裝卸料機管嘴抱卡力穩定性改進研究

張連生

(中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314303)

0 引言

CANDU6重水堆裝卸料機管嘴抱卡機構是將裝卸料機與燃料通道端部件可靠連接，保證換料過程中主熱傳輸系統壓力邊界的完整性的重要設備。管嘴機構的故障會使換料中斷，嚴重時會使裝卸料機無法脫開燃料通道，迫停堆處理。到目前為止，包括秦山核電在內已有多個重水堆機組發生過因管嘴故障而停堆的事件。管嘴機構故障主要集中在管嘴抱卡力不穩定，進而引發不能解除抱卡等風險[1]。該問題為各重水堆電廠普遍存在的問題，其分析與解決有著較為廣泛的意義。

管嘴機構包括抱卡螺栓齒輪、抱卡筒、中心支撐筒、外支撐件、鎖緊螺母、推力軸承、碟形彈簧、驅動油缸、齒條、抱卡爪及抱卡臂等(見圖1)。抱卡螺栓齒輪的外表面和抱卡筒的內部都是ACME螺紋結構，它們相互配合使用。抱卡螺栓齒輪安裝在中心支撐筒上，兩側安裝有兩個推力軸承，推力軸承通過碟形彈簧、預載墊片和鎖緊螺母預載了45 000 lbf(1 lbf≈4.45 N)的力量。碟形彈簧補償管嘴抱卡到燃料通道后由于溫度變化而引起的零件的尺寸變化，以維持比較穩定的抱卡力值。

近幾年裝卸料機管嘴機構存在抱卡力不穩定問題，不得不頻繁進行油壓調整，以使抱卡力維持在要求范圍內。2018年曾連續兩次導致管嘴解抱卡故障，其中一次是在換料過程中發生，不得不停堆處理。圖2為2號裝卸料機2018年管嘴抱卡力變化曲線圖，從圖中可以看出該裝卸料機管嘴抱卡力在運行過程中有較大的變化。波動差值可達7 000 lbf。

圖2 2號裝卸料機抱卡力變化趨勢圖(2018年)

1 問題分析過程與結論

1.1 ACME螺紋檢查

1.1.1 ACME螺紋參數

ACME螺紋即美制梯形傳動螺紋，執行ASME/ANSI B1.5-1997標準[2，3]。其基本牙型如圖3所示。

圖3 ACME螺紋的基本牙型

其中，D-內螺紋的基本大徑，D1-內螺紋的基本小徑，D2-內螺紋的基本中徑，P-螺距，d-外螺紋的基本大徑，d1-外螺紋的基本小徑，d2-外螺紋的基本中徑，h-基本牙高。首先應先檢查螺紋參數是否滿足要求。螺紋中徑測量方法見圖4。

圖4 三針法測量螺紋中徑

1.1.2 螺紋檢查結果

對螺紋表面狀態檢查，發現抱卡螺栓齒輪的螺紋承載面上有傷痕，但是無凸起和高點。螺紋接觸率較差，沒有完整的面接觸(見圖5)，遠小于80%的要求。

圖5 螺紋研磨前接觸率

從以上檢查結果可以看出螺紋接觸率較差，遠小于80%的要求，會影響傳動穩定性，是抱卡力不穩定的一個重要原因。

1.2 ACME螺紋倒角尺寸的影響

管嘴抱卡機構傳動螺紋為ACME Class 2G螺紋。其齒頂倒角應滿足如圖6所示的ASME/ANSI B1.5-1997標準要求，即齒頂可以有45度倒角，其最大深度為P/15，最小為P/20。對應的倒角平面寬度為0.070 7P～0.094 5P。由于倒角大小會影響螺紋承載面面積，進而影響承載應力和傳動性能，因此有必要做定量分析。

圖6 螺紋牙頂倒角

為了說明梯形螺紋接觸面支承應力的變化幅度，考慮了以下情況：

情況1—無倒角情況；

情況2—采用標準倒角尺寸允許的最大值為0.033 in(1 in=2.54 cm)。

假設內外螺紋完美對中，考慮80% 的承載螺紋表面接觸，沒有倒角時，承載應力為1.3 ksi(1 ksi=6.895 MPa)，倒角為最大允許值0.033 in時，承載應力增加到1.7 ksi?？紤]到最大容許承載應力(屈服強度)為Sy=147 ksi，倒角的大小從應力增加的角度來看，不會引起任何問題。實際應用中內外螺紋會出現一定的偏心現象，預計螺紋承載應力會有所增加。然而，考慮到容許承載應力的巨大余量，也可以不用考慮。因此螺紋倒角的影響較小，可以忽略。詳細計算見圖7和表1。

