反应堆压力容器主螺栓螺母清洗机研究及应用

反应堆压力容器主螺栓螺母清洗机研究及应用

胡卉桦，冷慧玲，明平良，李彦宾

本文介绍了研发螺栓清洗设备的主要技术，特别是技术特点和创新点。

关键词：压力容器主螺栓主螺母清洗清洗液毛刷

引言

核电站反应堆压力容器顶盖的主螺栓、螺母每次大修时从压力容器法兰上拆下后，紧接着一项重要的工作就是清洁螺纹表面已经干涸的防咬合剂。通过装拆、清洗螺栓副为后续的视频检查、超声和涡流探伤等系列检修活动提供必要条件。该工作是确保反应堆压力容器主螺栓长期处于安全可靠状态的重要任务之一。

反应堆压力容器的58根主螺栓直径约155mm，长度2032mm，单重约230Kg（以M310机组为例）。因为螺栓体积和重量较大，加上螺栓使用后其表面具有放射性沾污，导致螺栓移动、翻转和螺母拆装都比较困难。采用人工手动方式清洗主螺栓螺母，存在劳动强度大，工作环境恶劣，人员受辐射剂量多等诸多弊端，更有人员体表沾污和吸入放射性微粒的风险。用机器代替原来的手工完成主螺栓及螺母的拆装、清洗、风干和上油工作，可以大大改善工作条件，显著降低工人劳动强度、减少人员受照剂量并提高工作效率，同时也对缩短大修工期有重要意义。

基于上述理由，中核武汉核电运行技术股份有限公司组织研制了新型压力容器主螺栓螺母清洗机。从2011年至今，已经在多个核电站得到广泛引用，取得了良好的社会效益和经济效益。由于该设备拥有自主知识产权，对国内自主开发核电维护技术装备拓展了新思路和新领域。

1.工作原理和主要工作步骤

螺栓螺母清洗机主要采用物理方式清洗。首先在螺纹表面喷射核电通用清洗液，清洗液的浸润使螺纹表面干涸结块的防咬剂等污物软化松动，然后用尼龙毛刷沿螺纹表面周向刷洗，配合清洗液的冲刷达到清洁目的。洗刷后用空气吹扫，进一步去除表面参残留的清洗液和泥渣获得清洁表面。经过清洗和风干后的螺栓和螺母表面清洁度就可以满足后续检查条件。主要工作步骤如下：

1.1螺母拆卸：

将主螺栓副垂直吊运放入螺母装卸机上的旋转支架篮框内。转动支架使主螺栓副成水平状态，启动螺母装卸电机将螺母从螺栓上旋下。

1.2螺栓清洗：

将螺栓水平起吊放入清洗机的主螺栓清洗槽滚轮支架上，伸出螺栓旋转驱动头和螺栓头部的花键咬合，底部接上中心孔清洗接头。

启动清洗液泵冲洗螺栓外表面和中心孔，伸出滚刷气缸推进滚刷靠近螺栓表面，同时启动螺栓旋转电机和清洗刷自转电机，使清洗滚刷高速旋转刷洗螺纹表面同时冲洗中心孔。

完成刷洗后，关闭喷液泵、打开吹气阀门、同时启动排风抽吸系统将螺栓表面和中心孔表面风干。

1.3螺栓上油：

当吹干主螺栓、水气排空后，可根据需要进行螺纹表面上油（涂抹防咬合剂）。

1.4螺母清洗：

将螺母放入螺母清洗槽内。无杆气缸推动螺母清洗刷下行，然后启动螺母清洗刷马达及螺母旋转电机清洗螺母螺纹和表面。

清洗完成后将螺母空气风干。

1.5螺母回装：

将清洗完成后的螺栓水平吊回螺母装拆机，将已清洗完成的螺母组件送至螺母装卸小车机构。启动螺母旋转电机将螺母旋至螺栓要求位置。

旋转支架使主螺栓副直立，将主螺栓副用吊车吊运至存放筐。

2.设备组成和方案

螺栓螺母清洗系统主要由六大部分组成：螺栓清洗单元、螺母清洗单元、清洗液循环系统、气动及送排风系统、电控中央控制台及螺母装卸机和专用吊具等。通过各大部分有机配合来完成螺栓螺母清洗的各道工序。

2.1系统组成：

压力容器螺栓螺母清洗机包括螺母装卸机、螺栓清洗单元、螺母清洗单元、清洗液循环系统、气动及送排风系统、电气控制系统等子系统。各个系统即相对独立又相互关联，整个系统采用中央控制台集中控制方式互相配合，协调动作，按设定的工作步骤和工艺参数完成主螺栓及螺母的拆装、清洗、风干和上油的一系列动作。分别介绍如下：

