反应堆压力容器主螺栓螺母全自动清洗设备.pdf

CFHI2023 年 第 3 期（总 213 期）CFHI TECHNOLOGY主螺栓、螺母作为压力容器重要核玉级部件，长期承受高温、高应力工作状态，根据 反应堆压力容器设计说明书 、反应堆压力容器使用说明书 要求：在核电站每次换料大修期间，需要对主螺栓和螺母进行清洗、风干、在役检查和上油等预防性维修工作，以确保主螺栓、螺母处于安全可靠的使用状态1、2。秦山 65 万和百万核电机组在工程建设期间配置干式主螺栓清洗机，在调试中发现以下问题：（1）清洗后仍有防咬合剂残留在螺纹表面；（2）无法清洗螺栓中心通孔；（3）清洗过程中易产生放射性尘埃，存在维修人员内照射或体表沾污风险；（4）设备运行时操作和观察不便。因此，秦山基地改为人工湿式浸泡刷洗方式，但与此引起以下问题：（1）清洗效率低，作业强度大；（2）刷洗不均匀，螺纹表面有残留物，清洗效果差；（3）清洗剂损耗大，低浓度放射性废液处理难度及费用高；（4）清洗剂易挥发，造成人员呼吸道过敏等症状；（5）操作过程中易引起放射性表面沾污3。1.中核核电运行管理有限公司高级工程师，浙江嘉兴314300反应堆压力容器主螺栓螺母全自动清洗设备范伟丰1，李熠1摘要：设计一种反应堆压力容器主螺栓、螺母同步全自动清洗设备，可以实现核电站压力容器主螺栓、螺母的拆卸、清洗，风干、上油及回装等功能。设备采用卧式结构，通过螺栓倾翻机构将立式螺栓置于水平位置，通过螺栓辅助支撑机构、螺母快速拆卸和安装机构拆卸螺栓上的螺母，以及螺栓、螺母同步全自动清洗、风干和上油工作。采取自动和手动两种控制模式，可以实时切换。设置安全保护功能实现异常状态下应急控制，保护螺栓、螺母不受损伤。关键词：反应堆压力容器；主螺栓；螺母；全自动清洗设备；倾翻机构；螺母夹持机构中图分类号：TM623文献标识码：B文章编号：1673-3355（2023）03-0005-06Full-automatic Cleaning Equipment for Reactor Pressure Vessel Main Bolts and NutsFan Weifeng,Li YiAbstract:A automatic equipment for synchronous cleaning of the main bolts and nuts of the pressure vessel is designed torealize automatic disassembly,cleaning,drying,oiling and reassembly of main bolts and nuts of the nuclear power plantpressure vessel.The equipment is designed with a horizontal structure which is used to place vertical bolts in horizontalposition through the bolt tilting mechanism.Bolt auxiliary support mechanism and nut quick disassembly and assemblymechanism are provided to disassemble nut from the bolt,and to synchronously clean nut and bolt,as well as drying andoiling under full-automatic mode.Both automatic and manual control are provided and can be switched in real time.Safetyprotection is adopted to provide emergency control under abnormal conditions and to protect bolts and nuts from