李加剛

(中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院，四川 成都 610041)

由于鈹組件具有中子吸收截面小、原子質(zhì)量輕等優(yōu)良性能，因此國內(nèi)外采用鈹組件作為慢化劑和反射層的研究堆就有50座[1]。但是，鈹組件也具有一些明顯的缺點(diǎn)，如輻照脆化、輻照腫脹以及價(jià)格昂貴等[2]。為保證反應(yīng)堆的安全運(yùn)行，在一定時(shí)間間隔內(nèi)，需對(duì)鈹組件進(jìn)行定期更換，如美國材料測(cè)試堆(MTR)在運(yùn)行10 a或184次循環(huán)后，就停堆對(duì)鈹反射層進(jìn)行外觀檢查及不直度測(cè)量；而國內(nèi)，在對(duì)某研究堆內(nèi)鈹組件情況進(jìn)行普查時(shí)，發(fā)現(xiàn)有1盒鈹組件不能自由松動(dòng)拔出，分析原因?yàn)殁斀M件的下插頭與柵格板的配合面楔死，導(dǎo)致無法拔出，同時(shí)該鈹組件本身還存在變形和傾斜。為了保證該研究堆能夠長期穩(wěn)定運(yùn)行，需要設(shè)計(jì)一套專用拔取設(shè)備對(duì)該盒鈹組件進(jìn)行出堆操作。

1 滯留鈹組件結(jié)構(gòu)及無法拔取原因分析

1.1 鈹組件結(jié)構(gòu)

鈹組件作為中子反射層，其截面形狀為正六邊形，主要由鋁下端頭、鈹塊、鋁上端頭組成，如圖1所示。鈹塊下部的下端頭插入柵元中，下端頭為LT24鋁加工而成，下端頭中部有12°53′的長12 mm倒角，此倒角與柵格板上的喇叭口配合。

圖1 鈹組件結(jié)構(gòu)圖

下端頭與鈹塊通過M42×2的螺紋連接，螺紋長度為10 mm。鈹塊為核純金屬鈹制成。鈹塊與鈹塊上端頭同樣也是通過M42×2的螺紋連接，鈹塊上端頭用LT24鋁加工而成。

1.2 鈹組件無法拔取原因分析

鈹組件多年沒有進(jìn)行過移位或出堆操作，從圖2可以看出，鈹塊下端插入柵元格后有12.35 mm的間隙。經(jīng)過分析，鈹塊無法拔出的最有可能的原因?yàn)殁攭K下插頭與柵格板的配合面卡死，進(jìn)一步分析推斷，可能為鈹塊下部的鋁制下端頭因多次拔插而變得粗糙或者因腐蝕產(chǎn)物導(dǎo)致堵塞卡阻。

圖2 鈹組件下端頭與柵格板位置圖

由于鈹組件在堆芯輻照后，鈹材料會(huì)變脆，力學(xué)性能變差，且鈹組件上端頭與鈹之間為螺紋連接，因此作用在鈹組件上端頭上的力不能過大，以防拉斷鈹組件。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，堆芯組件在堆內(nèi)移動(dòng)均為人使用手動(dòng)工具進(jìn)行操作，最大拔取力不超過500 N。當(dāng)燃料組件或鋁組件與柵格板卡阻時(shí)，使用專用設(shè)備輕輕敲擊拔取工具，較小沖擊力就能完成拔取操作，根據(jù)這一經(jīng)驗(yàn)，可知將力施加在強(qiáng)度較好的鈹組件下端頭上，就能完成堆芯滯留鈹組件的拔取操作。

2 工作原理及工藝流程

鑒于鈹組件的特點(diǎn)以及鈹組件與柵格板配合情況，無法將較大的拔取力作用在鈹組件上，只能將其作用在鈹組件下端頭。根據(jù)圖2可知，鈹組件下端頭與柵格板有12.35 mm的間隙，鈹組件六方面與下端圓有0.5～5.6 mm的臺(tái)階，可將拔取力作用在該臺(tái)階上。為了保證拔取的可靠性，還設(shè)計(jì)了一套備選方案，將力作用在鈹組件下端頭的六方面上。具體方案為采用2組刺針，每組3根，刺入鈹組件下端六方面，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)鈹組件的夾持，如圖3所示。

