高温气冷堆控制棒圆环链剪切装置设计与分析.docx

? ? 高温气冷堆控制棒圆环链剪切装置设计与分析 ? ? 张 斌，鲍学斌，薛永阳，谭书莹 （1.中核武汉核电运行技术股份有限公司，湖北 武汉 430223；2.华能山东石岛湾核电有限公司，山东 荣成 264312） 1 引言 以石墨为中子慢化剂和结构材料、惰性气体氦气为冷却剂的高温气冷堆，是一种固有安全性好、发电效率高的先进核反应堆[1-3]。在反应堆运行过程中，控制棒系统用以进行反应性控制，实现各种运行模式。圆环链实现控制棒驱动机构与控制棒的连接，控制驱动机构带动控制棒组件从而实现反应堆的功率调节[4]。24组控制棒驱动机构安装于压力容器顶盖控制棒壳管嘴上，控制棒驱动机构通过圆环链与控制棒连接，其中控制棒驱动机构被划分为6个单元，每个单元包括两组直通式控制棒驱动机构和两组外置式控制棒驱动机构。 控制棒驱动机构工况严格，结构复杂，操作频繁，发生故障的概率较大，需对控制棒驱动机构进行解体维修。高温气冷堆控制棒驱动机构作为一回路压力边界，一旦拆除驱动机构，就会破坏一回路压力边界，导致原有的氦气气氛被破坏。 故需建立气氛隔离系统，在保证一回路内气氛不外泄的前提下，实现控制棒驱动机构与控制棒组件的分离。又由于控制棒驱动机构结构复杂，圆环链及控制棒组件的总体长度较长，故在有限的气氛隔离空间内解体控制棒驱动机构较困难。在紧急情况下，为实现控制棒驱动机构的快速解体，提出使用专用剪切装置快速剪切圆环链，断开控制驱动机构与控制棒之间的连接，以便快速将控制棒驱动机构从一回路压力边界中转移出来，进行离线检修的方案。 这里针对上述高温气冷堆控制棒驱动系统解体维修方案，设计研发了一种圆环链剪切装置，使其满足功能性、安全性、可操作性等各方面要求，并通过Deform-3D有限元分析软件，对环链剪切过程进行模拟，从而优化剪切刃参数，降低剪切驱动力要求。仿真和实验结果表明该装置可实现圆环链的剪切，满足工程实际要求。 2 控制棒检修剪切装置设计要求 环链剪切装置固定安装在气氛隔离系统内部，主要用于控制棒驱动机构拆装过程中剪断圆环链，实现控制棒驱动机构与控制棒的快速拆卸分离，使控制棒驱动机构能够离线维修，避免维修人员长时间面对放射性风险。环链剪切装置必须能满足现场安全可靠性高、操作控制简单、安装调整方便快捷、结构紧凑等具体需求： （1）功能要求：在控制棒驱动机构出现故障需解体维修时，环链剪切装置需具备剪断环链的功能，使控制棒驱动机构与控制棒分离； （2）载荷要求：在满足现场使用要求的情况下，需对刀具的各项参数进行设计优化，使圆环链的切口更加均匀，同时降低剪切驱动油缸性能要求； （3）空间要求：外置式控制棒驱动机构上方存在直通式控制棒驱动机构的法兰结构，故提升高度受限，因此剪切装置在竖直方向上设计和操作的边界值仅为205mm，如图1所示。同时控制棒驱动机构的布置紧凑，剪切装置的宽度也受到限制； 图1 外置式控制棒驱动机构的空间限制Fig.1 Space Limitation of External Control Rod Drive Mechanism （4）安全要求：控制棒驱动机构通过504节φ10×30圆环链来提升控制棒，圆环链一端固定在控制棒内棒上，另一端固定在驱动机构减震器内。圆环链与控制棒组件的总重量达262.5kg，故需确保整个剪切过程中，圆环链必须一次切断，并且切口较均匀，不得产生碎屑。 3 环链剪切装置结构组成 圆环链剪切装置由运载单元和剪切单元两部分组成。圆环链剪切装置整体宽度为380mm，在工作过程中其长度可达1199mm，最大高度为165mm，整体模型，如图2所示。 图2 圆环链剪切装置整体模型Fig.2 The Whole Model of Ring Chain Shear Device 3.1 运载单元 运载单元由运载平台、锁定机构和导轨等组成，如图3所示。运载平台主体呈平板状，其尾部装有推杆，便于工作人员在气氛隔离装置外部推动小车。平台前部设有两个孔，用以安装螺栓实现与剪切单元的连接。导轨固定在气氛隔离装置内部，为运载平台运动提供行走轨道并导向。锁定机构安装在运载平台上，当运载平台到达指定位置时，栓销与导轨上的定位孔同轴心，通过推动栓把可实现整个装置的固定支撑。 图3 运载单元模型Fig.3 The Model of Carrier Unit 3.2 剪切单元 剪切单元通过螺栓与运载平台连接，由液压泵与液压油缸驱动刀具，从而实现环链的剪切。剪切机构上两边设有两个挡块，确保刀具剪切时不发生侧向偏转，同时使用螺栓与上下两块挡板连接，使刀片能够精确定位。下册挡板处设有凸块，用于辅助支撑环链，防止被剪断的环链直接掉落。剪切装置后部与右侧挡块用铰接轴连接，当剪切装置移动到指定位置后，转动剪切装置后部，使其阶梯轴与左侧挡块的轴孔同轴心，即可插