CN101271739B - 基于压差的锁定方法 - Google Patents

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Abstract

一种可松脱地锁定一连接机构的方法，其包括：操作连接机构以密封接合进口与末端零件；将进口腔加压至燃料填充、燃料排出或监视设备的压力；响应于压力平衡，将进口塞移至燃料填充、燃料排出或监视设备内部，并致动推杆和活塞以锁定连接机构；将燃料填充、燃料排出或监视设备加压至燃料管道的压力；将燃料管道封口塞移至燃料填充、燃料排出或监视设备内部；对燃料管道进行燃料填充、燃料排出或监视；放回燃料管道封口塞和进口塞；对进口腔减压；感测进口腔与燃料填充、燃料排出或监视设备之间的压力差；和响应于进口塞两侧的进口塞的进口腔一侧相对于进口塞的燃料填充、燃料排出或监视设备一侧的负压力差，停止致动推杆和活塞以解锁连接机构。

Description

基于压差的锁定方法
本申请是申请号为03811763.0、申请日为2003年3月26日、申请人为加拿大原子能有限公司、发明名称为“基于压差的锁定装置”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及一基于压差的锁定方法。更具体的，本发明是用于确保两个压力容器在一起的锁定方法。特别是应用在将燃料填充机(fuelling machine)，燃料排出机(defuelling machine)或监视器固定到核反应堆的燃料管道。
背景技术
加压的燃料管道型的核反应堆，例如CANDU核反应堆(加拿大重水铀反应堆)，由一容纳水平取向的燃料管道的压力容器组成。典型的反应堆包含大约400个燃料管道。这些燃料管道自身也是压力容器。每个燃料管道容纳了多个在一压力管里首尾连接的燃料棒束(fuel bundle)。每个燃料棒束包括多个伸长的容纳着可裂变材料的燃料棒。高压的重水或轻水冷却液流过燃料管道来冷却这些燃料棒，并且带走裂变过程中产生的热量。每个燃料管道的每个末端有一末端零件用于容纳燃料管道的内容物，并且提供该燃料管道的接口。
反应堆的更换燃料通过一燃料填充机完成，燃料填充机用于移去用尽的燃料棒束并且插入新的替代燃料棒束。燃料填充机的头部也是一压力容器。燃料棒束被装入到一燃料转移机构内并且随后被推入到燃料填充机头部的燃料装载室内。燃料棒束通过燃料填充机头部的进口(snout)装入燃料管道中。当续加燃料时，燃料填充机被遥控移动到反应堆表面，并且燃料填充机头部的进口被夹持在燃料管道的末端零件上。一进口夹持机构，由一进口驱动装置控制，将进口夹持在末端零件上。该燃料填充机的封口和燃料管道的封口于是被移除，从而燃料管道对燃料填充机开放。
为了避免整体或部分燃料棒束从燃料管道中漏失或反应堆冷却液泄漏的极小的可能性，那么当燃料填充机的封口或燃料管道的封口被移除时，重要的是燃料管道没有与燃料填充机分离。设计并且测试进口夹机构和进口驱动装置，使得保证末端零件与进口之间的密封良好的保持，除非被命令松开夹持。然而，有可能的是在一定的温度和振动条件下，进口驱动装置可能回动(back-drive)。例如，可能潜在地发生的作为一地震事件的结果的情况。另外，有可能的是在由操作错误、系统误差或例如电路短路这样的系统故障导致的错误时间，进口驱动装置被命令松开。
为了避免任何这样疏忽的松开夹持，该进口驱动装置设置了一机械锁，用于固定进口驱动装置，从而防止夹持机构的致动。另外，电式和软件联锁装置(electrical and software interlocks)一般被用于防止进口驱动装置被操作。
通常使用的机械锁定装置中的一种是一推杆和活塞类型的锁，当杆的一末端，作为锁销，伸入进口驱动装置的凹槽时，接合在一起。当续加燃料的时候，进口腔向反应堆的工作压力开放。该压力在进口腔里推动活塞来驱动锁销进入进口驱动装置中的位置。这压缩了活塞杆端的一大弹簧。一旦续加燃料完成，进口腔就被减压。当进口腔里的压力降到低于预设水平时，弹簧重新伸展，锁销缩回并且锁定装置脱离。因而，该锁定装置被来自反应堆中的压力致动，并且通过弹簧的回复伸展而失去作用。当润滑剂退化或密封破裂，从而脱离压力水平被设在相对较高时，弹簧释放必须足够有力才能使锁定装置脱离。
