核反应堆堆内构件吊具设计

陈书华　黄新东　谭文界　安彦波　李　鑫

（中国核动力研究设计院反应堆燃料及材料重点实验室，四川 成都 610041）

【摘　要】核反应堆堆内构件的吊装由于环境辐照剂量大、精度要求高等原因导致工作难度较大，本文根据某型核反应堆堆内构件的结构特点设计一套专用的吊具，给出了结构简介，对其关键零件进行了强度核算，并提出了调试、安装和使用工艺等要求。

教育期刊网 http://www.jyqkw.com
关键词 核反应堆；堆内构件；吊具

【Abstract】Nuclear reactor internals lifting is difficult because of strong radiation and high accuracy. This paper gives a designing scheme of lifting device for the nuclear reactor internals. The structure， strength checking， adjustment and installation of the lifting device is also provided.

【Key words】Reactor；Internals；Lifting device

0　引言

核反应堆检修由于环境辐照剂量大、定位要求高等原因导致工作难度大[1]，对检修设备提出了较特殊的设计要求如水下进行、远距离操作等，其中堆内构件（主要有吊篮组件、压紧组件和压紧弹簧组件）的装拆工具即为典型的核反应堆检修专用工具。本文根据某研究用反应堆堆内构件的特点，设计了一套专用的吊具，在反应堆检修时分别将吊篮组件、压紧组件和压紧弹簧组件安全、可靠地吊入、吊出反应堆压力容器。

1　设计思路

由于该研究堆的吊篮法兰面宽度较窄，因此利用吊篮筒体上的流水孔作为起吊孔起吊，流水孔吊装与压紧组件和压紧弹簧的吊耳吊装方式不同并且不在一个高度上，因此起初计划设计两套吊具分别对吊篮组件、压紧组件和压紧弹簧组件的吊装，现综合考虑，优化设计流水孔结构、压紧组件和压紧弹簧的吊耳结构，合理布置它们的吊装孔及吊耳，压紧弹簧组件的吊耳与压紧组件的吊耳在同一圆周并且同一高度上，两者从0°开始相互间隔60°排列。通过增设专用吊装工装轴向调节垫块，可以设计一套专用吊装工具，既适用于吊篮组件的流水孔式吊装，同时可用于压紧组件和压紧弹簧的吊耳式吊装。

2　结构介绍

堆内构件吊具主要由导向柱、索具螺旋扣、气缸安装体、定位盘、定位销、吊具体、轴向调节垫块、气缸架、吊运销、钢丝绳组件、气缸和水下摄像头等组成。堆内构件吊具的结构见图1。

2.1　吊具体

吊具体为法兰结构，在中间布置3根呈120°分布、高为100mm的径向加强板，以加强吊具体钢度和便于布置气缸安装体以及吊具支承部分。吊具体作为吊篮吊具的基础载体，连接堆内构件吊具的各个零部件，并由调节垫块调节吊具的轴向高度来实现对吊篮组件、压紧组件和压紧弹簧组件的吊装，同时调节垫块提供适当距离以保证吊具体到位后不会与压力容器法兰面上的凸台接触。

2.2　索具螺旋扣

索具螺旋扣连接钢丝绳与吊具体。可通过调整索具螺旋扣的螺纹配合长度来调节整个吊具的水平度。

2.3　导向柱

导向柱长度为6500mm，导向柱精度分为4段，分别是导入段、一级导向段、二级导向段和生根段。

由于堆内构件吊具的粗导向和精导向都是靠导向柱实现，导入段保证吊篮组件底部在进入压力容器之前实现对其粗导向。导入段呈长锥形，可以减轻和降低吊具中心及周向的定位要求，便于吊具定位孔进入导向柱。

一级导向段处于当吊篮组件即将进入分流结构时起导向作用。

二级导向段处于吊篮法兰即将进入压力容器的4个键时起导向作用。

生根段与压力容器法兰定位栓孔配合并固定，导向柱在该孔定位相当于压力容器定位栓的延长。导向柱与定位盘、定位销配合为吊具提供径向定位。

2.4　气缸安装体

气缸安装体的作用是连接吊具体、吊运销和气缸架。为气缸中心线、吊运销轴线和吊运流水孔中心线或者吊耳提供线性对中。

2.5　定位盘、定位销

定位盘通过定位销在吊具体上定位并用螺柱固定，与导向柱配合对吊具进行导向。

2.6　气缸架

气缸架的作用是连接水下气缸和气缸安装体，并为气缸提供行程空间。

2.7　吊运销

吊运销与气缸联接，在气缸作用下吊运销被推入、抽出起吊流水孔或者吊耳中。为了满足装卸设备必须设计成能防止燃料组件跌落的要求[2]，吊运销前端有小凸台，可防止误操作导致被吊构件滑落。

