核电厂装卸料机管嘴抱卡机构故障机理分析

张连生

（中核核电运行管理有限公司，浙江嘉兴 314300）

0 引言

坎杜6 重水堆核电站是世界上在役的先进核电站之一。它的一大特点是不停堆换料。装卸料机就是专门为实现这一特点而设计。每个重水堆有2 台装卸料机，分别位于反应堆两侧，它们通常一起工作，以完成燃料更换。

管嘴抱卡机构是装卸料机的一部分，其功能是将装卸料机与燃料通道端部件进行可靠连接，保证换料过程中压力边界的完整性。

管嘴机构包括抱卡螺栓、抱卡螺母、卡爪及连杆、驱动油缸、齿条、轴承、弹簧等。当油缸中的齿条驱动抱卡螺栓齿轮转动，抱卡螺母做轴向直线运动，卡爪收缩并后撤压住燃料通道端部件（图1）。

图1 管嘴抱卡组件

近几年装卸料机管嘴机构出现过几次不能正常解除抱卡的问题（图2）。下面以1#装卸料机管嘴机构为研究对象，对管嘴组件的故障机理进行分析，重点讨论传动螺纹（ACME 螺纹）的性能参数。

图2 装卸料机

1 故障原因排除

1#装卸料机换料结束后，出现了管嘴抱卡机构无法从燃料通道解除抱卡的故障。现场检查，排除了液压控制回路和仪表回路的故障可能，确认故障集中表现在管嘴抱卡机构的机械传动部件（图3）。通过增加解抱卡油压（5.4 MPa 时解锁）的方式将装卸料机解抱卡并转运至检修间检修。

对管嘴抱卡机构进行抱卡和解抱卡动作试验，发现在正常工作情况下无论在管嘴抱卡和解抱卡时，抱卡螺母都先发生约0.1 mm 的圆周方向转动，被导向块限制圆周运动然后再轴向动作。而在管嘴解抱卡故障时，随着解抱卡油压的升高，抱卡螺母也是先转动约0.1 mm，然后卡住，之后继续增大到一定油压后才轴向运动并解除抱卡。由此判断，无法解抱卡的主要阻力来源于抱卡螺栓螺母ACME 螺纹之间，内外螺纹承载面仍紧贴在一起没有相对位移。

图3 管嘴抱卡组件

对故障管嘴抱卡机构进行解体检查后，排除了轴承、预载弹簧和卡爪等其他零部件的故障可能。但是发现，抱卡螺栓的ACME 螺纹承载面有较严重的拉伤，ACME 外螺纹中径超出误差范围，因此将问题焦点锁定在了ACME 外传动螺纹上。为了探究ACME 螺纹的故障机理，需要进一步分析计算。

2 管嘴抱卡机构ACME 螺纹传动性能参数计算

2.1 ACME 螺纹的计算方法

ACME 螺纹参数见表1。

表1 ACME 螺纹参数

实测结果显示，中径低于标准0.5 mm，表面光洁度略超标，硬度满足要求。

（1）抱卡夹紧力计算见式（1）。

式中 F——抱卡筒夹紧力

M——液压缸产生的驱动力矩

d2——螺纹中径

λ——螺纹升角

ρ＇——螺纹副的当量摩擦角

已知d2=9.722 in（246.938 8 mm），λ=3.75°。当λ＜ρ＇时，满足自锁条件。

（3）油缸转动力矩计算公式为M=P0×A×D0。其中，P0为驱动液压缸压力计算假设压力，3.5 MPa；A 为单个液压缸受力面积受力面积，4200 mm2；D0为齿轮中径。

2.2 计算结果

（1）抱卡状态下的当量摩擦系数计算。1#装卸料机的正常管嘴抱卡力为64 000 磅（29 000 kg），油压为3.5 MPa，带入式（1），计算得螺纹副当量摩擦系数为约0.039 5。

