張 斌，鮑學(xué)斌，薛永陽，譚書瑩

（1.中核武漢核電運行技術(shù)股份有限公司，湖北 武漢 430223；2.華能山東石島灣核電有限公司，山東 榮成 264312）

1 引言

以石墨為中子慢化劑和結(jié)構(gòu)材料、惰性氣體氦氣為冷卻劑的高溫氣冷堆，是一種固有安全性好、發(fā)電效率高的先進核反應(yīng)堆[1-3]。在反應(yīng)堆運行過程中，控制棒系統(tǒng)用以進行反應(yīng)性控制，實現(xiàn)各種運行模式。圓環(huán)鏈實現(xiàn)控制棒驅(qū)動機構(gòu)與控制棒的連接，控制驅(qū)動機構(gòu)帶動控制棒組件從而實現(xiàn)反應(yīng)堆的功率調(diào)節(jié)[4]。24組控制棒驅(qū)動機構(gòu)安裝于壓力容器頂蓋控制棒殼管嘴上，控制棒驅(qū)動機構(gòu)通過圓環(huán)鏈與控制棒連接，其中控制棒驅(qū)動機構(gòu)被劃分為6個單元，每個單元包括兩組直通式控制棒驅(qū)動機構(gòu)和兩組外置式控制棒驅(qū)動機構(gòu)。

控制棒驅(qū)動機構(gòu)工況嚴格，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，操作頻繁，發(fā)生故障的概率較大，需對控制棒驅(qū)動機構(gòu)進行解體維修。高溫氣冷堆控制棒驅(qū)動機構(gòu)作為一回路壓力邊界，一旦拆除驅(qū)動機構(gòu)，就會破壞一回路壓力邊界，導(dǎo)致原有的氦氣氣氛被破壞。

故需建立氣氛隔離系統(tǒng)，在保證一回路內(nèi)氣氛不外泄的前提下，實現(xiàn)控制棒驅(qū)動機構(gòu)與控制棒組件的分離。又由于控制棒驅(qū)動機構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，圓環(huán)鏈及控制棒組件的總體長度較長，故在有限的氣氛隔離空間內(nèi)解體控制棒驅(qū)動機構(gòu)較困難。在緊急情況下，為實現(xiàn)控制棒驅(qū)動機構(gòu)的快速解體，提出使用專用剪切裝置快速剪切圓環(huán)鏈，斷開控制驅(qū)動機構(gòu)與控制棒之間的連接，以便快速將控制棒驅(qū)動機構(gòu)從一回路壓力邊界中轉(zhuǎn)移出來，進行離線檢修的方案。

這里針對上述高溫氣冷堆控制棒驅(qū)動系統(tǒng)解體維修方案，設(shè)計研發(fā)了一種圓環(huán)鏈剪切裝置，使其滿足功能性、安全性、可操作性等各方面要求，并通過Deform-3D有限元分析軟件，對環(huán)鏈剪切過程進行模擬，從而優(yōu)化剪切刃參數(shù)，降低剪切驅(qū)動力要求。仿真和實驗結(jié)果表明該裝置可實現(xiàn)圓環(huán)鏈的剪切，滿足工程實際要求。

2 控制棒檢修剪切裝置設(shè)計要求

環(huán)鏈剪切裝置固定安裝在氣氛隔離系統(tǒng)內(nèi)部，主要用于控制棒驅(qū)動機構(gòu)拆裝過程中剪斷圓環(huán)鏈，實現(xiàn)控制棒驅(qū)動機構(gòu)與控制棒的快速拆卸分離，使控制棒驅(qū)動機構(gòu)能夠離線維修，避免維修人員長時間面對放射性風(fēng)險。環(huán)鏈剪切裝置必須能滿足現(xiàn)場安全可靠性高、操作控制簡單、安裝調(diào)整方便快捷、結(jié)構(gòu)緊湊等具體需求：

（1）功能要求：在控制棒驅(qū)動機構(gòu)出現(xiàn)故障需解體維修時，環(huán)鏈剪切裝置需具備剪斷環(huán)鏈的功能，使控制棒驅(qū)動機構(gòu)與控制棒分離；

（2）載荷要求：在滿足現(xiàn)場使用要求的情況下，需對刀具的各項參數(shù)進行設(shè)計優(yōu)化，使圓環(huán)鏈的切口更加均勻，同時降低剪切驅(qū)動油缸性能要求；