虽然推杆和活塞类型的锁定装置操作有效且可靠，但是如果反应堆压力降到低于脱离压力水平，它就不能固定进口驱动装置来防止燃料填充机从燃料管道上松开。因而，如果因为冷却剂意外损失、主流线(main stream line)破裂或其他类似干扰或意外情况导致反应堆中压力降低，那么该锁定装置将会脱离，并且将会有进口和末端零件分离的危险，导致反应堆冷却剂泄漏或核燃料漏出。
另一个假设情形是发生在关闭条件时，该推杆和活塞类型的锁定装置没有起到固定燃料管道和燃料填充机之间连接的作用。虽然燃料管道续加燃料通常发生在反应堆在线(online)的时候，但是它有可能在反应堆关闭模式的时候执行。燃料管道中的压力在关闭模式时降到大约50psi(344.75kPa)。这种压力水平不足以导致该推杆和活塞类型的锁定装置接合，并且，从而该锁定装置在关闭条件时无法操作。
已经做了很多尝试来开发一种锁定装置，克服所述推杆和活塞类型的锁定装置的缺点。例如，本发明的受让人已经开发了一锁定装置，它将会在更大的压力范围中工作。该锁定装置显示了由于更大压力范围导致的操作困难。例如，在燃料填充过程中执行泄漏检查时，以及在其他环境中，在进口腔中的增压导致锁定装置在燃料填充机将从反应堆表面移去时部分接合。另外，锁定装置需要更大的活塞，使得制造一能够可改型的紧凑封装(sizepackage)变得困难。
因而，需要一锁定装置，它能有效的防止进口装置活动，从而固定燃料管道和燃料填充机之间连接，并且当燃料管道中发生压力损失或减少以及反应堆关闭时，该锁定装置能够保持可用。
发明内容
本发明的锁定装置用于防止燃料填充机从燃料管道上意外松开，而在同样的条件下，先前技术的锁定装置不能实现这些。该锁定装置的动作是基于进口腔和燃料填充机储料容器(magazine)之间的压差。当进口腔压力和燃料填充机压力大致相等时锁定装置被接合住。这发生在进口和燃料管道封口移除之前。因而，如果在续加燃料时反应堆压力降低，锁定装置保持接合，并且该锁定装置在反应堆关闭情况下当反应堆压力极大的减小时同样能够运作。一旦续加燃料完成并且封口被移除，进口腔压力被排出并且燃料填充机储料容器的压力作用为使得该锁定装置脱开。因此，如果在续加燃料时反应堆内压力下降，该锁定装置保持接合。该锁定装置在反应堆关闭情况下当反应堆压力极大的减小时同样能够运作。
因而依据本发明，这里提供了一种锁定装置，包括：可松脱地锁定一连接机构的推杆和活塞，连接机构将核反应堆的压力燃料管道的末端零件与燃料填充、燃料排出或监视设备的进口密封接合，推杆和活塞可在有效解锁连接机构以允许进口与末端零件脱开的第一位置和有效锁定连接结构以保持末端零件与进口密封接合的第二位置之间移动，末端零件具有可移去的燃料管道封口塞，进口在其远端具有进口腔以及可移去的进口塞，进口塞限定进口腔与燃料填充、燃料排出或监视设备之间的压力边界，进口腔在燃料管道封口塞被移去时与燃料管道流体连通并且在进口塞被移去时与燃料填充、燃料排出或监视设备流体连通；用于将进口腔加压至燃料填充、燃料排出或监视设备的压力以允许移去进口塞的装置；用于将燃料填充、燃料排出或监视设备加压至燃料管道的压力以允许移去燃料管道封口塞的装置；和用于检测进口腔与燃料填充、燃料排出或监视设备之间的压力差的装置，推杆和活塞响应于进口塞两侧的负压力差而移动到解锁位置并响应于进口腔与燃料填充、燃料排出或监视设备之间的压力平衡而移动到锁定位置。
