（机械工程专业论文）核电站水下修复项目hds关键技术研究.pdf

浙江工业大学工程硕士论文 浙江工业大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教 育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 储签名：王嗽忙嗍& 僻，月多日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 7 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囱。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名：王硪咩千一日期：滩f 月多日 导师签名：声么碡日期文铲乡月衫日 第2 共8 l 浙江工业大学工程硕士论文 核电站水下修复项目h d s 关键技术研究 摘要 随着我国核电站越来越多，核电站高辐射环境下的部分部件由于 受到高辐射、压力、振动、摩擦、氢吸附等因素的影响，会引起部件 的磨损、老化甚至失效的现象或者事故隐患也越来越多，核电站高辐 射水下环境在役设备的定期检修与维护是在役核电站安全运行的重 要保障，必须解决高辐射剂量和水下操作可行性的问题。本文以巴基 斯坦恰西玛核电站一期工程辐照监督管更换维修任务为目标，根据秦 山核电公司的整体决策，决定在秦山一期核电公司2 0 0 2 年已有的辐 照监督管更换结构装置h d s 主体机械结构的基础上，进行辐照监督 管更换维修工艺及技术的消化、吸收，研究开发具有我国自主知识产 权的辐照监督管更换维修工艺、技术及成套装置。 基于此，本文重点开展辐照监督管更换维修工艺研究；在原有西 屋公司遗留的h d s 系统基本结构的基础上，采用成熟可靠的p l c 技术 方法和伺服运动控制技术，重新设计开发新的控制系统，实现具有自 主知识产权的新控制系统的设计开发。针对h d s 机械结构在工作过程 中三种典型任务工况，以s oi idw o r k sc o s m o s 有限元分析软件为手 段，开展h d s 结构在各种工况下的结构变形预测分析研究，着重分析 得出了结构主体变形规律、关键支撑点的宏观变形位移以及相应对于 辐照监督管安装的精度影响，保证最终的辐照监督管支架安装精度； 。h d s ( h e a dd e l i v e r ys y s t e m ) 是水下修复项目中的最重要的工装系统，它能够实现水下加工的工作头传 递与精确定位。 第3 共8 l 浙江工业大学工程硕士论文 最后结合中国秦山核电公司实际情况，开展热车间内安装吊运过程分 析，为中间调试需要奠定基础。本课题的为后续水下综合调试工作， 乃至巴基斯坦恰西玛核电站c 1 工程的实际维修工艺任务的完成奠定 了坚实的基础。 关键词：核电站，水下修复装置，h d s ，控制系统，精度分析 第4 共8 l 浙江工业大学工程硕：t 论文 r e s e a r c ho nk e yt e c h n o l o g y a b o u tund e r 盯e rr e s t o r a t i o n o fh e a dd e l i v e r ys y s t e m ( h d s ) i n nu c l e a rp o w e rp l a n t a b s t r a c t f o ru n d e rt h ee n v i r o n m e n to fh i g hr a d i a t i o n ，p r e s s u r e ， v i b r a t i o n ，f r i c t i o na n dh y d r o g e n a d s o r p t i o n 。s o m ep a r t so ft h e n u c l e a rp o w e rp l a n tw i l lb e c o m ew o r n ，a g e da n de v e nd i s a b l e d ， a n dt h i sp h e n o m e n o no rh i d d e nt r o u b l eo ft h i sw i l lb e c o m em o r e a n dm o r ef o l l o w i n gt h ei n c r e a s eo ft h en u c l e a rp o w e r p l a n t s s ot h e m o s ti m p o r t a n ts a f e g u a r do ft h ep l a n to p e r a t i o ni st h er e g u l a r o v e r h a u l i n go ft h eu n d e r w a t e rh i g hr a d i a t i o ni n s e r v i c ee q u i p m e n t o fn u c l e a rp o w e rp l a n t ，a n dt h et r o u b l eo fh i g hr a