小堆装卸料机关键制造技术研究

李军

（西安核设备有限公司，西安 710021）

0 引言

装卸料机是核电厂燃料操作与贮存系统的关键设备之一，它横跨于反应堆厂房换料水池上方，由提升、抓取、旋转、运行、定位、报警和显示系统等部分组成，能做X、Y、Z三个坐标轴方向的运动，在堆腔内能做0°～270°范围内的旋转运动。在停堆换料期间，可以在水下抓取具有高放射性的核燃料组件，并能在堆芯和燃料运输系统或暂存架之间输送和装卸燃料组件，能安全可靠地完成堆芯燃料组件更换和倒换作业[1]。

“ACP100”是中核集团经过十余年自主研发的多功能模块化小型压水堆堆型。基于小堆型装卸料机在燃料组件长度、运行路径和操作标高等设计输入条件方面与以往的M310堆型和华龙堆型设备相比均存在较大差异，为减少堆芯布置及操作标高等设计输入条件对设备性能的不利影响，降低设备设计和工程供货风险，小堆装卸料机关键部件样机应采用可靠且经过科研验证的技术和结构，以确保装卸料机能够满足安全、高效操作燃料组件的要求[2]。

1 研制总体技术

1.1 关键部件构成

小堆装卸料机关键部件由以下部分组成：1）主起升机构。装卸料机执行垂直方向运行功能的部件。2）上部塔架结构。主起升机构的支承和保持中心运动的结构件。3）固定套筒。用于燃料组件保护和伸缩套筒升降导向的管状部件，燃料组件在运输过程中整体位于固定套筒内部。4）伸缩套筒。装卸料机上连接抓具和主起升钢丝绳的部件，用于实现抓具在垂直方向的运动。5）抓具。用于对燃料组件实施抓取和释放操作的部件。

1.2 研制内容

按照合同和科研技术任务书的要求，需要完成小堆装卸料机关键部件科研样机的加工制造、电控系统设计集成、试验台架设计搭建，以及科研样机的组装、调试和试验等内容。

图1 小堆装卸料机

1.3 研制技术方案

1）机械关键部件的加工制造。机械关键部件都是影响装卸料精度和性能的重要钢结构部件。根据各零部件的设计图样和功能使用，从原材料质量控制、制造工艺优化、焊接工艺评定和无损检测等方面进行一系列的创新性改进，对其加工制造过程中要求的各关键点进行了重点控制，确保各部件精度满足设计文件要求。

2）电控系统设计集成。发挥“小核心、大协作”创新战略优势，与专业自动化研究所合作开展“电控系统设计集成”的研发，共同推动产学研深度融合。电控系统整体由操作台、伺服驱动系统、位置编码器、提升称重系统和现场开关等部分组成，并通过电气互联实现完整的装卸料机监测与控制功能。

3）试验台架设计搭建。结合公司内部实际承制设备状态，通过对华龙堆型和小堆堆型设备相关接口尺寸和空间布局尺寸进行综合分析评估，小堆装卸料机研制采用厂内正在承制的华龙一号堆型某核电项目装卸料机大、小车作为配套试验台架，相关接口尺寸和空间布局基本吻合。根据操作标高要求对堆芯底座高度进行提升抬高调整，满足了抓具抓取燃料组件主起升全行程要求。驱动抓具抓取、释放的压缩空气系统也采用此核电项目压缩空气系统各零部件作为配套，用于整机调试试验。

4）样机的组装、调试和试验。以固定套筒齿轮旋转机构组装为基础，严格按设计要求对相关部件装配指标进行质量检测控制。从各子系统的单体调试（14个小项）到整机机电联调（12个小项），提出各类关键点的控制及调整的方法、步骤。通过37项严格的功能性试验（模拟实际运行工况及事故工况），验证小堆装卸料机关键部件对燃料组件操作的安全可靠性、灵活性、稳定性和准确性，并检测小堆装卸料机关键部件的各项性能指标是否满足设计要求。

2 关键制造技术

2.1 主起升焊接构件的精密加工技术

主起升构件由钢架结构和塔架结构两个单独的部件通过螺栓连接而成。钢架结构是由型钢组焊而成的框式焊接结构件，其上面安装有主起升电动机减速机、钢丝绳卷筒、吊点支架、制动器等。塔架是圆筒框架式焊接构件，它安装在固定套筒上法兰面上，支撑钢架结构。钢架结构和塔架结构组装后要保证整体同心度，所以两者加工的关键点是塔架下部法兰的中心与上部钢架结构各孔组所形成的中心要在同一轴线上。

主起升焊接构件的关键制造技术为：1）钢架结构的组对焊接采用“三维柔性焊接钢平台定位焊接”，利用平台自带的专用夹具可实现钢架结构的精确定位和夹紧功能，以减小整体的焊接变形；2）整体精密机加工采取“辅助工艺垫板，转化统一基准”方式，分别确保钢架结构和塔架的各安装孔系相对位置准确，以此来保障伸缩套筒整体吊点位置准确。