依据本发明的其他方面，这里提供了一种可松脱地锁定一连接机构的锁定方法，连接机构使核反应堆的压力燃料管道的末端零件与压力燃料填充、燃料排出或监视设备的进口密封接合，末端零件具有可移去的燃料管道封口塞，进口在其远端具有进口腔以及可移去的进口塞，进口塞限定进口腔与燃料填充、燃料排出或监视设备之间的压力边界，所述方法包括：操作连接机构以密封接合进口与末端零件；将进口腔加压至燃料填充、燃料排出或监视设备的压力；将进口塞移至燃料填充、燃料排出或监视设备内部；将燃料填充、燃料排出或监视设备加压至燃料管道的压力；将燃料管道封口塞移至燃料填充、燃料排出或监视设备内部；对燃料管道进行燃料填充、燃料排出或监视；放回燃料管道封口塞和进口塞；对进口腔减压；感测进口腔与燃料填充、燃料排出或监视设备之间的压力差；和响应于压力平衡，致动推杆和活塞以锁定连接机构，并响应于负压力差，停止致动推杆和活塞以解锁连接机构。
附图说明
图1是燃料管道末端零件通过本发明的锁定装置与燃料填充机进口连接时初始位置的横截面图
图2是本发明的锁定装置处于脱离位置的横截面图。
图3是本发明的锁定装置处于接合位置的横截面图。
具体实施方式
CANDU反应堆的燃料管道通过遥控燃料填充机的方法加燃料，该燃料填充机从燃料管道中移去耗尽的燃料棒束并用新的燃料棒束替换它们。耗尽的燃料棒束和新的燃料棒束存放在燃料填充机的燃料输入孔中。为了进行续加燃料，燃料填充机的头部如图1所示的方式连接在燃料管道上。燃料管道10是一内径大约4英寸(0.10m)的纵向柱状装置，并且被用于容纳一串首尾相连的燃料棒束。高压重水或轻水冷却剂在一末端进入燃料管道10中，流过这些燃料棒束来冷却这些燃料棒，移去裂变过程中产生的热量，并且从燃料管道10的另一末端流出。一末端零件，其中之一如参考标号12所示，被附加在燃料管道10的每个末端上。封口塞，其中之一如参考标号14所示，是可以从燃料管道10上移除的封口件，它们配合到每个末端零件12的远端内，并且起着容纳燃料管道10内容物的作用。燃料管道10的压力边界是在封口塞14上。
燃料填充机的头部是一压力容器，它容纳着一燃料装载机构。燃料装载储料容器(其中的一段如参考标号20所示)接纳燃料到空位，用于插入到燃料管道10中以及从燃料管道10中移除。进口22是燃料填充机储料容器20的一管状延伸物，通过进口22燃料棒束进入到燃料管道10中。燃料填充机进口塞24是位于进口22里的一可移除封口件。燃料填充机的压力边界是在进口塞24上。
在末端零件12和进口22之间的一金属密封件受到夹具26的作用。夹具26由臂30上的钳口28组成。钳口28是楔形元件，它们被向下拉到末端零件12外侧上的槽32里，从而将末端零件12和进口22紧紧的拉在一起。一进口驱动装置驱动夹具26。在图1所示的实施例中，进口驱动装置是一由在末端零件12上的夹管34、环形齿轮36和齿条38组成的螺旋线性致动器(screw-based linear actuator)。齿条38驱动环形齿轮36，环形齿轮36将圆管拉回燃料填充机，并且向夹具26上加压，从而导致钳口28的活动。其他类型的进口驱动装置也可能被使用，例如，齿条和小齿轮(pinion)或制动盘(sprag disc)类型的装置。当末端零件12和进口22被密封时，进口塞24远端周围的体积被容纳，并且被指示为进口腔16。
本发明的锁定装置，如图1中参考标号40所示以及在图2和3中更细节的显示，作用于进口驱动装置上，从而防止末端零件12和进口22的松开。参考图2，该锁定装置有一被机壳42封装的推杆和活塞型装置。活塞44和弹簧46占用液压活塞腔48。弹簧46被接合在活塞腔48的底盘上，并且偏置在活塞44的底部，从而，当弹簧46被压缩时，活塞44被定位到活塞腔48里的下部，当弹簧46伸展时，活塞44被定位到活塞腔的上部处。杆50从活塞44的顶部伸出，穿过机壳42的上部。杆50的上段穿过套管52潜在地与齿条38接合。
推杆密封54和活塞密封56分别为推杆50和活塞44提供流体密封。密封54、56可能是环形密封圈、T型密封或其他形式的密封。推杆50有润滑装置(未示出)和润滑脂压力密封(grease wiper seal)58。该活塞和锁定装置的直径可以是任何适合的尺寸。在一使用通常的进口驱动装置的锁定装置里，活塞直径大约是2英寸(0.05m)，推杆直径大约是1英寸(0.025m)，并且弹簧的承载力在它的展开位置大约是52磅(231.4N)。
