□何 军

秦山核电三厂是引进加拿大的CANDU-6反应堆，最大特点为不停堆换料，燃料操作系统就是为实现这一特点而设计。转尺机构是装卸料机推杆组件用于C杆位置测量指示的传动机构，转尺机构钢带断裂故障将影响C杆位置指示，甚至威胁核燃料棒束及反应堆安全。

一、装卸料机转尺机构

转尺机构位于装卸料机推杆组件尾部，转尺机构为C杆动作过程进行精确位置测量。由于装卸料机C杆采用活塞式液压驱动，其位置指示采用转尺机构钢带随动C杆头动作，C杆前伸带动钢带拉出，蜗卷弹簧收缩盘紧，带动C杆电位计组件转动输出显示位置变化。转尺机构结构如图1所示。钢带组件中，钢带总长度12.674m到12.954m之间，一端固定在C杆前面，另一端固定在钢带轮上。当C杆向后撤时，蜗卷弹簧的弹力将钢带回卷到钢带轮上，避免钢带松弛，钢带缠绕在钢带轮上有一定张紧力，保证钢带随C杆前进、回撤反馈准确位置，回撤时不会造成无序的卷曲，造成弯折甚至折断。

图1 转尺机构

二、钢带断裂故障原因分析

(一)钢带基本结构及机械性能。

1.钢带性能。根据设计，只考虑静载荷钢带可承受的拉力，钢带可承受的最大拉力计算如下：

F=S×δ

其中：F-最大可承受拉力；

S-钢带截面积；

δ-抗拉强度。

S最大=0.152×(12.7-1.587)=1.689mm2；

S最小=0.127×(12.7-1.587)=1.411mm2。

可承受的静拉伸力：

F拉力最大=1,240×106×1.689×10-6=2,094N；

F拉力最小=1,240×106×1.411×10-6=1,750N。

屈服力F′=S×δ′

其中：F′-最大可承受屈服力；S-钢带截面积；δ′-屈服强度。

根据以上计算取最小值可得钢带可承受的静拉伸力为1,750N,屈服力为1,460N。

2.钢带张紧力。蜗卷弹簧最大回卷力矩40英寸.磅，最小回卷力矩25英寸.磅。最大回卷力矩发生在钢带从B面拉出11.747m位置，此时钢带张紧力最大，对应的张紧力f计算如下：

fmax=40÷R

R为钢带全部拉出时钢带轮半径1.666英寸。

fmax=40÷R=40÷1.666=24磅=106.7N。

r为钢带全部回卷时钢带轮半径2.5英寸。

fmin=25÷r=25÷2.5=10磅=44.5N。

根据此计算，钢带从B面拉出4.762m位置时，张紧力不小于44.5N，在钢带全部拉出时张紧力不大于106.7N。

钢带随C杆运动，考虑蜗卷弹簧的有效圈数以及不同蜗卷弹簧弹性差异因素，将fmax和fmin放大20%来进行核算，即钢带从B面拉出大约11.747m位置时(C杆最大行程位置)，fmax取130N，钢带拉出的初始位置4.762m，fmin取53N。

钢带可承受的静拉伸力为1,750N,屈服力为1,460N；C杆前进、回撤钢带张紧力仅在53N～130N之间。在正常C杆前进、回撤过程中钢带受力不会超过张紧力，因此不会在钢带本身没有损坏或裂口的情况下受力断裂。

(二)转尺机构组件解体检查。

1.钢带打折卷曲严重并断裂。对装卸料机转尺机构进行解体检查，发现钢带打折卷曲比较严重，距离C杆头大约1m位置钢带断裂。通过检查钢带的破损形态，判断主要为受压力打折、扭曲、裂口等形式，钢带的断裂痕迹为打折后断裂，无受拉力后屈服变形的形态。

2.蜗卷弹簧表面存在异常磨损。转尺机构蜗卷弹簧表面存在多处磨损痕迹。蜗卷弹簧面与面之间存在异常摩擦，蜗卷弹簧弹力降低，蜗卷弹簧不能正常释放回卷钢带。

3.蜗卷弹簧性能下降。蜗卷弹簧在完全旋紧后释放一圈时释放扭矩要求最大不超过40英寸.磅，在完全旋紧后释放28圈时释放扭矩不小于25英寸.磅。针对这一要求对故障转尺机构蜗卷弹簧和新蜗卷弹簧备件的性能进行检查。检查结果如表1所示，扭矩单位英寸.磅。

表1 蜗卷弹簧扭矩性能检查表

检查故障蜗卷弹簧释放过程中，蜗卷弹簧有多次集中突然释放现象，说明该蜗卷弹簧释放扭矩不平稳。从检查结果比对，看出故障转尺机构蜗卷弹簧其性能已不满足原始设计要求，新蜗卷弹簧的性能较好。结合蜗卷弹簧表面的磨损情况和蜗卷弹簧扭矩变化的数据，认定故障蜗卷弹簧机械性能已经下降，蜗卷弹簧输出扭矩不稳定，说明蜗卷弹簧有使用寿命。