2.2 固定套筒管与法兰的定位装配技术

固定套筒主要由法兰、不锈钢管[3]、卡箍等焊接而成，总长度约为8 m。固定套筒通过回转轴承安装在小车架的法兰上，为伸缩套筒提供导向和支承，并保持伸缩套筒处于垂直状态。为了保证整体机加工过程中卡箍导向轮安装面与法兰端面的垂直度，必须保证铆焊阶段套筒管与法兰的组对精度。

固定套筒的关键制造技术是套筒管与法兰装配方式采用“止口式带公差配合的精确装配定位”。套筒管在单件齐头定基准过程中，在保证图样最小壁厚的前提下同时加工出定位止口，与法兰公差配合。这样装配后可以进一步提高法兰面和卡箍的装配精确度，有效减小组对误差，更能保证法兰和套筒管的同轴度和垂直度要求。

2.3 伸缩套筒的加工技术

伸缩套筒是连接抓具和主起升钢丝绳的部件，用于实现抓具在垂直方向的运动。它由大长度、薄管壁的不锈钢管与其它小型不锈钢零件焊接而成，全长近9 m，筒身两侧导轨的加工精度极高。由于这类薄壁不锈钢细长杆状焊接构件刚性极差、易变形，其整体加工技术一直是机械加工行业里的难点，况且此伸缩套筒又比以往堆型装卸料机伸缩套筒长度还长1 m左右，加工难度大幅提高。

伸缩套筒最主要的加工难点在于加工应力的消除。此关键制造技术是通过“来回翻转、小切削量、多道加工，同时穿插自然时效”的工艺方法，过程中释放应力，最大限度地消除加工应力对导轨整体精度的影响。

2.4 抓具立柱焊接结构体的加工技术

楔块自锁式抓具是一种全新结构形式的抓具。立柱焊接结构体是整个抓具部件的安装载体，是由1个不锈钢叉形板和4个不锈钢半圆型立柱通过卡槽定位焊接为一体的焊接结构件。此焊接构件的设计非常特殊，立柱下部空间没有任何刚性固定和相互牵制，整体刚度较弱，在焊接过程中极易引起立柱无规律变形（内收、外张或者扭曲），导致焊后整体尺寸超差严重；另外，由于刚度和焊接应力的共同影响，机加工过程中伴随有加工变形发生，从而丧失原有的加工精度。

图2 伸缩套筒

立柱焊接结构体加工难点在于如何防止焊接变形及焊后如何消除内应力，保证最终加工后尺寸的稳定性。此关键制造技术在于采用“设计制作专用夹具工装，焊后3种应力消除结合，数控坐标定位精密加工”的新工艺方法来控制和预防这种焊接构件的变形，并对其产生的焊接变形进行矫正，以保证整体构件的尺寸稳定性及最终机加工精度的准确性。

3 创新性和先进性

3.1 制造关键技术创新点

3.1.1 主起升钢丝绳卷筒结构优化

将主起升钢丝绳卷筒左右捻绳槽有效圈数各增加2圈，钢丝绳压板安装孔顺绳槽螺旋线方向布置。首次从设计和制造加工上彻底解决了钢丝绳缠绕圈数和钢丝绳头压板安装孔的布置问题，加强了钢丝绳的防滑作用，满足起升高度有效行程的要求[4]。

3.1.2 悬吊头结构改进

将悬吊头整体组焊结构改为3个精加工零件通过机械装配连接的结构形式。解决了因整体焊后机加工形状和定位公差尺寸不稳定而导致的最终组装困难问题。

将悬吊头上支板下方吊耳由焊接结构改为止口公差定位、螺栓固定装配为一体结构。解决了焊后整体加工困难的问题，同时也提高了整体的同心度。

3.2 调试关键技术创新点

3.2.1 试验用模拟燃料组件的自主设计制造与应用

根据小堆堆型燃料组件的相关技术参数，针对公司以往使用的模拟燃料组件的缺陷，设计开发全新的模拟燃料组件。该模拟组件结构更简化合理，降低加工难度并减少制造工序，易保证尺寸及形位公差，且整体外观更为美观，解决了装卸料机在调试过程中需要使用模拟燃料组件来完成的相关试验项目。

图3 主起升钢丝绳卷筒

3.2.2 新型带针试验装置自主设计制作与应用

针对新型楔块式抓具的结构特点，自主设计制作了一套新式可拆卸、精度高的带针试验装置。该装置利用抓具本体的上法兰作为载体，设计简单、合理、紧凑且易安装，解决了装卸料机所有试验项目中最难的对中精度试验和回转精度试验问题。

图4 小堆模拟燃料组件

4 结论

小堆装卸料机的成功研制，为后续项目市场承揽打下坚实的基础。此次研制的成功，解决了多项重要技术难点，是对“ACP100小堆”技术国产化的有力支持，将创造良好的经济效益和显著的社会效益。

核燃料装卸与贮存系统（PMC系统）承担着核电厂核燃料组件装卸与储存的重要功能，是核电厂实现带核运行的一项前提条件，现已引起越来越多的关注，专业化程度也越来越高。小堆装卸料机的成功研制，对于推动核电安全发展和自主创新具有重要意义[5]。