锁定装置40以图1所示的方式连接到燃料填充机储料容器20和进口腔16上。进口连接管60附在活塞端口62上，并且将进口腔16与活塞腔48的活塞那侧通过活塞管道64连接起来。储料容器连接管66附在推杆端口68上，并且通过推杆管道70将燃料填充机储料容器20连接到活塞腔48的推杆一侧。管60和66以任意合适的方式连接到进口腔16和燃料填充机储料容器20上，并且，优选的是，为了便利，它们先于压力线或端口(pressurelines or ports)存在。
一磁体杆72被安装在一拧入活塞44到管73内的螺纹杆上。簧片类型的磁性开关74固定在管73的外侧的固定位置。开关74监测磁体位置，以允许活塞44位置的遥测。
排放口76具有如果推杆密封54失效就排放流体的水平管道78，以及排放任何可能渗入进口驱动机构中的流体的垂直管道80。
为了填充一燃料管道，燃料填充机头部储料容器20被移动到反应堆表面，并且进口22通过夹具26连接在末端零件12上。假设反应堆处于工作模式，燃料管道10中的压力处于反应堆工作压力。燃料填充机储料容器20中的压力处于停止压力(park pressure)并且进口腔16中的压力处于反应堆建筑物压力(reactor building pressure)。停止压力是在冷却容纳在燃料填充机储料容器20中的耗尽的燃料时需要的压力。更明确的说，它等于在燃料填充机头部里的最小压力，该最小压力必须保证冷却剂通过从燃料填充机头部伸出的冷却管道回流。一旦进口22和末端零件12被夹持在一起，那么进口腔16的泄漏检查就被执行。进口腔16通过一管道(未示出)增压至储料容器停止压力，这里未示出的管道可能是独立的或者可自管道60的T形部分延伸。
一旦进口腔16和燃料填充机储料容器20里的压力相等，一滑块装置(ram assembly)拉回进口塞进入燃料填充机的内部储料容器中。然后，燃料填充机里的压力上升到反应堆工作时的压力。一旦燃料管道10，进口腔16和燃料填充机储料容器20里的压力相等，一滑块装置将封口塞14拉回到燃料填充机的内部储料容器中。当燃料管道续加燃料完成时，滑块装置放回封口塞14，并且燃料填充机内的压力被减小到燃料填充机停止压力。然后滑块装置放回进口塞24。一旦进口腔16被通气至反应堆建筑物压力，那么该进口驱动装置操作分离夹具26并且燃料填充机从反应堆表面移开。
当末端零件12开始被夹持在进口22上时，燃料填充机储料容器20内的压力和进口腔16内的压力之间的压差足够在活塞腔48的推杆一侧产生足够大的压力来保持弹簧46被压缩并且杆50在套管52内。在这种情形下，锁定装置40处于如图2所示的分离位置。燃料填充机储料容器和进口腔压力一相等允许进口塞24移开时，由于活塞44表面积较大，活塞腔48的活塞一侧的压力和弹簧46使得活塞44在活塞腔48内升高以及杆50从套管52中脱出，并与附着在齿条38底部的一阻挡架重叠。或者，齿条38的底部可有一凹槽，大小刚好用于杆50的栓状插入物插入。杆50和齿条38的接合固定了进口驱动装置，从而夹具26不能松开。在这种情况下，锁定装置40处于它的接合位置。当燃料填充机压力升至反应堆工作压力并且管道封口塞14被移开时，锁定装置40保持接合，并且在整个续加燃料的过程继续保持接合。一旦燃料填充完成并且管道封口塞14和进口塞24被放回，进口腔16被排放至反应堆建筑物压力，尽管燃料填充机储料容器仍然保持停止压力。当燃料填充机储料容器相对进口腔的正压差足够大时，锁定装置40脱离开来。连接到活塞腔48推杆一侧的燃料填充机储料容器压力驱动活塞44向下，并且在该进口机构驱动中，杆50从阻挡物或齿条38上的凹槽中缩回。
储料容器连接管66优选的是放置在进口连接管60的前面，这样任何对管的机械损害都首先影响的是储料容器连接管66。这保证了在这些情况下锁定装置40保持接合状态。