（3）空間要求：外置式控制棒驅(qū)動機構(gòu)上方存在直通式控制棒驅(qū)動機構(gòu)的法蘭結(jié)構(gòu)，故提升高度受限，因此剪切裝置在豎直方向上設(shè)計和操作的邊界值僅為205mm，如圖1所示。同時控制棒驅(qū)動機構(gòu)的布置緊湊，剪切裝置的寬度也受到限制；

圖1 外置式控制棒驅(qū)動機構(gòu)的空間限制Fig.1 Space Limitation of External Control Rod Drive Mechanism

（4）安全要求：控制棒驅(qū)動機構(gòu)通過504節(jié)φ10×30圓環(huán)鏈來提升控制棒，圓環(huán)鏈一端固定在控制棒內(nèi)棒上，另一端固定在驅(qū)動機構(gòu)減震器內(nèi)。圓環(huán)鏈與控制棒組件的總重量達262.5kg，故需確保整個剪切過程中，圓環(huán)鏈必須一次切斷，并且切口較均勻，不得產(chǎn)生碎屑。

3 環(huán)鏈剪切裝置結(jié)構(gòu)組成

圓環(huán)鏈剪切裝置由運載單元和剪切單元兩部分組成。圓環(huán)鏈剪切裝置整體寬度為380mm，在工作過程中其長度可達1199mm，最大高度為165mm，整體模型，如圖2所示。

圖2 圓環(huán)鏈剪切裝置整體模型Fig.2 The Whole Model of Ring Chain Shear Device

3.1 運載單元

運載單元由運載平臺、鎖定機構(gòu)和導(dǎo)軌等組成，如圖3所示。運載平臺主體呈平板狀，其尾部裝有推桿，便于工作人員在氣氛隔離裝置外部推動小車。平臺前部設(shè)有兩個孔，用以安裝螺栓實現(xiàn)與剪切單元的連接。導(dǎo)軌固定在氣氛隔離裝置內(nèi)部，為運載平臺運動提供行走軌道并導(dǎo)向。鎖定機構(gòu)安裝在運載平臺上，當運載平臺到達指定位置時，栓銷與導(dǎo)軌上的定位孔同軸心，通過推動栓把可實現(xiàn)整個裝置的固定支撐。

圖3 運載單元模型Fig.3 The Model of Carrier Unit

3.2 剪切單元

剪切單元通過螺栓與運載平臺連接，由液壓泵與液壓油缸驅(qū)動刀具，從而實現(xiàn)環(huán)鏈的剪切。剪切機構(gòu)上兩邊設(shè)有兩個擋塊，確保刀具剪切時不發(fā)生側(cè)向偏轉(zhuǎn)，同時使用螺栓與上下兩塊擋板連接，使刀片能夠精確定位。下冊擋板處設(shè)有凸塊，用于輔助支撐環(huán)鏈，防止被剪斷的環(huán)鏈直接掉落。剪切裝置后部與右側(cè)擋塊用鉸接軸連接，當剪切裝置移動到指定位置后，轉(zhuǎn)動剪切裝置后部，使其階梯軸與左側(cè)擋塊的軸孔同軸心，即可插入階梯軸，完成剪切裝置的布置，如圖4所示。

圖4 剪切單元模型Fig.4 The Model of Shear Unit

目標圓環(huán)鏈的設(shè)計破斷力為126kN，破斷力為環(huán)鏈受拉發(fā)生破壞的力，按照材料力學(xué)經(jīng)典方程可知，其受剪切發(fā)生破壞的力為破斷力的0.71倍，為89.1kN?？紤]裝置的空間限制及盡量減少油缸的載荷要求，選取液壓油缸的內(nèi)徑為80mm，液壓泵的輸出壓強為25MPa，該液壓裝置能產(chǎn)生126kN的推力?；钊麠U與刀具采用刀架進行連接，活塞桿與刀架采用螺紋連接，刀具與刀架采用螺栓連接。為保證刀具具有足夠的強度，能夠安全地剪切圓環(huán)鏈，選取刀具厚度為18mm。圓環(huán)鏈的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致與被剪切鏈環(huán)相鄰的兩個鏈環(huán)之間只有10mm 的間隙，故在刀具中間開設(shè)寬12mm的槽，避免刀具與相鄰的鏈環(huán)發(fā)生干涉。