d i a t i o nd o s ea n d f e a s i b i l i t yo fu n d e r w a t e ro p e r a t i o ns h a l lb es e a l e df i r s t int hi sp a p er if o rt h eg o a lo fr e s t o r a t i o no fp a k i s t a n c a s h i m an u c l e a rp o w e rp l a n t ( c 胛p ) i r r a d i a t i o ns u r v e i l l a n c e c a p s u l e ，w e i ir e s e a r c ha n dd e v e l o pt h ec r a f t ，t e c h n o l o g ya n dt h e s p e c i a le q u i p m e n ta n dt o o l sf o rt h ei r r a d i a t i o ns u r v e i l l a n c ec a p s u l e 第5 共8 1 浙江工业大学工程硕士论文 r e s t o r a t i o nw i t hi n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t s ，a c c o r d i n g t ot h eo v e r h a u ld e c i s i o n m a k i n g o fq i n s h a nn u c l e a rp o w e r c o m p a n y ( q n p c ) ，a n db a s i n go nt h em a i nb o d ym a c h i n es t r u c t u r e o fh e a dd e l i v e r ys y s t e m ( h d s ) w h i c hi sa v a i l a b l ei n2 0 0 2 b a s e do nt h i s ，t h i sp a p e rf o c u so nt h er e s e a r c ho ft h e i r r a d i a t i o ns u r v e i l l a n c ec a p s u l er e s t o r a t i o nc r a f t - - - - - b a s i n go nt h e o r i g i n a lw e s t i n g h o u s eh d s b a s i cs t r u c t u r e ，r e d e s i g na n dd e v e l o p an e wc o n t r o ls y s t e mb ya d o p t i n gt h er e l i a b l em e t h o do fp l c t e c h n o l o g ya n ds e r v o m o t i o nc o n t r o lt e c h n o l o g y ，a n dr e a l i z et h e i n d e p e n d e n t i n t e l l e c t u a l p r o p e r t yr i g h t s o ft h ed e s i g na n d d e v e l o p m e n t o ft h en e wc o n t r o ls y s t e m a g a i n s tt h et h r e et y p i c a l t a s k sc o n d i t i o no fh d sm e c h a n i c a ls t r u c t u r ed u r i n gt h ep r o c e s so f t h ew o r k ，w et a k et h em e a n so fs o l i dw o r k sc o s m o sf i n i t e e l e m e n t a n a l y s i ss o f t w a r e ，a n a l y z e t h es t r u c t u r ed e f o r m a t i o n p r e d i c t i o na n dr e a c ht h ef o l l o w i n ga c h i e v e m e n t s ：t h er u l eo fm a i n s t r u c t u r ed e f o r m a t i o n ，m i c r o s c o p i cd e f o r m a t i o nm o t i o no ft h ek e y c a t c h p o i n t a n dt h e a c c u r a c yi m p a c t i o n t ot h ei r r a d i a t i o n s u r v e i l l