压力容器支撑裙及屏蔽结构水下切割装置的设计*

马 强

(中国人民解放军第4808工厂军械修理厂 青岛 266044)

压力容器支撑裙及屏蔽结构水下切割装置的设计*

马 强

(中国人民解放军第4808工厂军械修理厂 青岛 266044)

对压力容器支撑裙及屏蔽结构水下自动切割装置的设计背景、功能特性、结构组成及试验内容等方面进行介绍;对切割装置控制系统的设计特点,工作特性进行了分析,论述了装置使用的可行性、可靠性及与工作环境的适应性。

压力容器; 支撑裙; 数控系统; 水下等离子切割; 水刀

Class Number TH11

1 引言

某型潜艇核设施拆除是我国潜艇实施退役的主要工程,其中的压力容器支撑裙及屏蔽结构(包括压力容器及其内部的内、外热屏蔽筒)的切割拆除工作是其关键的组成部分。

由于该设施在运行过程中始终伴随着多种放射性辐射的作用,已造成支撑裙的活化,导致施工人员不能近距离进行切割分解操作,同时对活化程度较高的部件,若直接在空气中进行切割作业,会给环境造成严重的影响,因此,对活化程度较高的部件必须放置于去离子水中,通过水的屏蔽才能进行切割作业。作为一次屏蔽的铅屏蔽结构是钢夹铅结构,若采取热切割方式进行分解,切割过程中将产生铅蒸汽,易造成操作人员铅中毒危害[1～3]。

式中，B、I、T分别为磁通密度、电流密度、铁芯和绕组温升，下标max和min表示其上下限值。上述参数均根据具体的电力网络需求和产品性能确定。

为避免支撑裙与铅屏蔽结构切割拆除所导致的人身伤害及环境污染,并满足某核设施退役拆除要求,需有一套满足压力容器支撑裙及屏蔽结构切割拆除的切割装置。

鉴于上述原因,根据核设施退役处置具体的切割拆除要求,自行研制一台可远距离遥控操作,既能在水下和空气中使用,又能对铅屏蔽结构实施冷切割功能的自动切割装置。

2 问题描述

该系统可配脉冲接口式交流伺服驱动单元,以实现切割炬的多轴运行,控制装置内嵌PLC可对等离子、水刀切割系统的电源工作状态进行协调和控制。

铅屏蔽结构安装于一次屏蔽水箱的侧部,由内支撑筒、外侧覆面板、横隔板以及支撑筒与侧覆面板之间的屏蔽铅块。前支撑筒的材料为20mm厚的低合金高强度特种钢,在其筒体外侧的轴线方向有六层分别为12mm、16mm厚的横隔板及上下七层90mm、100mm及110mm不同厚度的屏蔽铅块。

3 切割装置设计

根据核设施分解拆除规范要求,对压力容器与支撑裙分离及支撑裙、横隔板的解体由等离子切割系统完成,横隔板以下部分将由等离子系统水下切割。而铅屏蔽结构由“超高压水射流切割机”(以下简称“水刀”)进行分解拆除[4～7]。因此,当装置在按规定的切割工艺轨迹运行的同时,既能够操控等离子割炬在空气及水下的切割,又能实施水刀的切割。

水下自动切割装置的工作原理是：由电气控制系统通过自动或手动,遥控机械运动系统,保证各类割炬按切割工艺要求的运动轨迹运行,完成对所需分解的部位进行切割。整个装置主要由机械运动系统、电气控制系统、自动切割系统三部分组成。

3.1 机械运动系统

该设备由主电源箱、控制器、汇流气排、冷却水增压器、高频引弧箱、割炬(手动和自动、空气或水下)、传输线缆和接线板等组成。设备按现场切割需求布设,并与自动切割装置组装于一体,形成独立的等离子切割系统。

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1.1一般资料2014年7月至2016年4月我院对26例接受螺旋CT检查的肝局灶性结节增生患者进行分析,有16例在手术中证实,有10例穿刺活检证实,共有22例女性和4例男性,最小15岁,最大56岁,平均34岁。

