马 超

(中国中原对外工程有限公司，北京 100044)

可燃毒物组件抓具是海外“华龙一号”核岛厂房燃料操作与贮存系统的关键性设备，其良好的设计、制造与最终的使用直接关乎换料大修的效率、工期乃至顺利实现与否。然而，据以往核电厂该设备使用的反馈来看，总是问题频频，不尽如人意。相关问题的出现、解决造成了大量人力物力的投入。经过分析，机械结构的不合理是导致可燃毒物组件抓具在操作与使用过程中出现组件与抓具卡阻的主要原因之一。因此，海外“华龙一号”中的该设备十分有必要在机械结构设计、制造方面对以往出现的这些问题进行针对性规避与改进，目标做到“安全又高效、好用又耐用”。

1 海外“华龙一号”可燃毒物组件抓具功能简介

可燃毒物组件抓具主要在首次换料时用于操作可燃毒物组件，在其他的每一个换料期间用于抓取次级中子源棒组件。提升可燃毒物组件的操作为电动操作，抓爪的抓取和释放为手动操作。其功能为：将可燃毒物组件从燃料组件中抽出，然后将其插到可燃毒物组件存放架中；将可燃毒物组件从可燃毒物组件存放架中抽出，然后将其插到乏燃料组件中；将可燃毒物组件从燃料组件中抽出，然后将其插到乏燃料组件中。

2 海外“华龙一号”可燃毒物组件抓具机械抓取功能原理概述

海外“华龙一号”可燃毒物组件抓具导向装置主要由两对导向耙组成，彼此成90°分布，当抽取或插入可燃毒物组件时起到定位和导向作用。导向耙的开启和闭合主要是由行走机构中的凸轮及连接调节拉杆和连杆的主轴联动来实现的。抓具抓取组件的上升下降是通过一个方形框架内的两个导向轮执行的，导向轮在方形框架的两根角钢间滑动。导向轮旁设有S形槽，导向轮被提升时，凸轮槽一并会提升，当导向轮上升至凸轮及连杆所在位置时，凸轮销会进入到S形槽中。由于S形槽呈S形，S形槽向上运动会推动其中的凸轮销，凸轮转动带动连杆运动，进而使导向耙关闭(或开启)，实现可燃毒物组件定位。

目前，无论是以往的核电厂还是海外“华龙一号”，可燃毒物组件抓具都是通过上述机械结构与原理实现组件抓取与定位。可以看出，可燃毒物组件抓具设计上柔性连接较多，在抓具抓取过程中易因为与可燃毒物组件发生干涉而导致柔性部件变形进一步导致卡阻。所以在抓具设计之初，在机械结构上实现对抓具相关薄弱点的优化与改进就显得十分必要了。

3 海外“华龙一号”可燃毒物组件抓具机械结构改进

3.1 可燃毒物组件抓具与阻流塞(阻力塞)抓具的分离

以往核电项目的可燃毒物组件抓具往往同阻流塞(又称阻力塞，以下均称“阻流塞”)组件抓具集成在同一抓具中，通过手轮驱动圈数来控制抓具上升的高度。就提升高度而言，可燃毒物组件提升高度较高(海外30万kW机组为3365 mm，海外“华龙一号”机组为4035 mm)，阻流塞组件提升高度较低(海外30万kW机组为378 mm，海外“华龙一号”机组为400 mm)。这种将可燃毒物组件抓具与阻流塞组件集成在同一抓具的提升操作是通过调整自锁钩环来限制抓具上升高度的。譬如在抓取阻流塞组件时，需将自锁钩环钢丝绳放松，可燃毒物组件导向装置处于自锁状态，这时，抓具抓取的组件提升高度将被限制，因此只能用于抓取行程较低的阻流塞组件。但实际操作过程中，往往会由于在抓取阻流塞组件时，操作工人忘记将自锁钩环钢丝绳放松，而出现将阻流塞组件抓取高度过高的误操作，造成抓具损伤。以海外某核电30万kW机组为例，海外“华龙一号”抓具的改进之处可见表1。

表1 海外某30万kW机组与海外“华龙一号”可燃毒物组件抓具的对比Table 1 Comparison of the burnable poison assembly handing tools between an overseas 300 MW unit and overseas Hualong One

从第2节的介绍可以得知，可燃毒物组件抓具本身是一个操作复杂，易发生故障的抓具。考虑到抓具使用阶段是分秒必争的核电厂换料时期，为了降低抓具的故障发生率，避免影响换料，首先将可燃毒物组件同阻流塞组件分离，变成两个抓具是十分有必要的。

3.2 对误操作的防范

3.2.1 机械限位的设置

以往的可燃毒物组件抓具多为人工操作，通过手轮驱动圈数控制抓具上升的高度，容易出现手轮驱动圈数错误而导致抓具上升高度错误的现象。海外“华龙一号”可燃毒物组件抓具在行程上段终点设置了机械限位，从而可有效避免人为误操作产生的超行程现象。

3.2.2 初始位的设置

以往的核电厂该抓具的设计使用过程中，可能由于未设置初始位，导致抓头始终处于抓取位置，极易出现现场误操作导致抓头连接管被顶弯。在海外“华龙一号”可燃毒物组件抓具的机械机构设计中，设置了抓具初始位(在零位上方100 mm处)，非使用状态下，抓具从零位退回停留在初始位，避免了抓头与组件头部碰撞，导致抓头连接管被顶弯。