beingdamaged.Key words:Reactor pressure vessel；main bolt；nut；full-automatic cleaning equipment；tilting mechanism；nutclamping mechanism10.3969/j.issn.1673-3355.2023.03.005152023 年 第 3 期（总 213 期）CFHI一重技术图 2设备主体结构图图 3设备工作流程表 1秦山压水堆压力容器主螺栓规格数据表图 1CNP600 压力容器主螺栓为提高主螺栓、螺母的清洗质量，提升维修作业自动化程度，减少维修人员的劳动强度，减少放射性废液及人员核污染风险。本文提出一种核电机组主螺栓、螺母自动清洗设计方案。1设备功能要求由于堆型存在差异，压力容器主螺栓、螺母尺寸规格有所区别（见表 1）。CNP600 堆型压力容器设计有 56 根主螺栓（见图 1）。清洗单根主螺栓、螺母应满足以下要求：（1）清洗过程中确保螺纹不受损伤；（2）具备自动、手动及应急控制功能；（3）主螺栓、螺母能够垂直、水平倾翻，螺母自动拆除及回装，主螺栓、螺母自动同步清洗、风干、上油及螺母回装等；（4）具有螺栓、螺母拆装力矩保护、清洗液循环过滤及液位报警等功能；（5）具备废气处理功能；（6）具有视频监视及数据存储功能；（7）设备部件满足抗清洗剂腐蚀性能力。堆型主螺栓规格外形尺寸（mm）螺纹段数数量CNP3006（1/8）-8N覫155伊1 460248CNP600M155伊4覫155伊1 675256CNP1000M155伊4覫155伊1 9723582设计方案2.1设备工作方案该清洗机采用卧式湿式清洗结构。倾翻机构负责将主螺栓倾翻至水平位置，螺母夹持机构将螺栓与螺母分离。由控制系统实现主螺栓和螺母分离、同步清洗、风干、上油、螺母回装及主螺栓倾翻等工作流程。同时，通过视频装置实时监测设备工作状态。为保证清洗过程的安全性，设备采取程序自动控制和手动控制两种模式（见图 2、图 3）。2.2机械主要结构设计（1）清洗机主体设计支撑台体支撑台采用框架式结构，设有液压泵站系统、清洗剂供给系统、风干吸尘过滤系统三个功能区。同时设有外溅清洗剂回收机构，防止外泄清洗剂污染设备和场地（见图 4）。故障修复系统开机系统自检故障类型吊装螺栓旋转螺母供液清洗螺母供气风干供液清洗螺栓拆卸螺栓吊出螺栓供气风干修复上油螺母回装到螺栓上系统正常否人工检查上油否清洗结束否关机NYNYYN16CFHI2023 年 第 3 期（总 213 期）CFHI TECHNOLOGY图 6主螺栓辅助支撑及转动滚轮机构图 4支撑台体设计示意图图 5主螺栓定位装夹及倾翻机构密封箱体密封箱体设计包括以下主要机构和部件：主螺栓定位装夹及倾翻机构设备设计为卧式结构，为避免主螺栓装吊过程中由人工操作从立式到卧式的转位，采用立式装夹并由液压倾翻机构从垂直向水平倾翻至工作位（见图 5）。倾翻驱动力矩计算5：螺栓及螺母重量 G1=230 kg，倾翻机构支架 G2=30 kg，摩擦系数选择 f=1.5，螺栓总长 L=1.67 m，倾翻驱动力臂为 L1=0.32m。所需倾翻推力为：Ft=G1+G2蓸蔀 g fL2L1=9 973 N(1)液压缸活塞直径选用 覫=63 mm，压力 P=05MPa 可调，液压缸输出推力为：Fy=仔覫24 P=015 578 N。由此可得 Fy跃Ft，液压系统设计满足要求。倾翻驱动转速参数：倾翻机构液压系统设有调速阀，通过调节调速阀控制倾翻机构的翻转速度，同时考虑倾翻过程中主螺栓的安全、平稳和工作效率，倾翻角速度选择 V=12 毅/s。主螺栓辅助支撑及传动滚轮机构主螺栓两端支撑，但螺母需要在支撑好后拆卸和回装。因此，主螺栓支撑设在螺栓中部光杆部分（见图 6），由两组尼龙滚轮构成 V 形支撑结构，由其中一组 V型橡胶支撑轮磨擦驱动主螺栓旋转。螺栓旋转驱动力矩的计算5：螺栓及螺母重量 G1=230 kg，螺栓直径 覫L=150 mm，驱动轮直径覫q=80 mm，与螺杆摩擦系数 f=0.4，小齿轮分度圆直径 覫1=50 mm，大齿轮分度圆直径 覫2=150 mm，传动效率 浊=60%。