2.8　气缸

三个气缸能够防水，分别固定在气缸架上，属外购件。气缸通过气缸架和气缸安装体与吊具体相连接，当吊具就位后，其中心线与吊运所使用的流水孔中心线或者吊耳对齐。

2.9　轴向调节垫块

轴向调节垫块分为A组和B组。A组坐在压力容器法兰面上，在起吊吊篮组件时起轴向定位作用；在起吊压紧组件与压紧弹簧组件时，B组坐在A组上，让吊具体上升至吊运销对准其起吊吊耳的高度。

2.10　水下摄像头

水下摄像头能够监视水下的动作情况，其管线依附于汽缸安装体侧面，通过摄像头操作人员能够远距离确认吊运销的状态。

3　计算校核

正常情况下由于吊篮组件最重，且在考虑特殊情况下可能需要连同整堆燃料组件一起吊运，假设总重为30t，关键零件校核如下：

3.1　吊运销强度校核

吊运销选用材料为3Cr13，设定其直径为52mm（与流水孔尺寸相关），[σs]＝108MPa，又3Cr13为塑性材料，据第四强度理论[τ。

分析吊运销最有可能受剪切作用而失效，其剪切应力：

F剪切＝1×105N；剪切面积S剪切＝2122.64mm2；

τ＝47MPa≤[τ]，因此强度满足要求。

3.2　钢丝绳计算选型

由载重30t计算，钢丝绳组件与竖直线夹角≥45°，知单根钢丝绳拉力F＝140kN，可选用不锈钢钢丝绳：22.0NAT6×19+IWR GB/T9944其实测破断拉力总和为295kN，满足要求。

4　设备调试

堆内构件吊具使用前的状态必须是完好无损，各部件应当经过调试和维护：

（1）保证索具螺旋扣能够灵活的转动以便对其进行调平；

（2）保证吊运销在汽缸的作用下能够顺畅地进出吊装孔或者吊耳；

（3）定位盘表面应当光滑无毛刺，能够沿着导向柱上下移动无卡滞；

（4）钢丝绳无任何损伤。

5　安装使用

5.1　吊具安装

将轴向调节垫块A组放置于压力容器法兰面上，吊具通过钢丝绳与厂房吊车连接。首先调节索具螺旋扣对吊具进行调水平至1‰，然后将吊具放置于轴向调节垫块A组上，将导向柱穿过吊具体插入导向定位孔内，把吊具沿导向柱提起至吊具体下表面距离压力容器法兰面约35mm处，再对吊具进行水平及对中调整，调整完成后，将定位盘沿导向柱装入，现场配做销孔，将定位盘固定在吊具体上。通过修正A组垫块的高度使吊运销对准吊篮的吊装孔；再将吊具吊起，将B组垫块安装上，修正B组垫块高度使吊运销能够对准压紧组件或者压紧弹簧组件的吊耳。这样确定轴向调节垫块的高度尺寸。

5.2　吊具使用

首先安装导向柱和轴向调节垫块，再将吊具钢丝绳与厂房吊车连接，并对吊具进行调平，定位盘对准导向柱，将吊具沿导向柱装入并坐于A组轴向调节垫块上。吊具就位后，通过气缸推动吊运销插入流水孔，当吊运销完全插入流水孔后（可通过水下摄像头观察），进行吊运操作。

吊装压紧组件时，由于吊耳高度比吊篮的吊装流水孔高，需要将B组轴向调节垫块安装于A组上（如图3所示）来调节吊具高度使其吊运销到位后与吊耳对齐，其他操作同吊装吊篮组件，吊具就位后，汽缸推动吊运销插入压紧组件的吊耳中（可通过水下摄像头观察），进行吊运操作。

吊装压紧弹簧组件与吊装压紧组件基本相同，只需要将吊具旋转180°，让吊运销与其吊耳的角度匹配，其他操作相同。

6　结束语

本文主要对新研究反应堆堆内构件的吊装工具进行了研究，初步确定了堆内构件吊具的结构及使用工艺，为研究堆堆内构件的设计定型提供了装卸工艺可行方面的支撑。

教育期刊网 http://www.jyqkw.com
参考文献

［1］黄新东，洪龙.核电换料检修[M].成都:西南交通大学出版社，2013.

［2］中广核工程有限公司.压水堆核电厂核岛设计·核岛工艺系统和布置设计[M].北京:原子能出版社，2010.

［责任编辑：刘展］