以笔者课题组围绕堆内构件水下维修工艺开发了工作平台和工具输送系统[5], 如图1所示. 工作平台提供人员在水上的操作空间, 输送系统可精确输送维修工具至水下检修位, 并提供空压、液压、电力和水下监视.

维修时将工作平台和工具输送系统吊装到堆内构件上, 平台上的操作人员既可使用长柄工具远距离操作维修工具, 也可以利用工具输送系统将维修工具下降到水下检修位进行工作. 水下维修测量工具的使用也须依托该系统.

2 水下维修测量工具

为满足堆内构件维修的需要, 本文进行辐照情况下的水下测量技术研究, 开发了专用的系列水下测量工具, 包括孔径、孔距、径向距离、间隙测量工具. 测量工具采用耐硼酸水腐蚀和辐照的铝合金与不锈钢制造, 具有结构简单小巧、质量轻、强度高、便于远程操作且受核污染后表面去污效果好的技术特点， 对于缩短维修时间以及控制人员接受辐射剂量有很大帮助. 这些测量工具首次应用于国内核电站在役维修领域, 具有技术原创性.

2.1 孔径测量工具

孔径测量工具可以在水下精确地测量孔的直径, 如图2所示, 其由连接头、台阶、测量棒组成. 测量棒从下至上由直径逐渐减小的同心圆柱体构成, 每个圆柱体的直径以及两个相邻圆柱体的直径差值根据被测量孔的大小和所要求的测量精度来确定.

1—连接头; 2—台阶; 3—测量棒图2 孔径测量工具Fig.2 Aperture measuring tool

使用时, 工具上部连接头与手操长柄工具用插销连接, 自下而上地插入被测孔, 当测量棒被卡在孔内时, 所卡住的圆柱体的直径即为该被测孔的孔径值. 测量棒上方的台阶用以防止长柄工具与检修设备碰撞.

2.2 孔距测量工具

孔距测量工具可以在水下精确地测量两孔间的距离, 如图3所示, 其由定位销、机架、连接头、轴承座、轴承、测量销、滑动轴、位置反馈气缸和数字式面板仪表(DPM)组成. 定位销、连接头、轴承座与位置反馈气缸安装在机架上, 气缸数据线连接到水上的DPM, 实现移动距离的读数. 伸出机架底部的测量销通过滑动轴与气缸相连, 在气缸的带动下可沿轴承前后滑动, 移动的距离通过位置反馈气缸显示在屏幕上. 定位销可根据所测孔径大小的不同进行更换, 整个仪器利用形似“游标卡尺”的结构实现对检修设备孔距的精确测量. 孔距测量工具的量程和精度由位置反馈气缸决定.

1—定位销; 2—机架; 3—连接头; 4—轴承座; 5—轴承; 6—测量销; 7—滑动轴; 8—位置反馈气缸图3 孔距测量工具Fig.3 Hole distance measuring tool

使用步骤: (1) 将供气管连接在位置反馈气缸上, 并在水上标定测量工具, 使其定位销与测量销间的距离为D; (2) 使用长柄工具将其放入水下, 将定位销插入其中一个待测孔, 较小的测量销插入旁边另一个孔, 并使工具底面与待测孔所在面平整贴合; (3) 操控手动气控盒, 使气缸伸出、测量销夹紧, 反馈的移动距离d显示在DPM读数上; (4) 再次操控手动气控盒使气缸复位, 并转动长柄工具, 使工具沿定位销转动一定角度; (5) 重复步骤3、4, 多次测量并记录移动距离di(i=1, 2, …,n), 并取最大值dmax, 经计算得到孔距L=D-dmax.

2.3 径向距离测量工具

径向距离测量工具可以在水下精确地测量两个面之间的径向距离, 如图4所示, 其由探针、位置反馈气缸、机架和安装底板组成. 探针与安装在机架上的位置反馈气缸相连, 在气缸的带动下前后移动, 移动的距离通过位置反馈气缸显示在远端的DPM上. 整个工具由安装底板固定在工具输送系统上. 径向距离测量工具的量程和精度由位置反馈气缸决定.

1—探针; 2—位置反馈气缸; 3—机架; 4—安装底板图4 径向距离测量工具Fig.4 Radial distance measuring tool

使用步骤: (1) 将径向距离测量工具安装在输送系统上, 并将供气管连接在位置反馈气缸上, 工具随输送系统下降到第一个水下待测面所在位置; (2) 操作手动气控盒, 使探针伸出, 在第一个面上采A点, 并记录移动距离的读数d1; (3) 使探针复位, 并继续将工具下降到第二个待测面位置; (4) 再次操作手动气控盒, 伸出探针在该面上采B点, 并记录读数d2; (5) 经计算得到两面之间的径向距离AB=∣d2-d1∣.