a n c ec a p s u l ei n s t a l l a t i o nw h i c hg u a r a n t e et h ei n s t a l l a t i o n a c c u r a c yo ft h ei r r a d i a t i o ns u r v e i l l a n c ec a p s u l es u p p o r t f i n a l l y , w e c a r r y o u tt h e a n a l y s i s o ft h e h o tw o r k s h o p l i f t i n gp r o c e s s a s s o c i a t i n gw i t ht h ep r a c t i c a ls i t u a t i o n - a tq n p cs i t ea n dl a yt h e f o u n d a t i o no ft h ec o m m i s s i o n i n g t h i st o p i cl a y sas o l i df o u n d a t i o nf o rt h ec o m p l e t i o no ft h e 第6 共8 l 浙江工业大学工程硕士论文 a c t u r a im a i n t e n a n c et a s ki nc n p pc 一1 k e yw o r d s ：n u c l e a rp o w e rp l a n t ，u n d e r w a t e rr e s t o r a t i o nd e v i c e ， h d s ，c o n t r o ls y s t e m ，a c c u r a c ya n a l y s i s 第7 共8 l 浙江工业大学工程硕士论文 1 1 前言 第一章绪论 积极推进核电建设，是国家重要的能源战略。大力发展核电已经成为我国能 源战略的必由之路，“国家中长期科技规划 将“大型先进压水堆及高温气冷堆 核电站作为十六项重大专项之一予以大力支持。2 0 2 0 年前，我国将再建约3 2 座百万千瓦级核电机组，包括已建成秦山、大亚湾、岭澳等核电机组，总装机容 量达到4 0 0 0 万千瓦以上。随着我国核电站越来越多，核电站高辐射环境下的部 分部件由于受到高辐射、压力、振动、摩擦、氢吸附等因素的影响，会引起部件 的磨损、老化甚至失效的现象或者事故隐患也越来越多，每一个核电站都必须进 行定期检修维护。这些区域的剂量强度非常高，人工作业将会大大提高辐射剂量， 仅仅依靠普通人工，根本无法深入到这些高辐射环境去排除事故隐患。同时检修 期间核电站安全壳内注入1 2 5 米深含硼去离子水。核电站高辐射水下环境在役 设备的定期检修与维护是在役核电站安全运行的重要保障，也是一项危险、辛苦 而费时的工作，需要解决高辐射剂量和水下操作可行性的问题。 目前发达国家在核电站高辐射水下环境下检修维护已经实现了各种各样任 务需求的机器人作业。由于我国目前劳动力资源比较丰富，人工费用低，许多操 作岗位还不是紧迫地需要机器人来代替。另一方面，由于技术的落后一时还无法 实现。因此目前我国核电站用机器人技术的发展相对于世界先进发达国家还是比 较落后的。目前各种高辐射水下环境中的在役设备检修主要依靠人工作业，国内 尚无类似高辐射水下大型维修装置。 但是从目前发展情况来看，提高核实施的安全性核可靠性，尽量降低操作人 员的受辐射剂量，改善工作环境，解决一些严重威胁我国核电站安全隐患，需要 大力开发利用机器人，这是一个不容忽视的长期战略目标。因此从目前国内核电 站应用情况分析，核电站高辐射水下环境在役设备的大型维修装置的主要市场需 求： ( 1 ) 国内外核电站堆内构件高辐射水下环境中在役设备的维修更换； 核电站的部分堆内构件由于受到高辐射、压力、流质振动、高温蠕变、摩擦 磨损、氢吸附等因素的影响，容易引起部件的老化甚至失效。例如辐照监督管装 第1 0 共8 l 浙江工业大学工程硕士论文 有压力容器简体及焊缝材料试样，用于监测压力容器的辐照损伤程度，以指导反 应堆压力容器筒体的安全使用，是堆本体重要的核部件。秦山核电站的堆内构件 一辐照监督管由于内部高温高压流体的反复冲击作用，导致由于运行中堆芯吊篮 的紧固件部分脱落需要进行维修作业。同样源自秦山核电3 0 万千瓦机组技术的 巴基斯坦恰西玛核电站c 1 工程存在同样的技术隐患。由于吊篮、压紧部件和辐 照监督管等均为高放射性部件，其辐射剂量强度非常高。修复中如螺栓、结构件 更换，都必须在水下进行。目前恰西玛工程任务越来越成为事关我国核电技术形 象的一项“政治性”任务。因此必须开发核电站堆内构件高辐射水下环境中在役 设备的大型维修装置，彻底解决上述事故隐患，否则由于辐照监督管损坏导致机 组非正常停机，每天仅发电损失就高达几十万元。同时也严重影响我国核电技术 在国际上的已有良好声誉。 ( 2 )国内外核电站堆内及其他核辐射环境下一般性事故隐患维修处理作 业： 该种类大型维修装置同样可以用于核电站内，特别是堆内放射性物体跌落后 的处理，吊兰内侧螺钉更换等一般性事故处理。