堆内构件在役维修技术研究

黄 然,沈秋平,陈志清,焦向东,项达章,张永平

(1.上海核工程研究设计院有限公司，上海 200233；2.北京石油化工学院，北京 102617；3.江苏海狮泵业制造有限公司，江苏 靖江 214537；4.江苏省艾格森数控设备制造有限公司，江苏 宿迁 223800)

反应堆堆内构件是核电厂的核安全一级设备，位于反应堆压力容器内，起支承和定位核燃料组件、提供冷却剂流道和流量分配、为控制棒导向以及屏蔽中子和γ射线的作用。堆内构件结构复杂，体积庞大，制造加工精度高，所处工作环境恶劣。在高温、高压、高辐照、流体冲击以及振动的共同作用下，随着时间无法避免地会产生疲劳损伤或破坏，使得结构连接件与紧固件磨损，甚至断裂，并最终有可能会导致整个堆内构件丧失完整性和功能，酿成不可估量的事故。

为保证核电厂反应堆的安全稳定运行，非常有必要通过有目的、有针对性地对堆内构件检维修关键技术展开重点研究，自主开发掌握相关技术和工具，形成解决方案与应对措施。

1 国内外现状及背景

国内外核电业界与同行对反应堆堆内构件在役维修相当重视，并先后开展了相关研究工作。1998年10月6日至9日，国际原子能机构核电厂寿命管理机构国际工作组在捷克共和国首都布拉格召开堆内构件运行情况专题会，对堆内构件的故障模式、检查方法及维修技术的改进给予了极大关注。

2001年秦山一期出现反应堆堆内构件辐照监督管支撑结构松动，在高速水流冲击下导致辐照监督管支撑弹簧断裂脱落，破坏燃料组件的锆-4合金包壳，造成反应堆第一道屏障失效的事件。2002年重金聘请美国西屋公司对支撑结构松动给予成功修复。源自秦山一期30万千瓦堆型的巴基斯坦恰希玛核电站C1工程存在同样的问题，2008年由秦山核电牵头，借助外部力量，在反应堆停堆换料时采取专项检修，才得以解决。

为满足核电厂反应堆高辐射环境水下检修维护作业的需求，发达国家开发了多种高科技检修装置或机器人系统，作业效果非常显著。比如，在美国能源部资助下美国REDZONE机器人公司开发的远程控制单臂机器人，能在核反应堆环境下具有一定的移动距离、良好的可靠性和柔性以及较大的负载能力；美国橡树岭国家实验室(ORNL)为芝加哥CP-5反应堆研制的双臂操作机器人系统，可以完成搬运、拆卸等作业任务；日本东京电力公司为应付福岛事故后的核废料清理工作，专门定制的爬行机器人Quince，可在核电站废墟中灵活的剪断、拾起废材料等[1]。

2 堆内构件在役维修关键技术

堆内构件在役维修技术属于核电厂特种维修技术，受辐照环境、时间窗口、安全级别等多重因素的影响，现场维修时只能在屏蔽水层以下远距离操作。通过对：(1)水下电火花成形技术；(2)螺纹成形、螺钉紧固与防松冲压技术；(3)三维激光和水下测量技术；(4)水下加工装备输送及定位夹持系统(TDS)；(5)水下吸尘装置；(6)水下焊接技术；(7)水下浮游探测器；(8)模拟试验及台架等八项关键技术进行深入研究与开发，建立一整套堆内构件在役维修技术及操作样机，可基本解决堆内构件吊篮筒体与辐板围板组件螺钉更换，以及吊篮筒体外侧辐照监督管修复等突出故障问题。操作样机主体结构如图1所示。

图1 堆内构件在役维修操作样机主体结构Fig.1 The main structure of RVI in-service maintenance prototype

2.1 水下电火花成形技术

不同于普通工业中的电火花加工，堆内构件在役维修的水下电火花成形技术采用含硼去离子水作为工作介质，目前在国内市场极少有成功的实际工程应用。

该水下电火花加工装置(见图2)主要由控制电柜(包括脉冲电源与控制系统)、试验水箱、电极驱动系统、工况模拟件、电极冲水系统及去离子水系统、电导率测试仪等组成。其中，控制电柜提供脉冲电源与电火花的加工控制；试验水箱提供加工平台和容器；电极驱动系统装夹加工电极，执行加工动作；电极冲水系统在电极加工时定向冲水，改善排屑效果；去离子水系统提供满足要求的水质[5]。