2.4 间隙测量工具

间隙测量工具可以在水下精确地测量装配间隙, 该工具分为上下、 左侧和右侧间隙测量工具3种, 工作原理基本相同. 间隙测量工具如图5所示, 其由塞尺片、测量臂、转轴、摆动气缸、限位销、机架、安装螺栓和六角螺帽组成. 测量臂用紧定螺钉安装在穿过机架的转轴上, 机架底板通过安装螺栓固定在工具输送系统上. 上下间隙测量工具的测量臂由摆动气缸驱动旋转, 气缸的摆动角可调. 左侧或右侧间隙测量工具的测量臂由长柄工具驱动六角螺帽来旋转, 并由安装在机架上的限位销来限制测量臂的摆动范围. 测量臂头部安装有用于测量间隙用的塞尺片, 测量臂上有多个调节位, 用于调整间隙测量工具的旋臂长度.

1—塞尺片; 2—测量臂; 3—转轴; 4—摆动气缸; 5—限位销; 6—机架; 7—安装螺栓(a) 上下间隙

1—塞尺片; 2—测量臂; 3—六角螺帽; 4—转轴; 5—限位销; 6—机架; 7—安装螺栓(b) 左侧或右侧间隙图5 间隙测量工具Fig.5 Clearance measuring tool

使用时, 先根据输送系统到待测位置之间的距离调节间隙测量工具的旋臂长度, 再将测量臂处于缩回位置的工具安装在输送系统上并使供气管与摆动气缸相连, 随输送系统下降到水下待测位置. 然后用摆动气缸或长柄工具驱动测量臂由收回位置向伸出位置旋转, 并用水下监视摄像头观察塞尺片与待测间隙的接触情况, 以确定间隙大小. 根据测量要求可选择不同厚薄规格的塞尺片.

3 测量工具的应用

本文开发的测量工具都具有水下作业、耐辐照、远程操作、测量精度高的特点, 既可以单独使用测量几何尺寸, 也可以结合相应的测量方案来检测形状与位置度. 测量工具已在秦山一期30万kW压水堆核电站辐照监督管支架的更换中成功应用, 现介绍其实际应用情况.

3.1 辐照监督管支架更换

“堆内构件在役维修技术研究”项目中, 要求在核电机组多个燃料循环后对支撑脚出现缺陷的辐照监督管支架(如图6所示)进行更换. 辐照监督管支架固定在位于反应堆压力容器内的吊篮筒体外壁面上, 其内安放有用于监测压力容器筒体受中子辐照和热环境影响所造成的材料性能变化的辐照监督管. 辐照监督管内的辐照样品需定期从堆内抽出进行试验, 以证明反应堆压力容器在正常和事故工况下都能保持结构完整性.

图6 辐照监督管支架Fig.6 Irradiation inspection tube support

经多个燃料循环运行后, 吊篮表面的辐照剂量率约为10 Sv/h, 在如此高的辐照剂量环境下, 人无法近距离接触， 需将吊篮放置在2.4 m深, 硼酸质量分数为2‰的水下进行辐射屏蔽, 人员在水上的工作平台上进行检修操作. 为保证辐照监督管能顺利地经由吊篮法兰吊装孔放入支架或从中取出, 要求新安装的辐照监督管支架的管中心与吊装孔中心之间的同轴度在1 mm之内. 同时要求新的支撑脚与吊篮筒体外壁面贴合紧密, 两者之间的间隙不大于0.2 mm.

为满足辐照监督管支架更换对水下测量的应用需求, 根据第2节所述制造了一批专用水下维修测量工具, 其性能和测量对象如表1所示.

表1 水下维修测量工具

(续 表)

3.2 水下测量基准

要保证辐照监督管支架的管中心与吊篮法兰吊装孔中心之间的同轴度, 首先要确定吊装孔的中心线.

吊篮法兰上有多个相邻的吊装孔, 以其中一个为例介绍其中心线的测量方法. 先用孔径测量工具精确测量这一吊装孔与附近另一吊装孔的直径, 得到孔径D1和D2. 再由孔径D1确定孔距测量工具定位销的直径, 用该工具测量相邻两孔间的距离, 得到孔距L. 最后制造出水下测量基准装置, 作为其后距离测量的基准.