本发明有许多优点。
该锁定装置在续加燃料过程的早期就接合，并且，更明确地，在燃料填充机与反应堆联机之前接合。
另外，如果当燃料管道向燃料填充机开放时，燃料管道中的压力减小或损耗，储料容器相对进口腔的压差将不存在而且锁定装置仍将保持接合。甚至如果储料容器和进口腔中所有的压力消失时，该弹簧将起到保持锁定装置接合的作用。结果，如果有冷却剂意外损耗、主流线破裂或其它类似干扰或意外情况发生，该锁定装置将保持接合并且确保燃料填充机不会与燃料管道分离。在这些情况下不仅意外松开夹持是一个较大的危险，而且在这样的事件中锁定装置保持接合状态是尤其重要的，因为假如燃料填充机在干扰或意外情况时从燃料管道上分离，那么反应堆冷却剂的泄漏或核燃料的漏出的严重程度将会更大。
本发明的锁定装置较之前技术锁定装置的另一个优点是它在反应堆关闭情况时能工作。当反应堆处于关闭模式时，反应堆的压力通常小于大约50psi(344.75kPa)。续加燃料通常在反应堆处于这个模式时进行。该过程与反应堆处于工作模式时相同，并且相对的压力顺序也相同。因为锁定装置的接合与脱离独立于进口腔与燃料容器的压差，一旦储料容器和进口腔的压力相等，该锁定装置立刻接合。先前技术的锁定装置在反应堆关闭情况下不能工作。
本发明的锁定装置的另一个优点是当进口塞被移开时，防止处于降低水平条件时燃料填充机从燃料端口移开。该条件出现于在燃料容器头部的液位降低至允许燃料通过空气从重水进入轻水中。如果进口塞没有密封完全，那么泄漏速率将会过高，并且进口腔内的压力将会增加，导致锁定装置接合。从而燃料填充机就能停留在此位置并捕捉到泄漏。该锁定装置的接合同样允许在用改进的密封来插入塞子方面的其它尝试。在进口塞不到位时燃料填充机从燃料端口移开使得可能氚从进口泄漏，以及空气和气体进入储料容器冷却剂中，这将会影响pH值并可能导致氧化和沉淀，如D2O的激荡(sloshing)。
本发明的锁定装置提供了进一步的操作安全的优点。在续加燃料的过程中，封口塞的泄漏检查通常是在进口腔处于停止压力时执行。在这样的泄漏检查时，本发明的锁定装置保持接合。或者，封口塞检查可在进口腔处于大气压时执行以允许合并封口塞/进口塞的泄漏检查。在这种情况下，先于泄漏检查该锁定装置缩回，但是如果进口腔内压力上升到预设水准之上时，将会重新接合。
虽然锁定装置被描述用于燃料填充机，但是它也能用于燃料排出机或监视器，它们都是以类似于燃料填充机的方式与燃料管道连接的压力容器。
该锁定装置被描述为使用相关的由夹持臂上的钳口组成的夹持机构。应当注意的是其它夹持或密封机构可被使用，并且该锁定装置提供了一种固定这些替代机构的装置。
参照本发明优选的实施例，本发明被显示和描述。可理解的在本发明的精神和范围里可能产生偏差。

Claims (1)

1.一种可松脱地锁定一连接机构的方法，该连接机构使核反应堆的压力燃料管道的末端零件与压力燃料填充、燃料排出或监视设备的进口密封接合，末端零件具有可移去的燃料管道封口塞，进口在其远端具有进口腔以及可移去的进口塞，进口塞限定进口腔与燃料填充、燃料排出或监视设备之间的压力边界，所述方法包括：
操作连接机构以密封接合进口与末端零件；
提供包括推杆和活塞的锁定机构；
将进口腔加压至燃料填充、燃料排出或监视设备的压力；
响应于压力平衡，将进口塞移至燃料填充、燃料排出或监视设备内部，并致动推杆和活塞以锁定连接机构；
将燃料填充、燃料排出或监视设备加压至燃料管道的压力；
将燃料管道封口塞移至燃料填充、燃料排出或监视设备内部；
对燃料管道进行燃料填充、燃料排出或监视；
放回燃料管道封口塞和进口塞；
对进口腔减压；
感测进口腔与燃料填充、燃料排出或监视设备之间的压力差；和
当燃料填充机储料容器相对进口腔的正压差足够大时，停止致动推杆和活塞以解锁连接机构。 
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