在这些场合下，为了保证人身安 全，降低高放射性辐射对操作人员的损害，可以利用上述大型高辐射水下环境大 型维修装置平台来解决上述此类问题。 因此上述高辐射水下环境在役设备的大型维修机器人的潜在用户包括国内 每一个核电机组核电站，根据测算，到2 0 2 0 年，我国及巴基斯坦等相关国家潜 在的用户可能高达4 5 个。本项目直接来源于秦山核电公司，针对巴基斯坦恰西 玛核电站c 1 工程3 0 万千瓦机组辐照监督管支架更换任务的水下大型维修装置的 开发与研究。 1 2 辐照监督管功能简介与结构问题分析 核电站的反应堆内构件主要由三个部件组成，它们分别是吊篮、压紧部件和 辐照监督管。其中辐照监督管是监督庚应堆压力容器材料经中子辐照后材料性质 变化情况的装置，定位支承在吊篮外侧的保护套内。它是核电站重要的安全设备。 吊篮组件由吊兰筒体和两个吊兰接管组成，吊兰简体由法兰、接管段筒身焊接而 第1 l 共8 l 浙江工业大学工程硕士论文 成，它是一个薄壁简体。法兰上端面有m 6 8 螺孔三个，提供堆内构件吊具与吊兰连 接用，在压力容器进行在役检查时用堆内构件吊具将吊兰部件由压力容器内吊至 存放架存放。吊兰法兰的下部端面悬挂在压力容器筒体台肩上。由于在役电厂的 吊篮、压紧部件和辐照监督管等均为高放射性部件，如果需要修复，如螺栓、结 构件更换，都必须在水下进行，以保证辐射防护安全。 中国自行设计建造的第一台核反应堆中国秦山核电公司，在2 0 0 1 年发 现辐照监督管的支撑结构不能完全的固定辐照监督管。在高速水流的冲击下使辐 照监督管反应堆内产生晃动，从而造成辐照监督管的支撑弹簧的断裂脱落，脱落 的弹簧在主系统内随高速水流循环，破坏燃料组件的锆4 和金的包壳，造成反应 堆的第一道屏障的实效。秦山核电公司发现这个问题，在2 0 0 2 年请美国西屋公 司将辐照监督管的支撑结构在水下成功的修复，消除了秦山的辐照监督管支撑结 构的隐患。 中国核工业总公司向巴基斯坦出口了3 0 0 m w 的核电机组恰希玛核电站。 这台机组于中国秦山核电机组是同一型号的核电机组，目前这台机组已经运行了 四个周期。在2 0 0 7 年换料大修时同样发现了辐照监督管支撑结构的这个问题， 必须要尽快的将其修复。因此必须采用适当的结构装置，完成上述辐照监督管支 撑结构的水下修复任务。 1 3 国内外大型水下维修装置相关技术研究现状 发达国家自2 0 世纪9 0 年代就已开发出多种用于核电站反应堆高辐射环境检 修维护作业的水下维修装置，反应堆高辐射环境下的检修维护已经实现了机器人 的作业，效果非常显著。2 0 0 6 年5 月2 5 日由中国、美国、俄罗斯、法国等草签 的建设“国际热核聚变实验堆( i t e r ) 国际协定计划i t e r 本体内所有可能的调 整和维修都是通过机器人或机器手完成。 采用机器人对核电站以及其他核设施进行检查、维修后，核电站的寿命可显 著提高到4 0 年左右，所产生的经济和社会效益十分显著。同时采用机器人完成 这项作业，会大大缩短检修所用时间，增加电站的开工率。对于一个1 0 0 0 m w 的 核电站，如果能满负荷多运行一天，即可多发电2 4 g w h ，可获2 4 0 万元的 经济收入。因此最近十多年来，各国政府一改过去观望等待的态度，纷纷制定研 第1 2 共8 l 浙江t 业大学丁= 程f c ! i ii j 论义 究= 厂f ：发高辐射环境下的核工业机器人计划。 美围早在1 9 8 6 年就制定了机器人工程与智能系统研究计划r i s p ( r o b o t i c s a n d i n t e l l i g e n ts y s t e mp r o g r a m ) ，由美国能源部( d o e ) 、固防部( d o d ) 、国 家航天航空局( n a s a ) 及其他一些单位提供高达1 0 0 0 万美元的资助，主要研究 目的是通过采用机器人实现简单的同常操作自动化，并使危险环境中的作业、紧 急事故处理成为现实。1 9 9 0 年之后，美国能源部d o e 组织佛罗里达、密歇根、 卜日纳西和德克萨斯四所大学以及橡树岭困家实验室( o r n ，) 联合制定了美围先进 反应堆 a l a - a 人发展计划( a r s ) ，日的足采用机器人实施危险作业，减少在辐射环 境下工人作业或者停留德时l l l j 。以便经济地监督、维修和修复核装置或者其他设 备。 在上述各种计划资助下，美国r e d z o n e 机器人公司足由卡内肇梅隆大学机器 人研究所的科研人员创办的，在美困能源部的资助下研制丌发了在操作人员的远 程控制下在核反应堆环境下进行作、f k 的机器人r o s i e 。r o s i e 是一个移动币臂机 器人，该机器人具有良好的可靠性和柔性以及较大的负载能力，可代替人在核反 应堆环境下完成某些简单作业。美国得克萨斯大学、弗罗里达火学、密歇根大学 等在美国能源部支持下，f ：展核辐射及危险环境下复杂作、j k 机器人研究，旨在研制 实用的具有完成复杂作、j 止任务能力的遥控操作机器人系统。图l 一1 是该项目研制 的固定式双臂机器人本体，该 j t a a 人每个操作臂有7 个自由度，每个臂的负载能 力为1 5 磅，采用基于p c 的通用控制器。