4 剪切過程仿真分析及刀具參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)設(shè)計需要，環(huán)鏈剪切裝置需由水平方向沿導(dǎo)軌進入，并快速剪斷鏈環(huán)，為保證剪切裝置能夠順利剪斷環(huán)鏈，需要對鏈環(huán)剪切過程進行仿真模擬[5]，并對剪切刃參數(shù)進行優(yōu)化。

因此這里通過Deform-3D有限元分析軟件，對以下三個問題進行模擬研究：

（1）上刀刃剪切角對剪切力大小的影響；

（2）刀具剪切間隙對剪切力大小的影響；

（3）刀具前角對剪切力大小的影響。

4.1 基本工藝參數(shù)

斜刃剪的基本工藝參數(shù)有剪切角α，剪切間隙Δ[6]，如圖5所示。

圖5 斜刃剪的基本工藝參數(shù)Fig.5 The Basic Technological Parameters of Inclined Blade Shear

剪切角即上剪刃與水平方向的夾角，其大小直接影響剪切力的大小。剪切間隙即上下剪刃的剪切側(cè)向間距，其大小對剪切力和剪切質(zhì)量有較大影響，是剪切機的重要工藝參數(shù)。過大的剪切隙會增大驅(qū)動力矩，從而使得鋼板的邊緣域產(chǎn)生較大的彎曲變形、降低成材質(zhì)量；過小的剪切間隙則會造成鋼板邊緣的二次切面，不僅降低剪切質(zhì)量，還會加劇剪刃磨損、降低生產(chǎn)效率。剪切間隙合理取值與剪切機形式、板材厚度、材料屬性、剪切溫度、刀具磨損等因素相關(guān)，目前國內(nèi)還沒有形成成熟且被廣泛采用的理論方法，一般根據(jù)經(jīng)驗公式取值：

式中：h—被剪切工件厚度。

剪切過程中上剪板作為“刀具”，相應(yīng)的具有刀尖，前角αs，后角βs等刃型參數(shù)。如圖6所示。

圖6 上剪刃的刃型參數(shù)示意圖Fig.6 The Schematic Diagram of Blade Parameters of Upper Cutting Edge

4.2 模型建立

分析對象由被剪切鏈環(huán)，上剪刃及下剪刃組成。在Deform-3D軟件中，由于下剪刃結(jié)構(gòu)相比上剪刃剛度較大，將其定義為剛體，將上剪刃定義為彈性體，材料選擇合金工具鋼Cr12MoV。圓環(huán)鏈定義為塑性體，材料選擇為符合G80標準的AISI 5115，材料的結(jié)構(gòu)模型采用的是流動應(yīng)力與等效塑性應(yīng)變、等效塑性應(yīng)變速率和溫度相關(guān)的Oxley模型，屈服準則采用Von-Mises，斷裂準則采用Normal C&L模型[7]。

金屬塑性成形中模具與工件之間的相對運動會產(chǎn)生相對摩擦，摩擦系數(shù)大小會對計算結(jié)果產(chǎn)生影響，本次實驗中摩擦因子為μ=0.12。

在有限元模擬中，單元的疏密程度直接影響了結(jié)果的準確性。劃分單元后的刀具剪切環(huán)鏈的仿真模型，如圖7所示。

圖7 劃分網(wǎng)格后的仿真模型Fig.7 The Simulation Model After Meshing

有限元模型參數(shù)，如表1所示。

表1 有限元模型參數(shù)表Tab.1 Parameter Table of Finite Element Model

通過計算對比，該單元劃分方式可滿足網(wǎng)格收斂性需求。

環(huán)境溫度設(shè)為20℃，對模型施加邊界條件：

（1）在下剪刃的側(cè)面和底面施加位移約束，使其被完全固定；

（2）在上剪刃的側(cè)面施加位移約束，在其頂面施加施加每秒1mm的位移，使上剪刃能以1mm/s的速度豎直向下運動；

（3）定義類型為兩物體接觸，環(huán)鏈分別和上下剪刃接觸。

4.3 仿真結(jié)果

仿真步數(shù)設(shè)置為30步，進行仿真計算，得出以下仿真結(jié)果，如圖8所示。

圖8 圓環(huán)鏈剪切過程示意圖Fig.8 The Schematic Diagram of Cutting Process of Ring Chain

圖8顯示了圓環(huán)鏈的剪切過程，其中圖8（a）表示上剪刃接觸環(huán)鏈的右側(cè)并開始剪切，應(yīng)力集中在環(huán)鏈右側(cè)表面；圖8（b）所示的時刻，圓環(huán)鏈右側(cè)發(fā)生明顯斷裂，同時圓環(huán)環(huán)鏈左側(cè)受上下剪刃和擋板共同作用，應(yīng)力集中區(qū)由左側(cè)向右側(cè)轉(zhuǎn)移，此時為整個過程中剪切力最大時刻；圖8（c）顯示圓環(huán)鏈右側(cè)基本完全斷裂，環(huán)鏈左側(cè)開始發(fā)生斷裂；圖8（d）中圓環(huán)鏈左側(cè)基本完全斷裂，整個剪切過程結(jié)束。