(三)失效时运行操作响应。C杆在移动过程中，相当于一个三级活塞，在C杆管与#3管之间会产生相互移动，由于二者存在直径差，即在C杆管与#3管之间留下一个环形的空隙，而钢带就位于该环形空隙中间(详见图2)。如果蜗卷弹簧卡涩，C杆管仍然在回撤，导致钢带不能回卷到钢带轮上，原先绷紧的钢带就会松弛下垂，滞留在环形的空隙之间。

图2 推杆结构简图

设计上存在监测B杆位置与C杆位置差和监测B杆回撤速度与C杆回撤速度差的计算机程序。当B杆和C杆相对位置超过300mm，或B杆和C杆之间的速度差大于3.1835mm/s，计算机立即停止B杆和C杆运动，避免C杆继续回撤导致钢带松弛及进一步折叠、压缩。当C杆管与#3管之间的环形空隙缩小至与打折的钢带完全接触时，就会将钢带挤压在一块，引起钢带打折，严重影响其机械性能。

转尺机构蜗卷弹簧故障或C杆回撤力不足均会引起计算机监测程序中断B杆、C杆动作。程序中断时，对于C杆回撤力不足，手动干预提高C杆回撤力回撤是可行的，若蜗卷弹簧故障，此时继续回撤C杆或加力回撤C杆，会加剧钢带松弛及打折，在钢带上留下折叠痕迹，大大降低其机械性能，如果再前进或回撤B杆和C杆，就有可能导致钢带断裂，断裂的钢带折叠、挤压在一起，妨碍C杆回撤。C杆回撤不到位，将进一步影响L杆和B杆的功能，导致装卸料机无法正常完成后续各种操作。

运行手册没有对C杆回撤力不足和蜗卷弹簧故障导致程序中断进行鉴别。转尺机构蜗卷弹簧失效，直接采取强力回撤C杆的方式进行干预，导致钢带在C杆头后部堆积、挤压，并出现裂口，当C杆或B杆反复前进后撤动作时钢带裂口不断扩大并断裂，同时由于断裂钢带挤压堆积，导致C杆无法完全回撤到位，进一步造成L杆在拆装屏蔽塞等前进困难，动作失效。

(四)转尺机构维修审查。

1.蜗卷弹簧扭矩性能检查。维修程序对蜗卷弹簧本身扭矩性能没有检查要求。维修程序对蜗卷弹簧有拉力设定要求：在钢带拉出4.7m的情况下预设蜗卷弹簧拉力到53N以上；拉长到11.4m时，拉力小于130N。厂家出厂检测要求蜗卷弹簧在完全旋紧后释放一圈时，释放扭矩最大不超过40英寸.磅，在完全旋紧后释放28圈时释放扭矩不小于25英寸.磅，维修程序中缺少扭矩性能的检查项目。

2.缺少降低弹簧预载项目。降低弹簧预载力即在蜗卷弹簧拉力满足最低标准的情况下，尽量降低蜗卷弹簧预载圈数。检修发现无降低蜗卷弹簧预载力设定时，钢带完全拉出蜗卷弹簧仍有3圈的余量；经降低蜗卷弹簧预载圈数设定后，钢带拉出4.7m后和11.95m后弹簧拉力符合要求且数值接近，降低预载力后弹簧预载圈数约5～6圈，较以前设定方法减少2～3圈。该方法将改善蜗卷弹簧过紧引起的表面磨损并改善卡涩情况，维修程序需要增加此项检查项目。

三、改进方案

一是修改运行手册。审查并修改运行手册转尺机构蜗卷弹簧故障报警时的运行响应操作步骤，在C杆回撤和B杆回撤两种不同工况出现报警时，采用合理的处理方案。在出现该报警时，避免使用直接回撤C杆并加压的方法，防止出现钢带打折断裂等更为严重的情况。在确保装卸料机状态安全的前提下，通过先前进C杆确认C杆转尺机构动作正常后，再继续回撤，恢复弹簧的功能确保钢带的正常回卷。二是增加定期更换转尺机构蜗卷弹簧项目。三是维修程序增加蜗卷弹簧检查方法和标准。四是维修规程增加蜗卷弹簧降低预载圈数要求。

四、落实改进措施后的成功实践

根据新的检修方法对离线转尺机构进行解体检修，通过蜗卷弹簧机械性能测试，及时发现机械性能下降的蜗卷弹簧，并用合格的蜗卷弹簧备件予以更换。现场8个转尺机构，全部进行了共蜗卷弹簧更换。

C杆驱动由计算机监测和报警，出现故障时，依靠人员正确干预，完全可以避免钢带打折和挤压，不会导致钢带在换料过程中断裂，因此未对其它在役的转尺机构立即解体检修，而是采用更换装卸料机后再离线检修的方式。

通过对装卸料机转尺弹簧检修工艺的优化和增加对蜗卷弹簧机械性能检测，以及对运行干预方案的优化，提高了装卸料机转尺机构的可靠性。经过近2年多的实际运行验证后，证实所有改进措施是有效、安全可靠的，为电站后续的安全稳定运行提供有力的支持和保证。