选择电机参数为：额定转矩 Md=2.37 N m，功率 W=400 W，额定转速为=3 000 r/m，减速箱速比i=100颐1，传动效率 浊=70%。螺栓旋转驱动力矩：ML=G1 g f 覫2i伊覫L伊 浊=12.88 N m(2)拆卸、回装螺母时主螺栓旋转，螺母做轴向移动，由于压力容器安装时主螺栓旋拧力矩的保护值为 70 N m，从安全角度考虑主螺栓旋转力矩 Ma臆40 N m。由计算可知，螺栓旋转驱动力矩 ML约Ma，驱动电机选择合理。试验结果验证实际驱动力矩值约为16 N m。螺母快速拆卸和安装机构清洗前，由电动或手动将螺母夹持机构沿主螺栓轴线导轨运动，主螺栓逆时针旋转，螺母退出螺栓。清洗、风干、上油后，按逆向操作回装螺母。为保证螺母顺利拆装，螺母夹持机构设计为不同步夹持，避免夹持紧机构中心线与螺母轴线不同轴，保证螺母可靠拆装（见图 7）。图 7螺母装夹（安装、拆卸）及导向支撑线位移机构172023 年 第 3 期（总 213 期）CFHI一重技术图 9螺母清洗风干机构图 10吸雾系统示意图图 11箱盖自动开启、闭合机构设计示意图图 8螺栓螺母清洗机构示意图主螺栓螺纹、螺母清洗机构、风干吸雾机构清洗液喷管、清洗刷旋转机构、风干等部件布置在摆臂机构上（见图 8）。清洗时，由喷液管对主螺栓螺纹表面喷液，清洗刷旋转清洗螺纹表面及完成清洗后的风干。清洗、风干后由液压驱动摆臂，使清洗刷机构离开主螺栓。螺母清洗滚刷和风干采用同一电机驱动，滚刷清洗完内螺纹后退出，驱动电机将风干部件切换至螺母内。通过压空供气实现螺母往返风干（见图9）。另外，设计吸尘过滤系统吸取箱体内的水雾，使箱体内保持微负压，确保清楚观察箱内的情况，排出的废气导入放射性维修车间的气体处理系统，避免污染车间内的空气（见图 10）。箱盖开合机构箱盖的开合机构由液压缸驱动，箱盖上方安装有两个监视屏，实时监测箱内情况。主螺栓螺母清洗过程中箱体完全密封，避免清洗剂及挥发气体泄漏至维修车间（见图 11）。上油机构上油机构设在支撑台体内，接通油路后，油液由油泵输送进入台体内并从清洗毛刷上的小孔中流出，通过毛刷和螺栓旋转完成上油。（2）液压驱动系统设计液压系统由一个液压站分别控制三路液压缸实现密封盖的开合、清洗机构的摆转及主螺栓的倾翻功能。各分路的压力和流量独立调节。在 PLC 控制下，由三组阀件分别控制螺栓倾翻油缸 1、清洗机构摆动油缸 2、启闭清洗机上盖油缸 3 动作。此外，还设有超压保护装置（见图 12）。（3）清洗剂循环供给系统设计主要由循环泵、过滤器、供液箱、清洗剂喷洒头，以及流量阀和液位计等仪表等主要部件组成（见图13）。为降低放射性低浓度废液的产量，采用可循环利用清洗剂。2.3电控系统设计采用 PLC 控制器、工业控制计算机为控制系统，以 CAN 现场控制总线技术、以太网通讯技术和伺服电机控制的 SSCNET 网络技术集成，系统功能齐全、操作方便、安全可靠、易维护、便于功能扩展。图 12液压驱动系统图 13清洗液循环过滤供给系统18CFHI2023 年 第 3 期（总 213 期）CFHI TECHNOLOGY图 17系统主控软件人机接口界面示意图图 14控制系统图 15控制系统图 16系统控制面板示意图（1）控制系统结构图控制系统的硬件包括：PLC 控制器、工业控制计算机、操作控制面板、螺母快速安装拆卸控制模块、主螺栓清洗控制模块、螺母清洗控制模块及相应的限位开关等（见图 14、图 15）。软件系统包括上位机软件和 PLC 软件。上位机软件的功能包括：1）以图形方式动态显示各执行器、开关量的状态。2）根据现场应用需求，对螺栓、螺母的清洗时间、转速及风干时间、螺栓滚转限制力矩等参数进行设置。3）视频模块可实现视频预览、图片保存、实时录像等功能。PLC 软件的功能包括：1）在自动清洗模式下，操作人员可一键启动，自动完成整个清洗过程。2）各运行部件限位保护、执行器间的运动干涉保护，主螺栓旋转超扭矩保护、清洗剂供液系统低液位及压差保护等。3）密封箱盖的开合、清洗摆杆的运动、螺栓倾翻动作采用液压驱动。