根據(jù)多組仿真模擬結(jié)果，得到上剪刃剪切角、前角、剪切間隙與環(huán)鏈剪切過程中最大剪切力的大小關(guān)系，如圖9～圖11所示。

圖9 上剪刃剪切角與剪切力的關(guān)系圖Fig.9 The Relationship Between Shear Angle of Upper Shear Edge and Shear Force

圖10 刀具間隙與剪切力的關(guān)系圖Fig.10 The Relationship Between Tool Clearance and Shear Force

圖11 上剪刃前角與剪切力的關(guān)系圖Fig.11 The Relationship Between Front Angle of Upper Cutting Edge and Shear Force

由上述結(jié)果可知，在一定范圍內(nèi)，剪切角與剪切力呈線性負相關(guān)的關(guān)系，刀具前角與剪切力呈線性負相關(guān)的關(guān)系，而刀具剪切間隙與剪切力無明顯相關(guān)關(guān)系。故在保證刀具強度的同時，應(yīng)采用較大的剪切角和刀具前角。

選取剪切角為15°，上剪刃的前角為10°，剪切間隙為0.9mm，此時所需剪切力較小，約為52kN，僅需液壓缸提供10.5MPa 以上輸出壓力即可，確保了環(huán)鏈剪切裝置驅(qū)動油缸設(shè)計選型的保守性。

利用上述參數(shù)進行環(huán)鏈剪切實驗，實驗中所需最大剪切力經(jīng)折算約為61kN，與仿真結(jié)果近似，此外，仿真模擬的圓環(huán)鏈斷面圖，如圖12所示。剪切裝置實驗所得圓環(huán)鏈的斷面圖，如圖13所示。兩者的斷面形狀基本一致，且斷面切口較均勻，說明了仿真結(jié)果的準確性，同時說明剪切裝置能夠快速完成圓環(huán)鏈剪切，滿足工程實際要求。

圖12 仿真結(jié)果的圓環(huán)鏈斷面圖Fig.12 The Cross Section of Circular Chain of Simulation Results

圖13 剪切實驗所得圓環(huán)鏈的斷面圖Fig.13 The Cross Section of Ring Chain from Shear Experiment

5 結(jié)論

隨著核電日益快速的發(fā)展，高溫氣冷堆技術(shù)在示范工程中得到了更加深入的應(yīng)用。對高溫氣冷堆核電站示范工程的控制棒系統(tǒng)進行了研究，設(shè)計了快速剪切圓環(huán)鏈的剪切裝置。

圓環(huán)鏈剪切裝置由運載單元和剪切單元兩部分組成，它與氣氛隔離系統(tǒng)配合使用，氣氛隔離系統(tǒng)負責建立氣氛隔離環(huán)境，避免驅(qū)動機構(gòu)裝拆過程中，堆芯—回路氣體外泄至空氣中；圓環(huán)鏈剪切裝置實現(xiàn)堆芯內(nèi)圓環(huán)鏈的剪切，即可快速拆除控制棒驅(qū)動機構(gòu)。該裝置滿足現(xiàn)場安全可靠性高、操作控制簡單、安裝調(diào)整方便快捷、結(jié)構(gòu)緊湊的具體需求。

對圓環(huán)鏈的剪切過程做了多組仿真模擬，探討了剪切角、刀具前角和刀具剪切間隙等參數(shù)與剪切力之間的關(guān)系，據(jù)此對剪切刃參數(shù)進行了優(yōu)化，采用了較大的剪切角和刀具前角，減小了剪斷圓環(huán)鏈所需剪切力，降低了剪切裝置整體所受載荷。

對圓環(huán)鏈的剪切過程開展了驗證實驗，驗證了仿真結(jié)果的有效性，并說明該裝置適用于現(xiàn)場工作條件，滿足實際工程要求。