图2 水下电火花加工装置Fig.2 The underwater EDM device

为解决换料水池12 m水深压力下传动机构和连接件的防水、防锈以及润滑问题，在装置的箱体前面板、底板及箱体罩之间首次运用三层密封隔离方式，形成完整的密封空间。主驱动轴贯穿O型密封圈与伸缩密封套前后进给运动，隔绝了外部环境水渗入箱体内，影响伺服电机、光栅尺等电气元件。既起到了密封作用，又可防止装置腔内空气压力过高。

为掌握在去离子水中正常加工的电导率阈值，确定水的电导率对加工性能的影响，即不同电导率条件下加工精度及性能与加工后尺寸精度及表面粗糙度的关系，通过选择不同的电导率介质进行平面加工性能比较试验，实时测量并取得相应的电导率波形曲线(见图3)。

电导率/(μs/cm)工件电极电极损耗/mm粗糙度加工深度/mm加工时间0.70.33.22.52 h50 min20.353.22.63 h100.43.22.53 h1250.43.22.43 h10 min

图3 水下电火花平面加工电导率影响Fig.3 The effect of electrical conductivity on underwater EDM machining plane

同样，为获得不同材质电极加工的性能特性，采用各性能参数和材料的电极，如紫铜、石墨等(不同颗粒度大小、硬度指标等)进行大量试验，验证了在加工不同材料、不同介质电导率时的加工性能(见表1)。

表1 水下电火花电极性能比较Table 1 Underwater EDM electrode performance comparison

通过试验与分析表明，在核电厂去离子水中进行电火花加工时，电导率值总体平稳，但随着加工过程中碎屑的增多，去离子水中带电导体的增加，电导率值成缓步上升的趋势。采用水下吸尘装置及时清理水中的加工碎屑，可有效抑制电导率值保持稳定。在相同的电控参数下，不同等级的石墨电极对粗糙度影响小，但随着电极颗粒度的增加，电极致密度降低，加工过程中损耗增大。同种加工深度，加工时间基本相同，不同等级电极对加工时间影响小，加工时间主要取决于电控参数。但紫铜电极与石墨电极在去离子水中加工特性差别较大，加工相同深度深孔，紫铜电极加工时间、损耗都较石墨电极大。

2.2 螺纹成形、螺钉紧固与防松冲压技术

对于堆内构件围辐板及辐照监督管支架螺钉、销的水下安装、固定和防松，最直接的解决办法是采用长柄专用工具进行远程操作和控制。通过研制水下远距离螺钉和防松帽安装工具、防松安装与锁紧工具、攻丝工具、铰孔工具、销安装工具等一系列专用工艺装备和器具，逐渐掌握攻丝、螺纹紧固及防松帽冲压的工艺方法，确定出螺栓的拧紧力矩和防松帽冲压的力度。

以堆内构件上规格M20×65的螺钉为例，最终可实现螺钉紧固力矩500 N·m，防松帽防松冲压力达750 N，以及1件/5分钟的工作效率。同时一体化设计执行相似操作的工具，增强互换性，方便操作，使得整体结构更加紧凑，功能更加完备。

2.3 三维激光和水下测量技术

考虑水上与水下的两种不同工况，实际测量时对水上大型组件制造与装配形位公差的测量以及设备空间几何尺寸的测量，采用三维激光测量系统。由调平后三维激光跟踪仪逐一扫描设定的靶点，在Spatial Analyzer软件(SA)中构造成平面，得到每个点的直线距离和水平度。而在水下则利用孔径/孔距测量工具、水下测量基准、径向距离测量工具、间隙测量工具等远距离定位和测量对象的孔径、孔距、距离、间隙等几何量，来判断空间平面的几何变形，为修正提供依据。

2.4 水下加工装备输送及定位夹持系统(TDS)

作为堆内构件在役维修的基础工作平台，水下加工装备输送及定位夹持系统(TDS)为每一步工艺流程提供水上水下的精确传输与定位支撑，以及压空、液压、电力和操作空间。系统整体结构高9 m，水下部分3～7 m，采用伺服电机驱动8 m长轴丝杆，最大输送距离7.4 m，承载量约300 kg，工具托盘可水平推进152 mm，系统垂直重复精度可达到0.1 mm。

借助于TDS系统，在吊篮(下部堆内构件)法兰上建立起一个底层维修台架，通过三个独立的子系统(维修平台运动控制子系统、监控子系统和水下测量子系统)分布式控制，将各类工装夹具传输到吊篮指定位置进行相应水下加工，实现钻孔、铰孔、攻丝、打磨平面、切除焊缝、安装螺栓或定位销等操作。

