核电厂屏蔽主泵密封环自动切割装置研制

闫国华，袁梦扬，文 忠，李 玮，俞照辉

（国核电站运行服务技术有限公司，上海 200233）

0 引言

CAP1400、AP1000 机组反应堆冷却剂屏蔽泵叶轮和电机部件共用一根主轴，通过螺栓与泵壳相连。为了防止泵体内放射性冷却剂外泄，泵壳与电机定子盖之间焊接有一个Canopy 密封环[1]。主泵虽设计为免维护，但在制造、调试及运行过程中均出现了若干故障，说明了主泵维修的必要性[2]。同时，主泵的结构设计也考虑了后期拆卸的可能[3]。拆卸前需切割Canopy 密封环。为了解决主泵现场的拆装问题，满足实际维修需要，同时避免检修过程中人员承受过量辐照剂量，设计了Canopy 密封环自动切割装置。

1 自动切割装置的设计

1.1 功能需求

屏蔽主泵采用正置安装，泵壳与电机定子盖之间焊接有Canopy 密封环，如图1 所示。在主泵需要检修时，需将该Canopy 密封环切断，电机部件才能降落，移出核岛。因电机是通过主螺栓悬挂于泵壳上，所以切割过程中始终会有4 个螺栓处于连接状态用于承重，切割装置需要切割2 次才能完成切割过程。电机定子盖有外置热交换器接管法兰，故在该处的切割需从两边斜向切割，如图2 所示。

图1 主泵Canopy 密封环区域结构

图2 电机定子盖接管法兰

根据主泵Canopy 密封环区域的结构特点，自动切割装置的设计应具备以下功能：①整个装置应轻便化，可快速装夹固定，且一次装夹可完成整个切割过程；②装置应在不切除接管法兰的情况下，完成干涉部位的Canopy 密封环切割；③作业过程中为避免碎屑划伤主泵其他部件，要求刀具及其切削参数的选择应保证碎屑为微小碎片状；④装置应能够远程控制，尽量减少作业人员所受的辐照剂量。

1.2 切割装置设计

为了满足上述的功能要求，装置的总体设计大致分为环形轨道和切削专机两部分，如图3 所示。

图3 Canopy 密封环自动切割装置

环形轨道主要包含环形齿圈、环形底座、固定套筒、周向电机、运动底座等5 部分内容。环形齿圈和环形底座通过螺栓、销钉连为一体（为了便于搬运及安装，可将环形轨道分为多段），通过固定套筒插入主螺栓通孔内，从而将环形轨道固定在主泵定子法兰面上。周向电机端部安装有齿轮，与齿圈齿形配合，驱动运动底座在环形齿圈上作周向运动。环形齿圈两边设有V 形槽，与运动底座底部的滚轮相配合，对运动底座起到导向作用。

切削专机安装于运动底座上，通过旋转电机端部的齿轮啮合，实现自身的角度摆动，以躲避切割过程中与主螺栓等的干涉空间干涉。专机主要包含直线进给机构、切削电机、切削刀具、摄像头等部分。刀具选用标准刀具，采用快装方式，快速安装于切削电机端部。通过选用合适的刀具及切削参数，保证切削碎片为细小碎屑，一方面便于收集，另一方面避免了对周围主泵零部件表面造成损伤。摄像头用于监测刀具的刀头磨损情况、现场切割的情况等。装置的周向零点和旋转零点为专机切割起始位置及姿态提供校正。为了保证整套装置在现场环境的顺利使用，专机在环形轨道上行走时处于与环形轨道相切的姿态，可尽可能节省空间。设计阶段也对切割装置的外形尺寸进行了严格限制，保证了现场在不拆卸环境构筑物的情况下完成Canopy 密封环的切割。

电机定子盖接管法兰处Canopy 密封环的切割示意，如图4所示。

图4 接管法兰处Canopy 密封环切削

1.3 刀具切削参数

刀具及其切削参数的选择应满足刀具标准化、通用化、可快速更换，碎屑非连续、碎小状，切削过程刀具跳动量较小等要求。为此，试验选取了直径为6 mm的标准球头铣刀，经优化，对于无接管干涉区域的垂直切割，切削速度为0.5 mm/s，每次径向进给深度为1 mm；对于接管区域的斜向切割，切削速度为0.3 mm/s，每次径向进给深度为0.5 mm。切削试验材料为304L 不锈钢，切削试验效果如图5 所示。

图5 最优参数下的切削

2 样机与试验

根据上述设计方案，研制了原理样机，如图6 所示。根据系统维修作业的工艺规程，按步骤对样机的基本功能和切割作业进行了试验验证。试验结果表明：装置周向运动机构、切削专机旋转机构和切削专机直线进给机构运行平稳，精度满足要求，机械限位稳定可靠，按预定的工艺要求完成了切割作业，未发生主泵局部模拟体其他部件损伤事件；刀具选型及切削参数设置合理，切削过程中，碎屑为细小碎片；控制系统软硬件工作正常，通讯交互合理，操作简便。实际切削效果及碎片如图7 所示，碎片非常细小，不会对周围零部件造成损伤，碎屑可用吸尘器进行收集。

图6 Canopy 密封环自动切割装置样机

图7 切削效果及碎屑

3 结论

根据主泵的结构特点和现场维修需求，设计了Canopy 密封环自动切割装置，选取了合理的刀具切削参数，搭建了运动机构，开发了控制系统，完成了样机的研制，并在模拟体上进行了Canopy 密封环的自动切割试验。试验结果表明：Canopy密封环自动切割装置设计合理，可在不去除接管法兰的情况下完成Canopy 密封环的切割；刀具及切削参数选取合适，切削碎屑细小，未损伤主泵其余部件，易于收集；控制系统满足远程监控和控制需求；整套装置结构紧凑，操作简便，能够实现既定的功能需求，可用于现场的实际作业。