机器人可以配胃央持器、圆形电锯、喷 枪、电钻等不同作业j i ：具，完成不同的作业任务。美困橡树岭国家实验室为芝加 哥c p 一5 反应堆研制了双臂操作机器人系统，可以完成搬运、拆卸等作业任务， 见图卜2 。 图卜l 美国得克萨斯人学等研制的同定式双臂机器人 鬻缝缝。一、舯瓣碡 爹 l 貔，一，跨絮7 “捌 。鬻：。? 。善擎“ 慧“j 甏。萎”臻 l 一 * 骥 暂i 。j i _ j 壤，：”- ? ， 。溺 ? 一”荔” 篱。， 。 。瓣鬻藏羲j 誊i 。，。4 ”_ ；麓 。 罐 ，扩8 ”豫一鼢 ：|l i 麓莲。警 图卜2 美国橡树岭国家实验室研制的芝加哥c p 一5 反麻堆双臂操作机器人系统 f 本原子能委员会1 9 8 7 年6 月制定了“原子能丌发利用氐期计划”，以推进 原子能工业用人工智能( 包括原子能工业机器人) 的研究肝发。在此背景下，联 合同本理化研究所、东京大学等单位，执行了一项为期6 年的“核电站安全作业 用机器人系统的丌发研究项目”。该项目最终目标是，f i 发具有基于感觉信息、自 己规划、自己行动、完成各种安全作j j k 能力的完全自律型智能机器人系统。其中 f 1 本原子能研究所最近丌发出能够在核设施强辐射环境下收集信息的抗辐射型 机器人r o b o t ，其特点是：机器人手臂、行走机构、蓄电池等都采用抗辐射部件； 把抗辐射型较弱的摄像机等电子部件单元化，并采用容易拆装的连接方式，可以 在操作现场方便地更换。为减轻工作人员的劳动强度和减少到核设施的接触， f 本东芝原子能技术研究所开发了多种核工业中用的机器人。它们分为：尊轨式巡 查机器人，地面移动式操作、巡检机器人、作业机器人和水中游泳式巡检机器人。 欧盟内，法国由法国原子能委员会牵头，制定了r a m 计划，由政府每年资助 1 亿法郎丌发自主控制的多用途机器人。欧洲共同体1 9 9 2 年制定了一个为期两 年的计划，目标是丌发核环境下应用的半自主遥控机器人视觉和传感系统，它包 括三维目标识别和定位处理系统；安装在机械手及木端执行器上的位置敏感装 胃。法国a r e v a 公司研制的反应堆高辐射环境下检修维护机器人由支撑基座和一 个安装在其上的6 自由度机器人操作机及构成，能够对反应堆高辐射环境下进行 超声检测等作、比。该机器人已在美国、欧洲的部分核电站投入运行。尽管a r e v a 公司在中国有很大的业务，并在多个核电站建设中中标，但该机器人技术并未引 入中国。德国h a n sw a l i s h c h m i i 。l e r 公司是一直从事遥控操作设备、核辐射防护 设备及同位素生产设备的研制生产。该公司今年来霹制丌发了一一系列核辐射作业 机器人，其产品有许多独特之处，颇受业界瞩目。 2 0 0 4 年，印度孟买理工学院研制成名为“舞王”的机器人，能携带用于检查 浙江工业大学工程硕士论文 和维修用的照相机、操纵器、监测仪等工具，具有较大的负载能力，有望在核电 站火灾、放射性泄漏、系统零部件失灵等一些险恶事故场合，深入到高辐射险境 去排除事故隐患。 总体上，核电设备制造、检测、维护与故障处理的核心技术主要集中在美国、 德国、法国、日本等发达国家。目前，国外核电站反应堆高辐射环境下检修维护 作业水下维修装置的发展趋势如下： ( 1 ) 针对核电站反应堆高辐射环境下检修维护作业的复杂性，越来越多的采 用机器人装置或者类似系统。机器人从传统的爬壁机器人、管道机器人向具有完 成复杂作业能力，多作业种类( 包括3 d 测量、e d m 、攻丝、铰孔、拧螺帽等) 的 多功能检查与维修机器人方向发展； ( 2 ) 机器人作业由单一的检测作业向检测、加工、维修、维护、作业评估等 复杂多任务合成方向发展； ( 3 ) 机器人本体结构向模块化、可重构化、平台化发展，各种作业功能通过 重构各种工装模块来实现； ( 4 ) 根据作业任务采用视觉、力觉、触觉等多传感器技术来指导作业操作； 我国的核电事业起步较晚，目前发达国家在核电站高辐射水下环境下检修维 护已经实现了各种各样任务需求的机器人作业。由于我国目前劳动力资源比较丰 富，人工费用低，许多操作岗位还不是紧迫地需要机器人来代替。另一方面，由 于技术的落后一时还无法实现。因此目前我国核电站用机器人技术的发展相对于 世界先进发达国家还是比较落后的。目前各种高辐射水下环境中的在役设备检修 主要依靠人工作业。只是在核电站管道检修、水下异物打捞等方面已经部分采用 了国外或国内的机器人技术。但是国外技术在使用和维护方面都存在许多不便之 处，例如秦山核电公司曾从日本引进放射性废物搬运机器人，因机器人系统出现 故障，长期不能修复，目前只好采用人工操作。 但是从目前发展情况来看，提高核实施的安全性核可靠性，尽量降低操作人 员的受辐射剂量，改善工作环境，解决一些严重威胁我国核电站安全隐患，需要 大力开发利用机器人，这是一个不容忽视的长期战略目标。 国家8 6 3 计划最早从1 9 8 7 年起，就列入了恶劣环境智能机器人的研究项目， 经过选型论证、总体概念设计与总体方案设计等，首先确定将两种型号的核工业 机器人：即移动作业机器人和壁面爬行式检查机器人作为开发目标。