2.5 水下吸尘装置

水下吸尘装置是一种水流通过式水下过滤装置，在运用水下电火花加工时，启动水下吸尘装置能够及时净化过滤水质，清除与搜集水中的异物，解决由于电火花(电极)放电产生石墨炭棒粉末和金属粉末影响水质浊度的问题。

针对核电厂不同的应用环境，研制的三种不同规格产品(见图4)，泵最大功率分别为15 HP(四筒)、7.5 HP(双筒)与4 HP(单筒)，扬程可达16～47 m，过滤精度最小为1 μm。维修操作时，将其整体吊入水池中，接通筒内潜水泵电源，池水被抽入至滤筒内过滤后排出，不间断的形成水流连续循环，并将杂质和异物截留在滤芯内部。

图4 三种不同规格的水下吸尘装置Fig.4 Three different sizes of underwater vacuum cleaners

2.6 水下焊接技术

按照作业方式的不同，核电厂水下焊接可以分为水下湿式焊接、水下干式焊接和水下局部干式焊接三种类型。湿式焊接一般采用水下焊条直接进行焊接，通常形成的焊缝质量较差；干式焊接的焊接质量虽然最好，但在堆内构件维修过程中无法营造一个全干的焊接环境。随着现代自动化技术的提高，水下局部干式自动焊接以其相对经济、灵活的优势，逐渐脱颖而出，开始在核电厂水下设备焊接领域实现工程应用[2]。

基于水下局部干式MIG全自动焊的遥操作堆内构件维修水下自动焊接试验装置(见图5)，模拟30 m水深工程环境，采用水下微型排水气罩包裹焊枪，形成局部干式空间，突破了焊接机头环境适应性、焊接机头与焊接件水下相对运动控制、排水气罩气流稳定以及密封垫阻燃、焊接视频监控等关键技术，解决了水下环境熔化极气体保护焊电弧控制和熔池保护等技术难题。

图5 核电厂检修水下焊接试验装置Fig.5 Nuclear power plant maintenance underwater welding test device

在装置内模拟实际工况对304与321不锈钢进行堆焊与对接焊，通过汉诺威弧焊质量分析仪对焊接参数进行采集和分析，并经过拉伸试验、冲击试验、弯曲试验和硬度测试等力学性能试验以及渗透检测、超声波检测和射线检测等无损探伤检验，结果表明试件焊缝成型良好，焊接质量高，强度与各项性能满足标准规范的要求。

2.7 水下浮游探测器

水下浮游探测器(ROV)(见图6)是核辐射环境下一种有效的水下检查与监视设施，主要由浮游器本体、综合控制与监测硬件子系统、控制软件与信息处理子系统三个部分组成，具备基本航行、应急航行、异物抓取、水下视频和水下照明等五大功能[4]。

图6 水下浮游探测器Fig.6 The underwater floating detector

该装置结构为携带俯仰云台的四舱分离本体型式，通过CAN总线控制，最远控制距离可达50 m，能够自动定向、定深运动和水中长时间悬停，适用于高辐射、弱酸性的水下核环境作业和其他多种水下非核民用领域。

2.8 模拟试验及台架

为了验证维修设备的功能和操作可靠性，按照维修对象及实际工作环境，在12 m×8 m×6 m试验水池内设置试验台架和试验件，进行辐板螺钉与辐照监督管更换1∶1全模拟试验，通过水下电火花去除原螺孔和支架，并重新扩孔、绞丝和制作防松槽，安装新的螺钉、防松帽及辐照监督管，取得较理想的试验结果(见图7)。

图7 辐板螺钉与辐照监督管更换试验结果Fig.7 Plate screw and irradiation monitoring pipe replacement test results

3 总结与展望

随着核电产业的发展和装机容量的增加，在役核电机组数量不断增多，为保证核电站的有效可利用率，核电站关键设备尤其如堆内构件的长期安全、稳定运行显得格外重要。堆内构件在役维修技术的研发，全面论证了堆内在役维修的可行性和应用能力，提供了核电发展所必需的配套手段和技术保障。并且，该技术成果还可广泛用于：(1)核电厂堆内设备水下维修，如辐照监督管(或板)、辐板螺钉、指套管的修复等；(2)核电厂精确尺寸测量，如反应堆压力容器V型密封环槽的直径测量等；(3)核电厂水下切割与成型加工，如取样切割、退役设备解体、打孔、表面平整等；(4)核环境下水池或容器的维修、检测、清洁、异物拾取、目视检查等水下作业。在我国现阶段的核电发展形势下，具有良好的推广应用价值和社会经济效益。