陈海彬 孙振忠 郭建文 刘宇 谢奕彬 潘浩升

(1．东莞理工学院 机械工程学院，广东东莞 523808;2．中国科学院 高能物理研究所，北京 100000)

遥控维护［1］是设备维护人员在远离维护现场的安全区域，通过采用机械手 (人)或专门的设备在核装置的内部开展设备监测和维护工作，以降低工作人员受照剂量和劳动强度。目前，遥控维护技术已成为核装置中放射性部件维护不可缺少的重要手段［2－3］。

核装置一般都配有液体或气体冷却系统，以减少粒子反应过程中产生的大量热量。冷却管道作为输送冷却介质通道，是核装置的重要基础设施［4］。管道由于老化和辐照损伤需要进行定期的检查和更换。通过剪切工具将废旧管道剪断并脱落，整个过程需要遥控维护技术来实施［5］。管道最后由遥控维护夹具取出并封装。管道夹取技术是遥控维护重要的一环，如果剪切下来的管道无法取出并封装在密封容器内，则整个遥控维护没有成功。

在管道夹取实验过程中，开发了管道夹取工具和遥控维护平台，以被液压剪刀剪下的老化与堵塞管道为试验对象，通过试验结果得出对管道夹取技术和结论，为遥控维护技术和辅助工装开发奠定基础。

1 试验对象与试验环境

如图1所示，是试验对象管道的样品 (多层管道，中间为冷却管，里层是真空绝热层，外围是检漏气体层)。表1是管道剪切实验中产生的各类型管道数据。

表1 各类型管道数据

从表格数据可以看出目标管道的长短不一，而且有些管道呈现“L”字型。

俯视实验的现场环境如图2所示，屏蔽井内部散落的管道分布凌乱，其他辅助工装 (例如:摄像头、气动扳手)无规则分布，给夹取较长管道带来空间束缚，并且在夹取过程中管道的可能掉落，也会给其他辅助工装带来损害。

图1 待夹取的管道样品

图2 实验环境

2 夹具动力来源的选择

表2比较了可能选择的动力，并进行分析与比较，获得最适夹具动力。

表2 各类型的动力

通过分析比较我们可以知道，上表三种不同的动力来源都可以满足作为夹具的动力件，但是通过操作要求我们可以知道，为适应深井操作的环境要求，夹具必须安装在长柄上，以达到夹取井下管道的目的。所以在长柄的遥控下，尽量选择波动小、重量较轻的动力件，而对管道的夹具也必须具备效率高、夹劲足的特点。

表3是对三种动力件在屏蔽井条件下的优缺点比较:

表3 优缺点比较

因此，通过分析比较，得出气缸的适应性较液压缸与步进电机强，更能帮助操纵人员达到夹取管道的目的。故我们选择气缸作为我们的动力件。

根据被夹取管道的外径，我们选定行程为100 mm的气缸作为我们的动力件，初步确定参数如下:尺寸参数为150 mm×150 mm;活塞面积100 mm2，压强取P=0.6 MPa。气缸如图3所示。

3 夹具爪的设计

为扩大单一夹具的通用性，减少狭小空间内的工装数量，要求夹具必须能够夹取不同外径的管道。所以根据气缸推杆的行程设计了带有较大角度的夹具爪，如图4所示:

图3 气缸

为能够稳定地夹紧较长管道，将夹具设计成三爪结构，其效果如图5所示。

图4 夹具爪

图5 三爪结构

取100 N的夹紧力，代入相关数据，在solidworks上做应力分析得结果如图6－7所示:

图6 单片夹刃的应力分析

图7 双片夹刃的应力分析

根据上面两组应力分析介绍可以发现，其范畴为:红＜安全系数=1＜蓝，而其红色区域分布主要集中于弧面的转弯处，而其变形位移不大，故在夹最大直径的管道时，夹具能够满足最大夹紧力的要求，并达到稳固夹取的目的。

4 对夹具的检验

首先是对其夹刃角度的检验，以验证其夹刃能够满足夹取不同管道外径的功能。采用的试验对象是外径25 mm和89 mm的断管，其试验结果如8－9所示。

在屏蔽井内通过遥控维护长柄操纵夹取管道，如图10所示，夹具将断管夹起，并通过电动葫芦上升，可以发现管道被夹具稳定夹紧。

图8 成功夹取25 mm断管

图9 成功夹取89 mm的断管

图10 遥控维护长柄夹管

5 横向夹具的开发

由于屏蔽井内部的管道分布错乱毫无规律，有些纵向分布的管道难以被纵向夹具夹取。为适应屏蔽井内纵向分布的断管，开发了横向夹具;纵向夹具与横向夹具都能够夹取的不同外径的管道。如图11所示。

图11 横向夹具

6 试验分析

1)不同管径、不同长度的断管是夹管操作时要解决的主要问题。操作时应根据试验环境与实验对象的特点，制定夹管工艺，包括夹具的动力原件的选择、夹具夹爪的设计、屏蔽井下的捡管试验及根据模拟试验进而对夹具的功能改进。

2)为适应深井操作的环境要求，夹具必须安装在长柄上，以达到夹取井下管道的目的，并且为减轻操纵人员的工作负担，提高捡管效率。通过列表比较，得出气缸的适应性较液压缸与步进电机强，更能帮助操纵人员达到夹取管道的目的，故选择气缸。

3)根据管径不一、长度较长的特点专门设计出夹刃弧度较大的三爪夹刃结构并给定最大夹紧力进行应力分析，得出在最大夹紧力下的应力分析图。可知，夹具能够满足最大夹紧力的要求。

4)通过夹取最大管径和最小管径来检验夹具是否达到用同一夹具夹取的目的。其试验结果也表明该设计是可行的，能够应用于实地捡管中。

5)屏蔽井环境下的夹取试验证明了夹具设计的成功，但是夹具本身的重量不轻，故通过天车移动夹具时速度要缓要稳，以免因为惯性对夹具造成损害。

6)为适应屏蔽井内纵向分布的断管，开发了横向夹具，纵向夹具与横向夹具都能够夹取的不同外径的管道。

［1］Bernhard H．Setting up and managing a remote maintenance operation for fusion［J］．Fusion Engineering and Design，2008，83(10 －12):1841－1844．

［2］Rolfe A C，Brown P，Carte P，et al．A report on the first remote handling operations at JET［J］．Fusion Engineering and Design，1999，46(2 –4):299－306．

［3］Bernhard H．The remote handling systems for ITER［J］．Fusion Engineering and Design，2011，86(6 －8):471 －477．

［4］Robin S，Simon M．A Study of Pipe Jointing Technology with Reference to ITER Requirements［J］．Fusion Engineering and Design，2009，84(7－11):1767－1769．

［5］陈海彬，郭建文，李荣泳，等．遥控维护条件下冷却管道剪切试验［J］．东莞理工学院学报，2013，20(1):58－63．