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图1 自动切割装置结构组成示意图

上述四个轴的运动中,由X、Y、Z三个轴合成的运动,可使安装于升降管下端的等离子割炬(或水刀)沿要求的平面或空间任意轨迹到达基架所围成筒体空间的各点。再加上与旋转轴C的联动,可在切割平面或曲面时,调整割炬始终能保持垂直于被割工件平面,满足不同部位的切割要求。

3.3 切割设备系统

为了消除切割面实际轮廓与理论轮廓的误差对切割所造成的不利影响,保证切割始终处于良好的稳定状态,割炬夹头设有自动补偿装置,其工作原理是：在弹簧力的作用下,导向球始终与切割面接触,割炬夹头可随之移动,从面使割炬适与工件的距离始终保持恒定,以应工件被切割表面形状误差的变化。为确保设备安全及工作可靠,在自动补偿装置两端的极限位置各装一对传感器,一旦被切割工件表面的形状误差过大,超出自动补偿范围,电气控制系统能自动控制机械运动系统进行补偿[8～10]。

为避免水刀切割高压输水管路的缠绕及与切割装置之间的干涉,设计了输送管路随动装置,通过管路支架及柔性接头作用,输水高压管路只随水刀头作垂直方向运动,消除了周向的缠绕及与装置间的干涉。

3.2 电气控制系统

自动切割控制系统采用工业控制计算机原理,实现人机交互,PLC加定位和轨迹控制功能模块连接伺服电机驱动器,控制伺服电机实现运动轨迹。该系统的特点是：控制能力强、系统扩展灵活、运行可靠性高、可实现在线编程。

控制系统主要由SINUMERIK 802D Solution Line数控系统(以下简称802D数控系统)、SINAMICS S120伺服控制系统、随动测距装置、S7-300可编程控制器、A/D模块、工控机、DP/DP耦合器、伺服电机及编码器、手持器、限位开关等组成,控制系统原理如图2所示。

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支撑裙是FYD压力容器的支撑结构件,其上端与压力容器焊接为一体,下端与耐压壳焊接相连,距上端面约1.5m设置一环形横隔板,支撑裙及横隔板的材料均为40mm厚度的低合金高强度特种钢。由于长期的运转使用现已被活化,其表面辐射水平较高。由于沿其高度上段和下段(以横隔板位置划分)活化程度及辐射水平差别较大,按切割拆除工艺要求,压力容器拆吊后,在空气中对支撑裙上段进行切割解体,下段部分注入去离子水,进行水下切割拆除。

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控制系统的工作过程如下：

1) 根据各轴的接近开关寻找各轴的零位,并将各轴处于零位时割炬喷嘴的位置作为系统的临时坐标原点;

图2 切割装置数控系统工作原理框图

2) 驱动割炬触摸支撑裙的四个点,分别测得这四个点在临时坐标系中的坐标,从而计算出支撑裙的圆心在临时坐标系下的坐标,并坐标作为原点建立系统的正式坐标系;

为满足水下自动切割装置的使用功能要求,特配制DK-1000S型、单机1000A的等离子弧切割机。

4) 按切割要求,进行切割轨迹规划;

5) 控制割炬沿规划的轨迹自动切割。

由于受施工现场设备吊装口的限制及支撑裙横隔板外圆的切割要求,升降管设计呈“ㄣ”形。升降管的内腔为传动丝杠运动空间及水下等离子切割设备所用的各种管线通道,管线在升降管下端引出与割炬连接。升降管的下端采用铰接方式安装由等离子割炬夹持组件、水刀持臂及运动位置跟踪装置等。在两个跟踪的极限位置各装有一个传感器,如果工件的误差超出跟踪装置自动补偿范围(±15mm),可通过传感器由控制系统进行补偿。

水刀切割设备采用IWP公司的高压发生器和切割系统,保证水刀头的持续工作压力不低于360MPa,换能器的最大直径为0.3mm,增大水射流的流量及流速;水刀头在专用的持臂控制下可360°旋转,能够切割任意位置的物体,保证了切割工艺的多元化;为避免水刀切割过程中的“堵砂”现象,设计配备了相应的自动供砂装置,配置的水刀设备在切割厚度为20mm钢板时的行进速度不小于2m/h。