表1 ACME承載應力計算

以上研究結果表明，當ACME螺紋頂部的倒角尺寸在標準范圍內時，對于抱卡筒與抱卡螺栓齒輪表面接觸處的承載應力的增加影響不大，螺紋不會由于倒角的大小而產生接觸面過載。

1.3 潤滑脂變質的可能性分析

對ACME螺紋傳動有重要影響的另外一個因素是油脂潤滑情況。潤滑脂的變質是必須要避免的一個問題。使用后的油脂有明顯的變質現象。因此更換油脂測試抱卡力變化情況。更換油脂前，管嘴抱卡力變化情況如圖8所示，管嘴抱卡力不平穩，且逐漸增大。更換油脂后的抱卡力變化情況如圖9所示。管嘴抱卡力平穩，沒有異常上升情況。說明更換油脂對管嘴機構傳動效率穩定性影響較大。

圖8 潤滑前抱卡力

圖9 潤滑后抱卡力

管嘴機構油脂變質的原因主要是O形圈滲水導致油脂變質。對于這個問題，增加O形圈更換頻率，提高潤滑頻率，是較為快捷可行的解決方案。

1.4 碟形彈簧彈性系數改變的影響

起預載作用的碟形彈簧是管嘴機構中的重要零件，對抱卡力的穩定性也有重要影響。碟形彈簧的標準運行載荷60 000 lbf，極限推力載荷80 000 lbf。碟形彈簧的要求彈性系數為900 000 lbf/in。

檢查過程中發現部分碟形彈簧墊片變硬，彈性系數增加，見表2。這會對管嘴抱卡力產生影響。因為在碟形彈簧變硬而預載墊片不改變的情況下，管嘴機構彈簧預載力增加，相應的在換料過程中由于熱膨脹而引起的抱卡力也會增加，若增加過大則有損壞軸承或彈簧的風險，有必要對其分析計算。參考圖10。

表2 碟形彈簧壓縮量數據

熱膨脹增加的抱卡力值計算公式如下：

ΔF=k×ΔL

k—彈簧彈性系數；

ΔL—中心支撐筒變形量，ΔL=α×L×ΔT

其中，α=6.5×10-6in/(in·℉)，中心支承筒的熱膨脹系數[7]；L=11.10 in，中心支撐筒前端長度；ΔT=185 ℉，中心支撐筒相對于抱卡螺紋齒輪和抱卡筒的溫度變化值。

如果彈簧的彈性系數為900 000 lbf/in，則該變形增加的抱卡力為12 000 lbf。如果彈簧變硬后，彈性系數增加到1 550 000 lbf/in，則熱膨脹增加的抱卡力為20 733 lbf，總抱卡力值將超過彈簧的極限推力載荷，長期運行必將損壞零件。

另外，推力軸承的正常運行載荷為60 000 lbf，最大靜態載荷90 000 lbf，過硬的彈簧也會增加軸承的載荷，降低使用壽命。檢修過程中發現部分管嘴的推力軸承滾道有壓痕，推測即為載荷超標的結果(見圖11)。該問題會造成軸承滾動不靈活，管嘴機構傳動阻力增大，導致管嘴抱卡力不穩定。

鑒于藥學類實驗室種類多樣，經常存在多學科交叉共用實驗室現象，筆者提出以實驗室安全防控點為依據的實驗室分類方案，以便安全環保培訓和實驗室準入制度的實施。該分類方案將實驗室按安全與環保因素分為以下幾類：“有毒”指可直接接觸有毒物質、產生有毒氣、液、固體物質、接觸高傳染性生物、放射性物質等的實驗室；“危險”指實驗中可能發生爆炸、爆沸、明火，接觸高壓、高溫等實驗室；“風險”指實驗中可能接觸腐蝕性物質，可造成實驗者肢體損傷，接觸動物、微生物有潛在感染，火、水、電傷害等的實驗室；“一般”可能出現水、電、火災及普通污染物等實驗室，具體涉及的實驗室見表1。