工作時(shí)，先清除堆芯燃料組件，形成目標(biāo)鈹組件拔取操作空間；然后將堆芯滯留組件拔取專用設(shè)備吊裝入堆芯，并配合攝像頭進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控；隨后，在平定蓋法蘭上安裝緩沖架，并用螺栓固定，通過兩個(gè)力矩扳手同步扳動(dòng)絲杠螺母，并實(shí)時(shí)確認(rèn)絲桿同步運(yùn)轉(zhuǎn)，從而推動(dòng)芯桿向下運(yùn)行，使得芯桿推動(dòng)傳動(dòng)桿組件向下運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)抓頭向組件方向移動(dòng)，最終使安裝在抓頭頂部的刺針刺入組件，與此同時(shí)，抓頭底部的抓勾抱緊鈹組件下端頭臺(tái)階；最后在電子秤和水下攝像頭監(jiān)視下，緩慢拉動(dòng)手拉葫蘆，對(duì)目標(biāo)鈹組件進(jìn)行拔取，工藝流程如圖4所示。

圖3 鈹組件夾持示意圖

圖4 鈹組件拔取工藝流程圖

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

堆芯滯留組件拔取設(shè)備主要由緩沖架、門型支架、傳動(dòng)組件和抓頭組件組成，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 堆芯滯留組件拔取設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

3.1 緩沖架

緩沖架由槽鋼、導(dǎo)向桿以及彈簧組成，位于堆芯滯留組件拔取設(shè)備的頂部，主要用于當(dāng)目標(biāo)鈹組件脫離柵格板的瞬間，防止堆芯滯留組件拔取設(shè)備向上超行程移動(dòng)，同時(shí)也對(duì)堆芯滯留組件拔取設(shè)備進(jìn)行水平方向限位。

3.2 門型支架

如圖5所示，門型支架由頂板、立柱、導(dǎo)向保護(hù)機(jī)構(gòu)構(gòu)成。圖中左右2根立柱為采用高精度冷拉管制作而成，其下部皆插入底板，并和底板通過專用螺栓連接在一起。底板和頂板均采用15 mm厚的鋼板，其中頂板與橫梁焊接，底板上開有70 mm六角口，與組件左右各有3.75 mm的間隙，構(gòu)成整個(gè)設(shè)備的支架。導(dǎo)向保護(hù)機(jī)構(gòu)由保護(hù)管和導(dǎo)向喇叭口組成，用于保持鈹塊脫開時(shí)仍為豎直狀態(tài)，防止鈹塊傾倒。頂板上焊接一個(gè)M20吊環(huán)螺釘，該螺釘需要確保在堆芯滯留組件拔取設(shè)備的中心。

3.3 傳動(dòng)桿組件

傳動(dòng)桿組件由絲杠螺母副、中間芯桿、連桿機(jī)構(gòu)等組成，通過力矩扳手按照規(guī)定的力矩同時(shí)旋轉(zhuǎn)絲杠螺母組件[3]，驅(qū)動(dòng)絲杠上下運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)芯桿上下運(yùn)動(dòng)，并最終驅(qū)動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)做水平運(yùn)動(dòng)。

3.4 抓頭組件

抓頭組件應(yīng)滿足定位準(zhǔn)確、動(dòng)作靈活、結(jié)構(gòu)簡單的要求[4]，其主要由2套滑塊和刺針組成，每套各1個(gè)滑塊和3根刺針，其中滑塊上有3個(gè)螺紋孔，可以用于固定刺針，滑塊底部為抓勾，用于抱緊鈹塊下插頭臺(tái)階，如圖6所示。刺針材料為30Cr13，熱處理工藝為高溫淬火+回火處理，硬度為48～53 HRC，屈服強(qiáng)度為500 MPa，遠(yuǎn)大于LT24強(qiáng)度極限。

圖6 抓頭組件

4 安全分析

4.1 壓桿穩(wěn)定性計(jì)算

燃料組件材料為LT24，其抗拉強(qiáng)度σb為240 MPa。

刺針頂部倒圓后直徑應(yīng)遠(yuǎn)小于1.0 mm，為保證計(jì)算的可靠性，這里取1.0 mm為初始插入深度，即半徑為0.5 mm，當(dāng)插入深度為2.5 mm時(shí)，尾部直徑為2.5 mm，初始插入面積S1=0.785×10-6m2，末端插入面積S2=4.91×10-6m2。

根據(jù)LT24鋁材斷裂抗力即抗拉強(qiáng)度計(jì)算公式，3根刺針初始刺入需要的壓力為F1=3×σb×S1=565.2 N，3根刺針末端刺入需要的壓力為F2=3×σb×S2=3 535.2 N。

壓桿系統(tǒng)受力分析如圖7所示。

圖7 受力分析示意圖

(1)