3) 沿直径方向接触支撑裙壁,确定支撑裙的半径;

第三阶段（1992年—1997年），稳步增长阶段。1992年，邓小平同志南巡讲话摆脱了姓“社”、姓“资”的困扰，党的十五大确立了以公有制为主体，多种所有制经济共同发展的基本经济制度，明确了非公有制经济是我国社会主义市场经济的重要组成部分。

1.2.2 血红蛋白含量的检测 采用HemoCue 301型便携式血红蛋白分析仪，使用试剂片(血片)采集指尖末梢血，测量所有调查婴幼儿的血红蛋白含量。

惊恐障碍(panic disorder,PD)属于严重的焦虑障碍,以突发的强烈焦虑伴躯体症状为主要特征,表现为发作性胸闷、心慌等,伴有濒死感和失控感,女性的发病风险是男性的2-3倍。PD可增加其他焦虑障碍、酒精和物质滥用、抑郁发作和自杀风险,并加速个体的衰老进程。双生子研究显示,PD遗传度高达48%(95%CI:0.41–0.54),一级亲属的同病率(11%)为一般人群(2%-5%)的3倍,提示遗传因素在PD病因中的重要性。Hettema等通过对三对双胞胎和五个家庭的研究发现焦虑障碍的遗传倾向约为50%。

机械运动系统采用直角坐标四周机械运动结构,底部为5m×4m带有支腿的矩形架,框架的一对横梁上载有一个下车,可实现Y轴方向的直线运动;下车横梁上载有一个上车,可实现X轴方向的直线运动;上车载有升降管支架,安装其内的升降管可实现Z轴方向的直线运动,而升降管支架可带动升降管沿Z轴的转动,构成旋转轴C,结构形式如图1所示。

①字段信息抽取：利用WOS导出HTML格式的题录数据，抽取题录中指定的字段信息并可选择存储为文本文档（包括：关键词、作者、期刊名等字段）。

4 模拟进行切割试验

为能准确、逼真的模拟艇上堆舱环境及反应堆的结构,达到实际切割试验的目的,对压力容器、支撑裙、横隔板及铅屏蔽结构等部件全部进行了模拟,并模拟了可拆板开口空间范围(距切割装置安装面4m;沿轴向长3500mm、径向宽3250mm)。模拟切割试验步骤如下：

1) 在空气中沿模拟筒外圆切割环缝;

2) 在模拟筒外圆上竖向模拟切割横隔板环缝;

3) 在水中模拟切割U型;

4) 在水中沿模拟筒内圆切割环缝;

5) 模拟切割中熄弧,按原路返回起始点,然后寻找熄弧点,重新引弧切割;

6) 水刀按规定路径对铅屏蔽支撑内筒及外筒的切割。

整机空载调试及模拟切割试验结果证明,设备能够满足在某艇安装和使用的要求,能够满足对反应堆支撑结构切割的性能要求及各种工况下的使用要求。

5 结语

将完成的各项性能测试结果,与相关内容进行比较,证明该装置设计先进、工艺合理、使用方便、性能良好,能按照规定的切割工艺完成要求的切割任务,完全符合使用要求,为某型艇退役涉核处置工作的顺利进行提供了有力保障。

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Design of Underwater Auto Cutting Device of Support Skirt and Shielding Structure of Pressure Vessel

MA Qiang

(4808 Ordnance Repair Shop of PLA, Qingdao 266044)

The paper introduced the design background, function, structure and experiment of the underwater auto cutting device aimed at support skirt and shielding structure of the pressure vessel.Design and operation characteristics of control system of auto cutting device were analysed. Feasibility,reliability and adaptability to the environment of the device was discussed.

pressure vessel, support skirt, numerical control system, underwater plasma cutting, water jet cutter

2014年4月14日,

2014年5月20日

马强,男,工程师,研究方向:核潜艇装备保障。

TH11

10.3969/j.issn1672-9730.2014.10.045