圖11 推力軸承滾道上的壓痕

因此每次檢修時應檢查彈簧的彈性，若超標則更換。同時重新檢查設定墊片厚度。

1.5 分析結論

裝卸料機管嘴機構抱卡力不穩定的主要原因為，抱卡螺栓齒輪長期運行后ACME螺紋狀態下降，螺紋接觸率降低，傳動摩擦力增大，抱卡力輸出變得不穩定，同時產生不能正常解除抱卡風險。解決辦法為在保證螺紋尺寸滿足標準的情況下研磨修復，提高接觸率。另外一個原因為O形圈老化漏水后導致潤滑脂變質，影響了螺紋傳動穩定性。最后，彈簧長期使用狀態變差后也會影響管嘴抱卡力性能，使抱卡力不穩定。O形圈老化滲水是偶發現象，彈簧狀態變差是長期效應，因此是次要原因。

2 改進措施

針對以上分析結果，主要采取研磨修復管嘴ACME螺紋、改進管嘴檢修方式來緩解抱卡力不穩定的問題，防止不能解抱卡的極端情況出現。

2.1 管嘴ACME螺紋研磨修復

為改善ACME螺紋接觸率，改善螺紋配合狀態，降低螺紋傳動阻力，在保證螺紋中徑等牙型尺寸滿足標準的前提，對抱卡螺栓齒輪、抱卡筒的螺紋承載面進行了對研修復。

2.1.1 研磨修復方法

在抱卡螺栓齒輪的梯形螺紋承載面上涂抹中等顆粒度研磨膏，按抱卡時的相對位置完成抱卡螺栓齒輪、抱卡筒的裝配，將組件安裝到專用工具上。將抱卡螺栓齒輪、抱卡筒組件傾斜14.5°(見圖12)，完成對研。確認中徑滿足要求，表面光潔度滿足要求，螺紋接觸率80%。

2.1.2 研磨修復后效果

螺紋接觸率達到80%～90%(見圖13)，抱卡面螺紋面光潔度有所提高。維修后2號裝卸料機在線換料4個月，抱卡力較為穩定，具體數據如圖14所示。

圖13 螺紋研磨后接觸率

圖14 管嘴機構抱卡力趨勢圖(2020年)

管嘴機構螺紋修復后接觸率大大提高，說明螺紋牙型得到了修正。比較修復后與修復前的管嘴抱卡力，可明顯發現抱卡力變得更為平穩。

2.2 改進檢修方式

1)改進碟形彈簧設定方式，確保彈簧參數合格。

2)增加管嘴組件O形圈更換頻率，減少漏水風險和對油脂老化的影響。

3)定期測量解抱卡時間，判斷管嘴性能變化趨勢。

2.3 增加應急解抱卡回路

當裝卸料機換料過程中出現管嘴無法解除抱卡的故障時，由于輻照劑量過高人員無法接近，只能停堆處理。為避免這種極端工況，在裝卸料機上增加了管嘴應急解除抱卡回路，通過遠程操作的方式增加油壓來實現解除抱卡的動作。具體連接方式見圖15(紅色部分為新增部分)。該變更實施后成功解決過一次裝卸料機解除抱卡故障，避免了一次非計劃停堆。

圖15 應急解抱卡回路示意圖

3 總結與展望

本文對裝卸料機管嘴抱卡力不穩定問題進行了深入分析，重點研究了ACME螺紋參數的影響，也探討了預載碟形彈簧和潤滑的影響，確定了裝卸料機管嘴機構的故障原因為ACME螺紋參數改變、狀態下降，造成傳動性能不穩定。通過對研修復ACME螺紋，改善了抱卡力穩定性。同時，優化了管嘴機構維修方法，消除了彈簧性能變差和O形圈漏水導致潤滑油變質的影響，增加了應急解抱卡措施。采取各項糾正措施后管嘴抱卡性能得到了明顯改善，達到了預期目的。

因本文尚未涉及的ACME螺紋表面光潔度變化以及潤滑脂變質對螺紋摩擦系數的影響，可以通過摩擦學試驗來進一步分析[3-5]。對ACME螺紋接觸率的具體影響，可以進行有限元分析。