王 麟，馮棟彥

(1.中核檢修有限公司，山東 青島 266404；2.南華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421001)

0 引 言

蒸汽發(fā)生器是汽輪機(jī)所需蒸汽的換熱設(shè)備，對(duì)蒸汽發(fā)生器的檢修工作是核電站大修中關(guān)鍵的一環(huán)[1-3]。大修期間，需要通過(guò)一次側(cè)高水位堵板對(duì)蒸汽發(fā)生器主管道進(jìn)行隔離，以保證核電站高水位時(shí)可同時(shí)進(jìn)行蒸汽發(fā)生器內(nèi)的其他檢修工作，節(jié)省大修時(shí)間。目前核電站蒸汽發(fā)生器一次側(cè)高水位堵板的安裝和拆除需要維修人員將可折疊的堵板帶入并手動(dòng)擰緊螺栓。

筆者根據(jù)自主設(shè)計(jì)的堵板拆裝機(jī)器人及其末端夾具，對(duì)高水位堵板進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)內(nèi)容包括堵板材質(zhì)、外形結(jié)構(gòu)、與機(jī)器手的配合方式等。通過(guò)研究現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用情況，研制出與機(jī)器人配合良好的專(zhuān)用堵板，使之能夠快速安裝和拆卸，縮短作業(yè)時(shí)間，提高工作效率。并基于有限元分析方法，分析其在與密封膠囊貼合狀態(tài)下，膠囊內(nèi)氣壓達(dá)到要求氣壓后的堵板受力情況，以此驗(yàn)證此結(jié)構(gòu)的可行性和合理性。

1 高水位堵板設(shè)計(jì)條件分析

1.1 蒸汽發(fā)生器空間約束

蒸汽發(fā)生器內(nèi)部為一個(gè)球形腔室，中間一塊隔板將其分為兩個(gè)半球腔室，在兩個(gè)腔室各開(kāi)有人孔及主接管接口(堵口)。在檢修維護(hù)時(shí)，高水位堵板需從人孔送入半球形腔室，再由機(jī)械臂或人工將其安裝到主接管密封環(huán)座上，并擰緊堵板上的螺栓，以隔斷從反應(yīng)堆壓力容器帶來(lái)的冷卻劑[4-5]，蒸汽發(fā)生器內(nèi)部腔室三維模型如圖1所示。

圖1 蒸汽發(fā)生器內(nèi)部腔室

此次設(shè)計(jì)的蒸汽發(fā)生器為M310堆型，人孔直徑406 mm，堵口直徑1 054 mm。因高水位堵板需要由小直徑的人孔送入，然后安裝至堵口，故只能設(shè)計(jì)為折疊式或分離式結(jié)構(gòu)。在原堵板的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，初步改造分解成三塊堵板，中板和兩塊側(cè)板[6-7]。

1.2 機(jī)械臂負(fù)載約束

基于堵板拆裝機(jī)器人，選用的機(jī)械臂型號(hào)為新松GCR4-1400。該款機(jī)器人額定負(fù)載為14 kg，因機(jī)械臂末端夾爪、3d相機(jī)、夾具等零部件總重9 kg，雖將高水位堵板拆分為三塊板，但每一塊板重量應(yīng)低于5 kg，且在保證強(qiáng)度的情況下，盡可能減少堵板的重量。

1.3 高水位堵板螺栓分布

堵板螺栓布置方式可能會(huì)對(duì)密封組件的密封效果(主要是密封組件根部的橡膠密封環(huán))產(chǎn)生影響，考慮密封組件密封效果及堵板受力結(jié)構(gòu)優(yōu)化，采用如圖2所示螺栓分布。

圖2 堵板螺栓分布

1.4 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求

蒸汽發(fā)生器一次側(cè)高水位堵板通常由機(jī)械組件和密封組件組成，密封組件通常為橡膠件，是形成有效密封的核心部件，文中選用的密封組件外觀如圖3所示；機(jī)械組件主要為密封組件提供有效固定和支撐，也是需進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。密封組件是形成堵口密封的主要屏障，結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3 密封組件外觀 圖4 密封組件結(jié)構(gòu)

堵板安裝完成后，需通過(guò)控制柜對(duì)干囊、濕囊以及環(huán)面這三個(gè)回路進(jìn)行充氣，形成有效密封[8]。給干、濕兩個(gè)氣囊提供0.4～0.45 MPa的壓力。環(huán)面主要起到檢測(cè)是否形成有效密封的作用，需提供0.1～0.12 MPa壓力，若正常，其壓力穩(wěn)定在設(shè)定壓力下，且流量為零。因此，在密封組件工作狀態(tài)時(shí)，高水位堵板機(jī)械結(jié)構(gòu)不僅要滿(mǎn)足貼合要求，還需保證一定的強(qiáng)度。且在高水位堵板工作時(shí)，水源壓力約為1.56 bar。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