中国核工业 第1 5 共8 i 浙江工业大学工程硕士论文 总公司与8 6 3 计划机器人专家组于1 9 8 9 年签订了“关于研制核工业恶劣环境机 器人的协议 。这些都为我国核电站用机器人的开发利用奠定了一个良好的开端。 经过多年努力，近年来国内在管道检修、水下异物打捞领域开展了卓有成效 的研究。中国科学院成都光电技术研究所于2 0 0 6 年研制成功的水下异物打捞机 器人已交付大亚湾核电站使用，该机器人主要用于对核电站反应堆堆芯上下部堆 内构件吊出和回装堆芯时进行水下监视观察及对落入异物进行打捞；上海交通大 学研制的管道焊接检测机器人由圆周旋转关节底座和夹钳构成，该机器人由步进 电机驱动，可装配在管道中的任何位置进行焊接检测。 目前秦山核电公司曾经引进日本的机器人进行高辐射环境下的搬运作业，对 机器人在核电站中的操作有一定实用经验；另外，秦山核电公司对高辐射1 0 米 深水环境下辐照监督管更换大型维修水下维修装置作业任务需求有着非常深入 的了解。同时国内只有秦山核电在辐照监督管水下维修装置方面曾经与美国西屋 公司有关相关技术合作，对西屋公司的该水下维修装置产品有着使用经验和体 会；并且是国内唯一具备试验环境条件的企业。 1 4 本文的研究意义与研究内容 1 4 1 本文的研究意义 目前我国核电装机容量900 万千瓦，仅占全国电力总装机容量的1 强。 按照国家核电中长期发展规划，到20 20 年，我国核电装机将占电力总装 机容量的4 ，达到4o0o 万千瓦，同时在建1800 万千瓦。根据核电中 长期发展规划我国陆续将要由大批量的核电站服役。核电站关键设备一反应 堆的堆内构件等设备的维修将面临严峻的考验。在役的核电站堆内构件的均为非 标产品，制造的安全等级要求严格( 核一级) 、设备加工精度高、维修空间狭小、 而且考虑辐射环境下的更换必须在水下远距离操作。目前国内外核电站辐照监督 管的支撑结构更换只有在中国的秦山核电公司成功的实施。当时的现场执行是美 国的西屋公司。随着我国核电机组的增加，中国必须有自己的水下维修技术。 但是在高辐射和水下环境特定条件下，完成在役设备辐照监督管复杂维修作 业的大型水下维修装置平台系统的研究在国内尚属空白。本项目的研究有助于为 我国自主知识产权的大型水下维修装置平台系统的设计、开发、维护和使用。 第1 6 共8 l 浙江工业大学工程硕士论文 1 4 2 本文的研究内容 本文以巴基斯坦恰西玛核电站一期工程辐照监督管更换维修任务为目标，根 据秦山核电公司的整体决策，决定在秦山一期核电公司2 0 0 2 年已有的辐照监督 管更换结构装置h d s 主体机械结构的基础上，进行辐照监督管更换维修工艺及技 术的消化、吸收，研究开发具有我国自主知识产权的辐照监督管更换维修工艺、 技术及成套装置。基于此，本文重点开展辐照监督管更换维修工艺研究；在原有 西屋公司遗留的h d s 系统基本结构的基础上，重新设计开发新的控制系统；以 s o l i dw o r k s 三维设计分析软件为工具，开展h d s 结构在各种工况下的结构变形 预测分析研究，为辐照监督管支架安装的偏差给出理论分析结果，保证最终的辐 照监督管支架安装精度；最后结合中国秦山核电公司实际情况，开展热车间内安 装吊运过程分析，为中间调试需要奠定基础。 本文的各章节安排如下： 第一章绪论。主要介绍辐照监督管大型水下维修装置( h d s ) 的背景知识， 国内外相关技术研究现状以及本文主要研究内容、研究意义以及各个章节的安 排。 第二章水下加工装备的输送及定位夹持系统( 简称为h d s 系统) 功能需求分 析。主要介绍辐照监督管更换维修工艺流程分析，在此基础上，完成h d s 系统的 基本功能分析以及控制需求分析。 第三章大型水下维修装置h d s 系统机械结构变形预测分析。首先分析了h d s 系统在辐照监督管更换维修任务中存在的三种典型工况任务；建立h d s 系统的 s o l i dw o r k s 三维模型以及辐照监督管的实际模型。针对上述三种典型任务工况， 基于s o l i dw o r k sc o s m o s 有限元分析软件，着重探讨了上述典型工况下，h d s 系统机械结构主体变形规律、关键支撑点的宏观变形位移以及相应对于辐照监督 管安装的精度影响。 第四章h d s 系统具有自主知识产权的新控制系统的设计开发。主要针对前述 h d s 控制系统的基本功能需求分析的基础上，采用成熟可靠的p l c 技术方法和伺 服运动控制技术实现h d s 系统和其它附属液压、气动装置的运动、定位控制。 口h j ) s ( h e a dd e l i v e r ys y s t e m ) 是水下修复项目中的最重要的工装系统，它能够实现水下加工的工作头传 递与精确定位。 第1 7 共8 l 浙江工业大学工程硕士论文 第五章h d s 系统机械结构整体吊装过程分析。结合中国秦山核电公司实际情 况，开展热车间内安装吊运过程分析，为最后调试需要奠定基础。 第六章总结与展望。总结了本文的主要工作，同时也对工作中存在的不足 和进一步需要开展工作的地方进行了展望。 