式中：夾角θ為34°；摩擦系數(shù)μ為0.4。

從而可知使用扭矩扳手驅(qū)動(dòng)絲杠所需扭矩T為：

T=F下×I′/(2×3.14×η)

(2)

T下1=2.8 N·m

T下2=13 N·m

式中：I′為絲杠導(dǎo)程；η為絲杠傳動(dòng)效率；T下1為刺針初始刺入時(shí)驅(qū)動(dòng)絲杠所需扭矩；T下2為刺針末端刺入時(shí)驅(qū)動(dòng)絲杠所需扭矩。

考慮摩擦[5]、芯桿彎曲等因素，取3倍安全系數(shù)，最大扭矩為39 N·m。

芯桿壓桿穩(wěn)定性計(jì)算[6]：

(3)

(4)

式中：P為彎曲臨界力；E為材料彈性模量；I為慣性矩；l為芯桿長度；μ′為長度因素；D為芯桿外徑；d為芯桿內(nèi)徑。

芯桿彎曲臨界力P=8 000 N，約1.46倍安全余量，考慮到芯桿外還有套管且套管之間有加強(qiáng)桿，因此實(shí)際整體安全余量大于2倍。

4.2 關(guān)鍵零部件強(qiáng)度計(jì)算

考慮到操作的安全性，取1.0 t靜載荷使用ANSYS軟件[7]對(duì)堆芯滯留組件拔取設(shè)備進(jìn)行吊裝強(qiáng)度分析，載荷工況為1.0 t載荷+0.2 t自重，分析內(nèi)容包括吊裝強(qiáng)度分析和爪子強(qiáng)度分析，分別如圖8和圖9所示。

對(duì)于帶有焊接接頭的設(shè)備和零部件，焊縫金屬的基本許用應(yīng)力值S應(yīng)乘以減弱系數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于減弱系數(shù)的規(guī)定見表1。本次計(jì)算將堆芯滯留鈹組件拔取設(shè)備中的焊縫保守地考慮為開剖口的部分焊透角焊縫，取焊縫系數(shù)k為0.75。

表2給出了拔取設(shè)備在各級(jí)載荷下的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果。由計(jì)算結(jié)果可知，拔取設(shè)備的應(yīng)力滿足規(guī)范要求。

圖8 吊裝應(yīng)力及變形分析

圖9 爪子應(yīng)力及變形分析

表1 焊縫減弱系數(shù)

4.3 刺針刺入模擬仿真

為驗(yàn)證刺針設(shè)計(jì)和刺入力計(jì)算的合理性，本文采用LS-DYNA有限元分析軟件進(jìn)行刺針侵蝕模擬仿真，如圖10所示，當(dāng)刺入力為205 N和1 260 N時(shí)，刺針分別刺入0.5 mm和2.5 mm，與理論計(jì)算偏差小于10%，滿足設(shè)計(jì)要求。

表2 專用工具應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

注：計(jì)算時(shí)焊縫影響系數(shù)取k=0.75。

圖10 刺針刺入0.5 mm和2.5 mm時(shí)應(yīng)力及變形情況

5 樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證堆芯滯留組件拔取設(shè)備作業(yè)效果制造的物理樣機(jī)如圖11所示。采用LT24鋁制模擬件進(jìn)行試驗(yàn)，當(dāng)2組6根刺針刺入模擬件深度達(dá)2.5 mm時(shí)，需要最大力矩為35 N·m，與計(jì)算結(jié)果差別不大，在負(fù)載1.0 t 載荷下，堆芯滯留組件拔取設(shè)備成功將載荷提起，抓頭結(jié)構(gòu)完好，刺針仍然保持原有穿刺性能，模擬件被刺表面沒有發(fā)生滑移現(xiàn)象。

圖11 堆芯滯留組件拔取設(shè)備樣機(jī)

6 結(jié)束語

本文根據(jù)某堆芯滯留鈹組件的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套堆芯滯留組件拔取設(shè)備，該拔取設(shè)備繞開了鈹組件鈹制連接段輻照后變脆的問題，將拔取力作用在力學(xué)性能更好的鋁制下插頭上，同時(shí)，抓頭采用針刺加臺(tái)階抱的方法抓緊鋁制下插頭，保證了抓取牢靠，從而解決了水下遠(yuǎn)距離拔取被楔死鈹組件的難題。模擬試驗(yàn)表明，堆芯滯留組件拔取設(shè)備具有操作安全、簡便等特點(diǎn)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)某堆芯滯留鈹組件拔取作業(yè)，還適用于堆芯滯留鋁組件和燃料元件的拔取作業(yè)。