水下测量基准装置如图7所示, 其由套爪提升头、上面板、定位销、连接机构、调整板和基准板组成. 两个定位销安装在上面板的孔内, 定位销的直径等于相邻吊装孔的孔径D1与D2, 上面板两孔间距离等于吊装孔孔距L. 通过连接在套爪提升头上的长柄工具, 将两定位销插入吊装孔内, 并使上面板与吊篮法兰面贴合. 上面板下方通过连接机构连接一调整板与基准板, 调整板的形状有特定要求, 以保证基准板的外侧面过吊装孔中心线且垂直于过吊装孔中心的吊篮筒体直径. 该平面就是过吊装孔中心线的基准面.

1—套爪提升头; 2—上面板; 3—定位销; 4—连接机构; 5—调整板; 6—基准板图7 水下测量基准Fig.7 Datum plane of underwater survey

3.3 距离与间隙测量

在确定了过吊装孔中心线的基准面后, 为保证支架安装后与孔中心的同轴度, 需测量中心线到每个支架在吊篮外壁面预定安装位置的距离(即测量基准面到每个安装面的径向距离), 从而确定支架每个支撑脚的高度. 测量过程如图8所示.

图8 径向距离测量过程Fig.8 Measuring process of radial distance

测量时, 径向距离测量工具随工具输送系统先下降到水下测量基准所在位置, 操控工具在基准板上采点, 该点为落在吊装孔中心线上的基准点, 得到测量距离d0. 再将工具依次下降到各支架安装位置, 先后在外壁面上采点, 得到测量距离di(i=1, 2, …,n), 即可得到每个位置到吊装孔中心线的径向距离Li=(di-d0) (i=1, 2, …,n). 由Li值确定各个支撑脚的高度, 保证安装后的辐照监督管支架的管中心与吊装孔中心之间的同轴度在1 mm之内.

为检验新安装支架的可靠性, 使用工作输送系统将间隙测量工具潜入水下, 到达各个支撑脚位置. 用塞尺分别检验支撑脚与吊篮筒体外壁面上、下、左、右的间隙小于0.2 mm.

4 结 语

本文开发的水下维修专用测量工具, 具有结构小巧、耐辐照、可远程操作、测量精度高的特点. 制造的样机经试验能够满足核电站堆内构件维修对水下测量应用的需求, 对提高核电站水下维修的效率和控制人员受辐照剂量有很大帮助, 其应用前景广阔.

根据我国《核电中长期发展规划》, 到2020年核电运行装机容量将达到4 000万kW, 同时向国外出口核电技术. 不断地发展与完善具有自主知识产权的先进水下维修技术与装备, 是对核电站安全高效运行的有力保障.

[1] 欧阳予, 汪达升. 国际核能应用及其前景展望与我国核电的发展[J]. 华北电力大学学报, 2007, 34(5): 1-10.

[2] 徐玉虎, 徐念念. 核电堆内构件在役维修用水下吸尘装置[J]. 通用机械, 2009(4): 20-23.

[3] CASANUEVA R, AZCONDO F J, ALCEDO L, et al. Advanced cutting experiences for a nuclear power plant application [J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2010, 46(1): 17-21.

[4] 郑明光, 杜圣华. 压水堆核电站工程设计[M]. 上海: 上海科学技术出版社, 2013: 84-93.

[5] 翁志敏. 三维激光跟踪仪在核电维修设备制造检验中的应用[J]. 机械研究与应用, 2014, 27(6): 73-75.

Invention and Application of Measuring Tools for Reactor Internals Underwater Repair in Nuclear Power Plant

LIUYong-jun,HUANGRan,GAOLei

(Shanghai Nuclear Engineering Research & Design Institute, Shanghai 200233, China)

Because of reactor internals working in radiation environment, they should be repaired in underwater. The use of advanced underwater measuring technology is helpful to improve the efficiency of repair and protect the safety of workers. Based on the technology research for in-service reactor internals repair, the problem of underwater measurement for aperture, hole distance, radial distance and clearance has been solved. A variety of new measuring tools have been invented, which have many characteristics, such as compact construction, resistant to radiation, remote operation and high precision. These measuring tools can be applied in replacement of irradiation surveillance capsule bracket for QinShan I nuclear power plant.

nuclear power plant; reactor internals; underwater repair; measuring tools

1671-0444 (2016)04-0548-06

2015-04-20

国防科工委“堆内构件在役维修技术研究”资助项目(5K201)

刘永骏(1983—), 男, 江苏靖江人, 工程师, 硕士, 研究方向为机械设计. E-mail: will_lyj@163. com

TH 12

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