第1 8 共8 l 浙江工业大学工程硕士论文 第二章辐照监督管更换工艺流程与h d s 功能需求分析 2 1 辐照监督管更换工艺流程分析 堆内构件吊篮筒体外侧的辐照监督管支承定位结构修复，将采用水下电火花 成形技术去除原来支架两侧的焊缝以及固定原支架的螺钉和销钉，以及完成对新 支架安装部位的平整加工和打螺纹预制孔与销钉孔，然后通过一个机械装置用普 通丝锥对水下的螺纹预制孔进行攻丝和完成对新螺钉和定位销的安装、螺钉拧紧 和定位销冲压，最后再通过一个机械装置对新安装的螺钉和定位销进行防松处 理。 具体来说，c - 1 辐照监督管更换修复主要工艺流程包括以下流程： 2 1 1 旧辐照监督管支架拆除： 拆除旧辐照监督管支架螺栓( 4 x 6 x 8 = 1 9 2 个m 8 吊篮孔深1 6 ) 拆除旧辐照监督管支架定位销( 2 x 6 x 8 = 9 6 个0 6 吊篮孔深2 0 ) 切割旧辐照监督管支架焊缝( 9 6 条) 打磨旧辐照监督管支架焊缝 切割旧辐照监督管支架( 8 组) 并放入废物容器 2 1 2 新型辐照监督管支架安装： 在模拟体上调整新型辐照监督管支架( 2 组) 在吊篮上安装h d s w p s 系统 加工辐照监督管支架与吊篮的接触面 水下样规测量辐照监督管支架的接触面 加工垫片( 每组2 x 6 = 1 2 个) 新型辐照监督管支架上安装垫片 在吊篮外侧安装新型辐照监督管支架、 测量新型辐照监督管套筒的插入位置 钻m 2 0 孔、攻丝( 每组4 x 6 = 2 4 个m 2 0 ) 第1 9 共8 l 浙江工业大学工程硕士论文 安装m 2 0 工艺螺栓( 2 4 个m 2 0 x 2 5 ) 测量新型辐照监督管套筒的插入位置和间隙 钻销孔、铰孔 安装定位销( 每组2 x 6 = 1 2 个0 1 6 x 6 0 锥销) 打磨定位销 安装盖板( 每组2 x 6 = 1 2 个) 、防松帽、螺栓( 每组4 x 6 = 2 4 个) 锁紧防松帽( 每组4 x 6 = 2 4 个) 通棒试验 2 2h d s 总体基本功能需求分析 为了实现上述的新型辐照监督管支架安装，每一步工艺流程都需要有一个完 整的传输系统和工作平台的参与，作为新型辐照监督管支架安装的基础工作平 台。上述工作平台称之为水下加工装备的输送及定位夹持系统( 以下简称为h d s 系统) 。h d s 系统为辐照监督管支承定位结构修复的重要专用工具，主要由头部 传输系统、工作平台、升降机等组成，如图2 1 所示。借助于h d s 系统，可以 将水下电火花加工头、螺纹加工头、螺钉紧固与定位销冲压动力头从水上运送到 水下待加工的部位，h d s 系统还将支承一套机械手装置以便定位和夹持待去除或 待安装的辐照监督管支架。h d s 系统用于安装、固定、传递和输送水下维修的专 用工装设备。这些设备有：水下电火花加工( 即e d m m d m 设备) 、成形设备( 包括 螺纹成形) ，螺纹、销钉紧固与防松帽冲压专用设备，水下照明与监控设备、测 量装置，水下待维修安装的部件( 包括辐照监督管支架、螺钉、销钉、防松帽) 及其储放料仓等。 第2 0 共8 l 浙江丁业人学t 程顺h 仑文 图2 一l原西屋公司h d s 系统在试验台架上调试( 2 0 0 2 年) 使用时，安装定位在吊篮( 下部堆内构件) 法兰上，升降机将各类工具传输 到吊篮指定位置进行各类相关加工，实现钻孑l 、铰孑l 、攻丝、打磨平面，切除焊 缝、安装螺栓等各类操作( 相当机械手) 。整个结构尺寸超过9 米长，其中水下 部分在3 7 米之2 2 所示。 图2 2 原西屋公司h d s 系统升降机装置( 2 0 0 2 年) 设计要求辐照监督管的护套管安装精度要求与吊兰上部法兰孔同心度在l m 范围内。如果辐照监督管的护套管安装超差，就r 叮能引发反应堆吊兰无法就位， 造成整个反应堆无法继续服役。吊兰上部法兰距离辐照监督管的护套管底部定位 有5 m 的高差。远距离的精确定位直接决定整个项目的结果。h d s 是水下修复项 目的加工定位基础，h d s 加工时衍架刚性变形要影响整体的安装精度，这是首先 考虑的问题。本文的第三章将针对这个问题进行分析。h d s 的重复定位精度影响 第2 1 共8 l 浙江工业大学工程硕士论文 的钻孔、铰孔、攻丝、安装螺栓及螺栓缩紧等动作的位置度。本文的第四章是阐 述控制系统对h d s 重复定位精度如何实现。 2 3 控制需求分析 针对上述h d s 系统总体基本功能分析，从控制系统的角度来看，新型辐照监 督管支架安装工作需要的钻孔、铰孔、攻丝、打磨平面，切除焊缝、安装螺栓等 各类操作对h d s 系统存在以下基本需求： 1 ) 新型辐照监督管支架安装工作需要h d s 系统升降机上下运动，并且能够在各 种需要的位置可靠停泊。因此根据现状，采用伺服电机一减速器一齿轮齿条 结构一提升升降工作台上下运动的传动方案是成熟可行的。该方案的基本精 度可以达到0 0 0 5 m m 以上。新方案采用p l c 作为控制器的核心，实现对伺服 电机的控制，采用可编程的智能触摸面板作为控制系统的人机交互界面，实 现h d s 系统中提升升降机的高精度垂直位置运动定位以及其它电、液、气 的开关量控制。 针对上述传动控制，需要的控制功能主要有：回零操作、自动运行、手动运 动、联锁保护、故障告警等等。具体阐述如下： 每次开机工作前，需求实现工作台的自动回零操作。