2.1.1螺栓螺母清洗机本体

1）螺栓清洗箱体

螺栓清洗机箱体卧式布置，主体采用不锈钢加工而成。箱体内装有防水LED光源提供照明，门上设透明观察窗口，便于操作者观察。

2）滚刷的自转和进给

滚刷自传由驱动电机通过滚刷驱动变速箱内部齿轮传动。采用变频调速控制，可根据不同的清洗工艺参数，选择需要的转速，以提高清洗效率及保证清洁度。

滚轮进给动作由安装在清洗箱体外侧的气缸推动滚刷驱动箱整体回转来实现。根据不同的被清洗螺栓表面状况和毛刷磨损情况，调整气缸摆角可调节滚刷的进给量，从而改变毛刷靠紧程度，保证毛刷的清洗效果。

3）螺栓的自转

箱体内部沿轴线布置前后两对滚轮。首先将螺栓平放在滚轮上，由滚轮保证螺栓轴线准确定位。然后将螺栓驱动轴组件水平推入螺栓头部孔内并与花键槽啮合。驱动轴转动即可驱动螺栓自传。2.1.5清洗液循环系统

为减少放射性废液的产量，设计了清洗液循环系统。清洗液循环系统向螺栓及螺母清洗单元及螺栓中心孔喷嘴提供净化后的清洗液，并将清洗后产生的废液送回过滤器过滤净化循环使用。

清洗液循环系统主要由贮液箱、齿轮泵、离心泵、过滤器及相应的管道、阀门组成。所有清洗液循环设备布置在螺栓清洗机后、下方，全部设备管路阀门与清洗机联成一体。过滤器布置在箱体后部，打开上盖即可方便地更换滤芯。储液箱和废液收集箱布置在螺栓清洗单元底部，均为带盖密封箱体，可以有效防止清洗液挥发到空气中。清洗液循环系统底部有接水盘，避免更换滤芯和检修时放射性液体滴落污染地面。

2.1.6气动及送排风系统

气动控制系统是通过电磁阀的动作来控制气缸和气马达执行元件的动作。

送风部分是利用压缩空气的高速气流，清除残附杂质并将清洗后的螺栓及螺母表面的清洗液吹干。

排风部分的功能是在吹干过程中，可将螺母清洗单元和螺栓清洗箱体内可能含有放射性液滴的湿空气抽出清洗机，并经过滤后排至AC厂房空气处理系统。

2.1.7电气控制系统

控制系统采用西门子PLC作为控制器，人机界面选用彩色液晶显示屏。控制操作台面上除液晶显示屏和覆膜按键键盘外，还设计安装自动/手动切换旋钮、声光报警器、电源开关、紧急停止按钮。

控制系统主要包括过程控制、状态显示和报警保护。

（1）过程控制：

系统可实现自动和手动清洗螺栓螺母功能。整个过程按照时序来控制，详细控制流程见控制逻辑图。

自动清洗模式下，只要将螺栓和螺母吊装进清洗机后启动自动清洗程序，即可自动完成清洗过程。依据螺栓表面脏污程度以及安装、检查需求的不同，还可选择不同的清洗工艺参数，即通过改变螺栓刷具转速和清洗时间来达到预期清洗效果。

在手动清洗模式下，系统分设“螺栓清洗喷液”、“螺栓转动”、“螺栓刷具到位”、“螺栓刷具转动”、“中心孔喷液”、“中心孔风干”、“螺栓风干”、“螺母清洗喷液”、“螺母转动”、“螺母刷具到位”、“螺母刷具转动”、“螺母风干”等按钮，清洗过程中可选择相应按钮实施相关动作。操作人员可通过按钮分步完成清洗工作。

（2）状态显示

系统配备液晶显示屏，所有显示信息都布置在主界面上，可实时显示当前进程进度（主要包括清洗、风干过程），报警信息，相关工作信息提示等。

a)参数设置界面里可以设置清洗时间、风干时间、螺栓刷具转转速度等参数。

b)帮助信息包含基本操作步骤和常见故障及处理方法。

c)除了正常的操作界面外，另外专设了系统维护界面。该界面只对有授权的系统管理、维护人员开放，主要用于设备调试和维护。输入专设密码进入系统维护界面后，可以点动任意执行机构等操作。

d)在I/O监视画面中可以监视所有I/O口实时状态。

e)清洗程序可以在自动和手动之间切换。自动程序启动后依次按设定的参数自动完成各个清洗步骤。在手动操作界面中，可以有条件地单步执行各个动作（有安全联锁信号）进行手动清洗、风干等操作，更为灵活方便。