由前述分析，高水位堵板采用分離組合式的結(jié)構(gòu)形式。為滿(mǎn)足機(jī)械安裝及沖擊載荷的要求，擬采用鋁合金6061板材作為主體結(jié)構(gòu)材料。該材料具有加工性能極佳、抗腐蝕性良好、韌性高及加工后不變形等優(yōu)良特點(diǎn)。

同時(shí)，設(shè)計(jì)新型堵板結(jié)構(gòu)，改進(jìn)組合形式，使兩邊側(cè)板放置時(shí)不僅可以簡(jiǎn)易配合，還可以對(duì)中間板有一個(gè)壓制的力，使堵板中間板更加穩(wěn)定。

機(jī)械臂末端結(jié)構(gòu)如圖5所示，采用的夾爪為亞德客(AIRTAC)HFT20S手指氣動(dòng)夾具，并設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的夾爪手指。需對(duì)每塊板均設(shè)有夾板以及對(duì)應(yīng)的孔位以便與機(jī)器手夾持機(jī)構(gòu)配合。

圖5 機(jī)械臂末端工具

針對(duì)以上結(jié)構(gòu)分析情況，對(duì)堵板具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，三維模型如圖6所示，組合效果如圖7所示。

圖6 高水位堵板中間板及側(cè)板 圖7 高水位堵板組合示意圖

3 強(qiáng)度分析

分析可知，堵板側(cè)面與膠囊貼合處，受到膠囊工作狀態(tài)膨脹擠壓。主要為干、濕兩個(gè)氣囊的氣壓，大小為0.4～0.45 MPa。計(jì)算時(shí)取氣壓0.45 MPa，面積為三塊堵板組合后的總側(cè)邊的貼合面積，計(jì)算如下：

S1=πd×l=0.88π×0.08=0.221 2 m2

故堵板側(cè)邊受擠壓力為：

F1=4.5×105×0.221 2=99 540 N

堵板底部受力主要由密封組件和機(jī)械組件一起承受，其水源壓力約為1.56 bar，高水位堵板下表面總面積為：

S2=πr2=π×0.442=0.608 2 m2

只考慮堵板受全部水源壓力，此情況下堵板下表面受力為：

F2=1.56×105×0.608 2=94 879.2 N

基于SolidWorks對(duì)高水位堵板三維模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，將簡(jiǎn)化后的模型導(dǎo)入 Ansys Workbench 后，添加鋁合金6061性能參數(shù)到材料庫(kù)中[9]，其彈性模量為6.90E+10 N/m2，泊松比為0.33。

為了得到較好的計(jì)算結(jié)果，對(duì)堵板模型進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，細(xì)化網(wǎng)格后共有480 727個(gè)節(jié)點(diǎn)和98 177個(gè)元素，網(wǎng)格劃分模型如圖8所示。

圖8 網(wǎng)格劃分示意圖 圖9 堵板側(cè)邊載荷

根據(jù)實(shí)際安裝后的高水位堵板狀態(tài)，將堵板的螺栓所在面添加固定約束。并在堵板與密封組件接觸面及堵板下表面分別施加對(duì)應(yīng)壓力，如圖9、10所示。加載載荷后，進(jìn)行有限元分析，位移計(jì)算如圖11所示。

圖10 堵板下表面載荷 圖11 靜載荷位移計(jì)算

由位移分布圖可見(jiàn)，最大靜載荷在中間板上下兩邊位置，最大為0.39 mm，并且沿周?chē)较蛑饾u減小，分析其位移情況主要受底部水源壓力影響，模擬水源壓力實(shí)際情況下，由密封組件與機(jī)械組件共同承受壓力，故設(shè)計(jì)堵板結(jié)構(gòu)符合。

4 結(jié) 語(yǔ)

為研究滿(mǎn)足蒸汽發(fā)生器檢修期間的高水位堵板，重點(diǎn)對(duì)機(jī)械臂末端、環(huán)境尺寸、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求等進(jìn)行了詳細(xì)分析。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)，同時(shí)，高水位堵板工作狀態(tài)下，根據(jù)密封組件膨脹及水源對(duì)高水位堵板機(jī)械組件的壓力承載情況進(jìn)行了強(qiáng)度校驗(yàn)。有限元分析計(jì)算結(jié)果表明，堵板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿(mǎn)足在封堵情況下不會(huì)發(fā)生破壞的要求。文中設(shè)計(jì)的高水位堵板滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)使用要求，并適合機(jī)器人進(jìn)行操作，可有效減少人工堵板受到的輻照劑量，提高核電檢修的智能化水平。