特别是在系统断电 重启时，若要进行自动模式的运行必须首先进行回零操作。 自动方式下，能够实现对工作平台的自动运动定位，在该操作模式下， 当选择了某个定位位置后，系统可以实现自动销钉缩回，自动运行工作 台到指定位置，当工作台到位后，自动伸出销钉，完成最终的定位操作。 手动运行方式分为连续运行方式和增量运行方式。在连续运行方式下， 可以连续的实现工作台的上下运动；在增量方式下，根据设置的增量值， 可以实现以1 0 m m ，l m m 和0 1 m m 为单位的增量运动。与定位销油缸等其 它控制需求分开； 系统各个液压电磁阀的动作以及气动电磁阀的动作也可在手动方式下运 行，其需要与移动电机产生连锁保护作用。 2 ) 新型辐照监督管支架安装工艺流程中工作平台小车上下升降运动定位中定位 销的伸缩、工作头前进后退、伸缩臂油缸伸缩、气爪的开关等需要液压和气 动的工作，因此在现场必须能实现液压电磁阀和气动控制阀的电气控制需求。 第2 2 共8 l 浙江工业大学工程硕士论文 具体包括： 液压定位系统：其主要功能是为定位销、伸缩臂的驱动机构液压油缸提 供动力和驱动控制；系统的特点在于：1 ) 控制逻辑比较简单，全部是开 关量控制；2 ) 系统内动作油缸数量非常多，其中定位销油缸：两组，每 组7 个，共计1 4 个；辐照监督管夹持臂伸缩油缸2 组，每组2 个，共 计四个。3 ) 系统的可靠性要求非常高。 气动系统：h d s 系统中气动系统主要为水下维修过程中辐照监督管的夹 持动作的实现。主要包括两组四个气缸，一组两个气缸分为左右两个夹 持气缸，主要用于实现h d s 系统下端液压伸缩臂末端辐照监督管的夹持 结构的张开和闭合。系统的特点在于需要常规d c 2 4 v 的i o 输入输出需 求。 为其它动力加工头提供液压驱动动力等； 第2 3 共8 l 浙江工业大学工程硕士论文 第三章h d s 衍架结构有限元分析 h d s 衍架在工作状态下，由于上下运动的小车受到各种负载，将引起整体结 构产生变形。而h d s 系统整个工作过程对于结构精度有极高的要求，必须对其结 构变形进行分析以作相应的调整，保证工作的顺利进行。本文利用有限元分析软 件c o s m o sw o r k s ，对h d s 结构进行了负载变形分析。并对结构修改提出相应的 建议。 3 1c o s m o sw o r k s 软件介绍 3 1 1 有限元软件背景 随着现代科学技术的发展，人们正在不断建造更为快速的交通工具、更大规 模的建筑物、更大跨度的桥梁、更大功率的发电机组和更为精密的机械设备。这 一切都要求工程师在设计阶段就能精确地预测出产品和工程的技术性能，需要对 结构的静、动力强度以及温度场、流场、电磁场和渗流等技术参数进行分析计算。 例如分析计算高层建筑和大跨度桥梁在地震时所受到的影响，看看是否会发生破 坏性事故；分析计算核反应堆的温度场，确定传热和冷却系统是否合理；分析涡 轮机叶片内的流体动力学参数，以提高其运转效率。这些都可归结为求解物理问 题的控制偏微分方程式，这些问题的解析计算往往是不现实的。近年来在计算机 技术和数值分析方法支持下发展起来的有限元分析( f e a ， f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ) 方法则为解决这些复杂的工程分析计算问题提供了 有效的途径。在工程实践中，有限元分析软件与c a d 系统的集成应用使设计水平 发生了质的飞跃，主要表现在以下几个方面： 1 ) 增加设计功能，减少设计成本； 2 ) 缩短设计和分析的循环周期； 3 ) 增加产品和工程的可靠性； 4 ) 采用优化设计，降低材料的消耗或成本； 5 ) 在产品制造或工程施工前预先发现潜在的问题； 6 ) 模拟各种试验方案，减少试验时间和经费； 第2 4 共8 l 浙江工业大学工程硕士论文 7 ) 进行机械事故分析，查找事故原因。 在大力推广c a d 技术的今天，从自行车到航天飞机，所有的设计制造都离 不开有限元分析计算，f e a 在工程设计和分析中将得到越来越广泛的重视。国际 上早在2 0 世纪5 0 年代末、6 0 年代初就投入大量的人力和物力开发具有强大功 能的有限元分析程序。其中最为著名的是由美国国家宇航局( n a s a ) 在1 9 6 5 年 委托美国计算科学公司和贝尔航空系统公司开发的n a s t r a n 有限元分析系统。该 系统发展至今已有几十个版本，是目前世界上规模最大、功能最强的有限元分析 系统。从那时到现在，世界各地的研究机构和大学也发展了一批规模较小但使用 灵活、价格较低的专用或通用有限元分析软件，主要有德国的a s k a 、英国的 p a f e c 、法国的s y s t u s 、美国的a b q u s 、a d i n a 、a n s y s 、b e r s a f e 、b o s o r 、c o s m o s 、 e l a s 、m a r c 和s t a r d y n e 等公司的产品。其中，由美国s r a c ( s t r u c t u r r a lr e s e a r c h a n da n a l y s i sc o r p o