3.3 避免可燃毒物组件卡阻在抓具中而进行的机械结构的改进

3.3.1 避免可燃毒物组件卡在支撑板上而进行的改进

从以往核电厂该设备使用反馈的问题来看，可燃毒物组件(棒束)在插回过程中由于抓具中心与支撑板中心产生较大偏差，或者棒束与支撑板间隙过小，往往会出现可燃毒物组件(棒束)卡在支撑板的现象。海外“华龙一号”的可燃毒物组件抓具棒束与支撑板理论间隙为9.72 mm/9.74 mm(见图1)，而海外某核电30万kW机组为9.07 mm。所以，若可燃毒物组件棒束无严重弯曲，同时抓具头与支撑板中心位置偏差在要求范围内，将不会出现组件卡在支撑板上的现象。

图1 棒束与支撑板理论间隙9.72 mm/9.74 mmFig.1 The theoretical gap between the rod bundle and the supporting plate is 9.72 mm/9.74 mm

3.3.2 避免可燃毒物组件卡在导向耙而进行的改进

导向耙装置是可燃毒物组件抓具定位、导向组件棒束的关键部件。从以往的海外核电厂经验反馈来看，可燃毒物组件棒束极易出现卡在导向耙上出现无法释放的现象，海外“华龙一号”在结构的设计上采取了以下措施来着重避免此问题的出现：

1)以往海外核电项目可燃毒物组件抓具的设计中导向耙刚度可能较低，较易变形，而海外“华龙一号”导向耙的支架为一个整体，支架自身变形相对较小，对比见图2、图3。

图2 海外某核电30万kW机组导向耙通过两侧两个独立的支架连接Fig.2 The guide harrow of an overseas 300 MW nuclear power unit is connected by two independent supports on both sides

图3 海外“华龙一号”导向耙通过一个整体支架连接Fig.3 The guide harrow of an overseas Hualong One is connected by an integral support

2)海外“华龙一号”可燃毒物组件抓具与以往海外核电厂可燃毒物组件抓具导向耙定位原理与结构有区别与重大改进，海外“华龙一号”可燃毒物组件抓具设计较海外某核电30万kW机组设计定位失效的可能性低：海外某核电30万kW机组可燃毒物组件抓具的组件棒束中有4根棒束是由通过导向耙合抱定位(见图4)。而合抱定位的方式并不可靠，一旦导向耙翻转角度出现偏差，即可能会导致这4根棒束定位失效。海外“华龙一号”可燃毒物组件抓具的所有组件棒束全部均由两个方向的导向耙的导向齿交错形成定位孔来定位(见图5)，这种定位方式可以更加严格、有效地约束组件棒束。反应后的组件棒束即使存在一定的变形，也可以通过这种定位方式得到一定的修正。

图4 海外某核电30万kW机组中4根棒束通过合抱定位Fig.4 Four rod bundles in an overseas 300 MW nuclear power unit are positioned by embracing

图5 海外“华龙一号”所有棒束均由导向耙的导向齿交错形成定位孔来定位Fig.5 All rod bundles of an overseas Hualong One are positioned by the guide teeth of the guide harrow staggered to form positioning holes

3)海外“华龙一号”可燃毒物组件抓具在两组导向耙形成的定位原理与精度方面做了重大改进与提升。以往的可燃毒物组件棒束会频繁出现卡在导向耙位置，可能是因为棒束在插回燃料组件过程中，定位精度不足，棒束未正确插入燃料组件，而抓具仍继续下降，棒束被挤压弯曲变形，从而导致组件卡阻于导向耙位置。以海外某核电30万kW机组为例，海外“华龙一号”抓具两组导向耙形成的定位方孔与棒束之间的间隙，比海外某核电30万kW机组抓具定位孔与棒束之间的间隙小：前者导向耙定位齿缝宽度为 10.2 mm，棒束直径为φ9.7 mm(见图6)；而后者定位齿缝宽度为13 mm/11 mm，棒束直径为φ10 mm(见图7)。抓具导向耙定位精度相对更精确，可有效减小棒束因定位偏移过大而无法准确插入燃料组件的可能。

图6 海外某核电30万kW机组定位齿缝宽度13 mm/11 mm(棒束直径10 mm)Fig.6 The width ofthe locating slot of a 300 MW overseas nuclear power unit is 13 mm/11 mm (rod bundle diameter is 10 mm)

图7 海外“华龙一号”定位齿缝宽度10.2 mm(棒束直径9.7 mm)Fig.7 The positioning slot width 10.2 mm (rod bundle diameter 9.7 mm) of overseas Hualong One

3.3.3 避免可燃毒物组件外套筒故障导致组件与工具无法脱离而进行的改进

可燃毒物组件抓具抓取组件的抓头主要是转动上部手柄驱动拨叉拨指带动外套筒转动从而锁定抓头，当出现转动上部手柄无法使拨叉带动外套筒转动，或外套筒行程不到位的故障情况，就会导致可燃毒物组件与可燃毒物组件抓具无法脱离。为避免此问题的出现，海外“华龙一号”可燃毒物组件抓具在机械结构设计上进行了改进：拨叉轴上、下部支撑面均设有铜套，而不是奥氏体不锈钢之间直接相互接触。不锈钢与铜套配合可有效降低摩擦力，避免了不锈钢之间的直接接触造成咬死的可能。同时，操作手柄与拨叉轴之间传动力矩的圆柱销直径6 mm，安全系数冗余量足够，应不会被扭转力剪断。

4 结论

海外“华龙一号”可燃毒物组件抓具总结了之前国内外核电项目同类设备的经验，实现了与阻流塞抓具的分离，设置了抓具机械限位、初始位，同时在避免可燃毒物组件卡在支撑板、导向耙、外套筒对抓具机械结构进行了针对性改进，实现了设备性能的重大提升。根据海外“华龙一号”项目业主等相关单位反馈的情况，海外“华龙一号”可燃毒物组件抓具得到了一致好评，实现了“安全又高效、好用又耐用”的既定目标。