螺母横向及纵向移动、螺母和螺栓清洗、螺栓滚转运动采用伺服电机驱动。（2）控制系统人机接口控制系统的人机接口具有两方面功能：一是提供操作指令的输入接口，二是实时显示系统的工作状态信息（见图 16）。控制指令的输入有主控软件人机界面上的软开关和现场控制台硬开关两种方式，系统的关键工作状态信息也以两种方式在软件界面和控制面板上显示（见图 17）。3安全保护设计由于设备工作对象的特殊性，设计时应考虑设备的安全保护功能：淤 保证螺栓装夹定位的准确，在螺栓锁紧倾翻机构底部及辅助支撑位置设置传感器，实现每次装夹位置的准确性和一致性，便于螺母安全拆卸和回装；于 各运动机构的平移运动和旋转运动设有电限位保护和机械限位保护开关；盂 螺栓旋转电机采用转矩控制方式，避免螺栓、螺母卡死时对螺栓和螺母造成损伤，主螺栓力192023 年 第 3 期（总 213 期）CFHI一重技术图 18清洗效果比较(a)全自动清洗(b)手动控制清洗矩的安全保护值臆40 N m。4试验验证（1）全自动清洗试验笔者采用主螺栓、螺母模拟体进行自动全流程功能测试。试验结果，单根主螺栓全自动清洗时间为 9 min，效率高，一次同步清洗即可满足设计要求。（2）手动和自动模式切换采用手动单步骤模式清洗试验，设备运转良好，在不同的工作任务下进行手动、自动模式切换，均能满足设计要求（见图 18）。5结语本文湿式全自动清洗工艺具备以下优点：（1）自动化程度高，一次装夹即可完成主螺栓、螺母的分离、清洗、风干、上油、回装的所有工艺，工作效率高；（2）安全保护全面，可保证主螺栓、螺母的安全；（3）清洗效果优于干式清洗及湿式手工清洗方式；（4）采用密封箱体，减少放射性体表污染风险；（5）与干式清洗工艺相比，减少作人员吸入引起内照射风险；（6）与人工清洗工艺相比，单台核电机组主螺栓清洗剂使用量约为 40 L，仅为人工清洗用量（一般为 140 L）的 28%，放射性废液量减少；（7）降低劳动强度。参考文献1 王小彬,米小琴,钟元章,张富源，等.反应堆压力容器设计说明书M.2 曾鹏,杨敏,钟元章,张富源，等.反应堆压力容器使用说明书M.3 洪龙,黄新东,李鑫，等.反应堆压力容器螺栓孔清洗机的研制J.组合机床与自动化加工技术,2013(10):132-134.4 关欣.反应堆压力容器螺栓孔清洗机设计 J.中国新技术新产品,2016(11):60-61.5 机械工程师手册编委会.机械工程师手册 M.第三版.机械工业出版社,2007：1053-1056收稿日期：2023-01-05东方电气集团自主研制的世界首台非补燃压缩空气储能电站透平机组，2022 年 5月在江苏金坛盐穴压缩空气储能国家试验示范项目成功并网并稳定运行，实现世界上首次压缩空气零碳发电。东方电气集团提供的核心装备空气动力透平膨胀机，采用最先进的通流设计技术，运行稳定可靠，参数指标优良，效率超过 90%。（3）未来发展预测大型化、规模化是压缩空气储能技术的发展趋势，也是降低成本、提升性能的主要途径。现有110 MW 压缩空气储能容量偏小，还不能满足对储能规模和经济性的要求。因此，迫切需要研发100 MW 级的新型压缩空气储能技术，预计 100MW 级新型压缩空气储能技术的效率可以提高到70%。“十四五”新增新型储能装机约 31.6 GW。预计压缩空气储能在新型储能中占比达到 3%，新增压缩空气储能约 1 GW。3结语目前，以抽水蓄能为代表的传统储能技术加速升级；以飞轮储能、压缩空气储能等为代表的新技术逐渐成熟，示范项目陆续投产。压缩空气储能发展有重大突破，超长时的单机 10 MW 级和 100MW 级压缩空气储能已经并网，正在向单机 300MW 规模前进。从技术成熟度、投资成本、效率等方面综合分析，短期内抽水蓄能项目将会大规模建设；从使用寿命、反应速度看，飞轮储能在电力调频上有一定优势；在环保压力下，压缩空气储能有一定市场发展空间，但是只有效率达到 75%以上才能实现大规模市场化应用；超级电容储能应用范围主要在交通领域；超导储能技术还有待进一步发展；热储能受技术水平、应用场合的限制目前尚难大规模推广应用。收稿日期：2023-02-21（上接第 60 页）20