（3）报警与保护

当系统检测到某一值超出设定范围或者不满足设定条件时，面板上的报警灯亮，同时蜂鸣器鸣响提示。具体的触发报警事件将同时在主界面中显示。

a)液位保护

储液箱和废液收集箱内装有液位开关。当液位高于或低于上下限设定值时，停止相关泵和机械动作，闪灯报警，显示屏显示相关信息。

b)喷液、喷气保护

在螺栓清洗和螺母清洗箱体门处设有联锁开关。避免由于在工作进程中误开门导致放射性水汽泄露造成污染。

)驱动轴安全保护

在螺栓驱动轴释放旋钮处安装光电传感器，其输出信号与螺栓自转驱动电机联锁，当人手接近或驱动轴拉出状态时触发传感器，驱动电机无法启动，保护人员和设备安全。

)急停保护

中央控制台、螺栓清洗单元和螺母清洗单元面板上均布置急停开关，任何时候发生意外事件时，均可紧急停止系统动力部分。

e)过滤器滤芯更换提示

当过滤器使用一段时间后滤芯堵塞至一定程度时，系统自动停止，闪灯报警同时显示屏文字提示更换滤芯。

f)清洗进度提示

当螺栓(螺母)清洗工作步骤完成后，触发声光报警装置，显示文字信息提示工作人员进行下一步操作。

3.技术特点和创新点

该项研究成果的特点和创新点主要体现在以下几个方面：

3.1采取多种手段保证清洗箱体密封性。

1）创新设计了可同步完成滚刷进给和滚刷自转的组合传动方式，将两个运动的驱动轴组合在一体通过一个带有轴封的轴孔输入，从根本上克服了采用分离式传动方式无法避免地存在对外直接开口的弊端。2）箱门向外开启，可以利用排风系统抽风产生的负压增强箱体密封效果。3）箱盖两边增设了气压撑杆，既使开门时更加轻松自如，又在关门后使门板始终保持关闭压紧力。

上述几点措施充分保证了箱体的密封效果，在实际使用中验证密封严密无水汽泄漏。

3.2具有良好的排送风及过滤系统，防止放射性微粒扩散污染现场空气。

3.3清洗箱采用全密封结构，箱盖开启时带有的少量残余液滴等经特别增设的回流槽，返回清洗槽，防止放射性残液对地面及其它物件的污染，降低了工人职业危害风险。

3.4中心孔清洗和螺栓清洗同步进行。螺栓中心孔清洗原为独立工序，需单独占用工时。并且要重新连接气、水管线，容易造成泄漏。现方案为中心孔清洗和螺栓清洗同步进行。不光提高了工效，而且无需另外连接延长管线至机箱外部，避免因清洗剂滴漏造成放射性液体污染扩散。

3.5螺栓清洗滚刷应用变频调速。可根据螺栓表面实际脏污情况确定不同的清洗转速，以提高清洗效率及清洁度。

3.6控制系统控制方式灵活方便。用户可根据需求选择或修改相关的工艺参数，适应现场人工的干预和参数的调整。系统可实现全自动清洗及人工手控半自动清洗，大大提高了生产效率。

3.7控制系统采用人机友好界面。

人机界面选用彩色液晶显示屏，显示直观、信息量大，操作方便。可实时观察到需要的状态信息内容和操作指令。每一工序结束或状态报警均配合声响和灯光提示，有效提高工作效率，减少人因失误。

3.8提供在线帮助提示功能。

控制软件特别专设了系统维护界面。可以方便地进行系统调试和故障诊断。

4.应用情况

从2011年至2018年，该设备已经成功应用于多家核电站，经受了几十次大修的实际验证，设备满足现场使用需求，结果令人满意。

使用本螺栓螺母清洗机不仅保证了清洗质量，而且在人力节省和提高效率方面效果明显。以国内某核电站为例：以前采用人工手动清洗主螺栓螺母，平均一次大修洗58套螺栓螺母，需要8个人工作7天，耗费56人*天。在2011年301大修中使用螺栓清洗机自动清洗，实际使用5人工作3天，耗费15人*天。工时节省41人*天，减少约73%。工期减少4天，减少约57%，为后续的无损检测工作赢得充裕的时间，对保证大修质量和工期具有积极意义。

5.总结

本压力容器螺栓螺母清洗机的研制成功，可以大大改善工作条件，显著降低工人劳动强度、减少人员受照剂量并提高工作效率，同时也对缩短大修工期有重要意义。技术具备完全知识产权，目前已经获得了多项发明专利和实用新型专利。从2011年至今，已经在国内多个核电站得到广泛引用，取得了良好的社会效益和经济效益。