（2）自锁角计算。根公式计算可知，当管嘴抱卡力64 000 磅时，螺纹实际自锁角为2.37°。此时螺纹升角λ＞自锁角ρ＇。螺纹不能自锁。

（3）故障工况时的螺纹自锁角。发生故障时抱卡力预计仍为64 000 磅，解抱卡油压约5.4 MPa，计算得ACME 螺纹副当量静摩擦系数约0.226，自锁角为约13.14°，远大于螺纹升角。

由以上计算可以知道，正常情况下管嘴机构抱卡动作完成时，ACME 螺纹副的当量动摩擦系数为0.046。抱卡动作完成后，抱卡机构不再动作，抱卡力维持64 000 磅不变。

而在故障工况下，管嘴机构开始解除抱卡时，抱卡螺栓和抱卡螺母之间未发生相对移动，因此将此时的摩擦阻力视为静摩擦阻力，计算得知当量静摩擦系数变为0.226，自锁角约13.14°，螺纹实现自锁。当量静摩擦系数显著变大，说明ACME 螺纹副传动机构存在严重问题，螺纹副之间的配合在抱卡动作完成后发生了突变。

3 故障原因确定

考虑影响螺纹当量摩擦系数的可变因素，主要包括接触率和表面光洁度。而接触率又受中径影响。对故障螺栓进行了检查，发现故障螺栓螺纹承载面解触率较低。进一步检查发现，ACME 外螺纹的中径低于标准0.52 mm，且圆柱度差，螺纹承载面表面存在损伤。另外，测量了轴向和径向窜动量：径向窜动0.88 mm，轴向窜动1.06 mm，超标比较明显，该参数与ACME 螺纹中径相关。表面光洁度略超标，判断影响较小。抱卡螺母的内螺纹状态较好，不做进一步分析。

螺纹中径和接触率等参数的下降，将影响整个机构的传动性能，会使管嘴抱卡机构不稳定。在ACME 螺纹状态恶化的情况下螺纹面当量摩擦系数增大，使螺纹自锁角增大。通过计算可知，当量静摩擦系数增加到约0.068 时自锁角等于螺纹升角3.75°。即当量静摩擦系数增大到大于0.068 时螺纹副实现自锁。当量静摩擦系数增大到0.168 时，管嘴机构不能解除抱卡。根据计算当量摩擦系数增加到0.226 时，油压需要增加到5.4 MPa以上才能够解锁。

因此装卸料机管嘴机构不能解除抱卡原因为抱卡螺栓ACME 螺纹状态下降，管嘴抱卡螺母螺纹在抱卡过程中相对抱卡螺栓螺纹倾斜，导致传动螺纹面局部受力过大，当量摩擦系数不稳定，抱卡后急剧增大，使得该套抱卡螺栓螺母组件的传动螺纹产生自锁，并且自锁后所需的解锁力量大于驱动油缸提供的解抱卡力量，需要增大油压才能完成解抱卡动作，即解锁螺纹。根据目前已知的情况可以判断，本次管嘴抱卡故障主要是长期运行磨损造成ACME 螺纹表面状态下降造成的。

由于ACME 螺纹中径已超标，并且螺纹承载面划痕不可修复，因此用备件进行了更换。更换后，设备状态恢复正常。

4 总结与展望

对装卸料机管嘴机构ACME 螺纹的性能参数进行了计算和分析，初步确定了装卸料机管嘴机构不能解抱卡的原因为ACME 螺纹参数改变、状态下降，造成传动性能不稳定，当量摩擦系数和摩擦阻力存在突变的现象。当量摩擦系数的变化对管嘴抱卡机构的传动效率、自锁角等影响较大，而影响螺纹当量摩擦系数和摩擦阻力的主要因素为结构尺寸，建议对其进行进一步的测量和研究，明确预防措施，使传动螺纹处于良好的工作状态，从而确保装卸料机的安全稳定运行。