CN112151200A - 一种放射性石墨深孔远距离取样系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于核反应堆取样技术领域，具体涉及一种放射性石墨深孔远距离取样系统，用于对核反应堆内的石墨深孔(7)进行钻孔取样，包括尾端设置在外部承载平台(8)上的伸缩臂(9)，伸缩臂(9)的顶端设置取样执行器(10)，取样执行器(10)能够通过伸缩臂(9)进入石墨深孔(7)内，取样执行器(10)能够固定在石墨深孔(7)内并在远程的控制系统的控制下进行钻孔取样。本发明在不破坏核反应堆结构的前提下，能够顺利完成从核反应堆的石墨深孔(7)内通过远距离控制的方式取出一根长600mm，直径18mm的石墨棒样品。

Description

一种放射性石墨深孔远距离取样系统
技术领域
本发明属于核反应堆取样技术领域，具体涉及一种放射性石墨深孔远距离取样系统。
背景技术
核反应堆内设有一个水平方向的石墨砌体组成的方形深孔，方孔直径从外到内为400mm×400mm，350mm×350mm和300mm×300mm，需要从方孔内壁钻取一根长600mm的石墨棒样品。要求石墨棒样品完整，中间不能断裂。而且钻取过程中石墨表面温度不得超过50℃。取样点距离操作位置约3.6m，见图1。由于核反应堆长期运行，石墨存在放射性，只能采取远距离操作进行取样。
根据国内专利最新查询结果，目前没有一种针对核反应堆内放射性石墨深孔钻孔取样的专用工具。
发明内容
针对核反应堆内的放射性石墨深孔取样的需要，根据反应堆结构和取样要求，设计一套远距离取样工具，完成在水平方向的石墨深孔取样的任务。
为达到以上目的，本发明采用的技术方案是一种放射性石墨深孔远距离取样系统，用于对核反应堆内的石墨深孔进行钻孔取样，其中，包括尾端设置在外部承载平台上的伸缩臂，所述伸缩臂的顶端设置取样执行器，所述取样执行器能够通过所述伸缩臂进入所述石墨深孔内，所述取样执行器能够固定在所述石墨深孔内并在远程的控制系统的控制下进行钻孔取样。
进一步，所述取样执行器包括圆柱形的执行器主框架，所述执行器主框架的尾端与所述伸缩臂相连，所述执行器主框架的顶端设有顶针，用于将所述取样执行器的顶端固定在所述石墨深孔上；在所述执行器主框架内部设有平行的丝杠和钻杆；所述钻杆的尾端设有钻机电机，所述钻杆顶端的钻头延伸到所述执行器主框架的顶端之外，所述钻机电机用于带动所述钻杆旋转进行钻孔取样；所述钻杆的尾端与所述丝杠连接，所述丝杠的一端设有进给电机，通过所述进给电机带动所述丝杠旋转，进而推动所述钻杆沿轴线前后运动，进行钻孔取样；通过程序控制所述钻杆进退来快速排屑，防止粉尘阻塞所述钻杆。
进一步，在所述执行器主框架的顶端还设有导向座，所述钻杆的顶端穿过所述导向座延伸到所述执行器主框架的顶端之外，所述导向座用于约束所述钻杆的离心跳动；所述执行器主框架内还设有直线导轨，所述钻杆穿设在所述直线导轨中，通过所述进给电机、所述丝杠和所述直线导轨保证所述钻杆进给的直线精度。
进一步，还包括设置在所述直线导轨尾端的主滑块和设置在所述钻机电机上的副滑块，所述主滑块连接第一行程开关；所述主滑块和所述副滑块之间设有导轨，用以使所述主滑块和所述副滑块产生相对滑动，并且所述主滑块和所述副滑块之间还设有弹簧连接，不工作时，由于所述弹簧的拉力，所述主滑块和所述副滑块处于相对静止，工作时，所述主滑块和所述副滑块会产生相对滑动，当相对滑动达到最大时，所述副滑块会触发所述第一行程开关，所述第一行程开关将信号传至所述控制系统，停止进给。
进一步，在所述执行器主框架的顶端内部还设有第二行程开关，所述第二行程开关靠近所述顶针的尾端，所述顶针穿设在弹簧上，当顶针受力被压缩到设定的行程时，所述顶针的尾端会触发所述第二行程开关，所述第二行程开关发出信号，传至所述控制系统，所述控制系统锁定所述伸缩臂不再进给。
进一步，还包括设置在所述执行器主框架内的摄像头组件，用于远距离视频观察、录像。
进一步，还包括设置在所述执行器主框架内的照明组件，用于工作空间照明。
进一步，还包括设置在所述执行器主框架上的快速拔插组件，用于运输拆装所述执行器主框架以及便于取样后快速收集石墨样品。
进一步，还包括设置在所述执行器主框架上的防尘组件，用于在取样过程中减轻石墨粉尘逸出至环境中。
本发明的有益效果在于：在不破坏核反应堆结构的前提下，能够顺利完成从核反应堆的石墨深孔7内通过远距离控制的方式取出一根长600mm，直径18mm的石墨棒样品。
附图说明
图1是核反应堆内的水平方向的石墨砌体组成的方形深孔的示意图；
图2是本发明具体实施方式中所述的一种放射性石墨深孔远距离取样系统的示意图(设置在石墨深孔7中)；
图3是本发明具体实施方式中所述的取样执行器10的示意图；
图4是本发明具体实施方式中所述的取样执行器10中主滑块19和副滑块20位置的局部放大示意图；
图中：1-石墨块，2-混凝土支撑结构，3-取样位置，4-屏蔽门，5-碳钢板，6-地面，7-石墨深孔，8-外部承载平台，9-伸缩臂，10-取样执行器，11-执行器主框架，12-顶针，13-丝杠，14-钻杆，15-进给电机，16-钻机电机，17-导向座，18-直线导轨，19-主滑块，20-副滑块，21-第一行程开关，22-第二行程开关。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
如图1所示，在核反应堆水平方向有一个石墨块砌成的方形深孔(图中的7所指)，按孔径分为三段，外部方孔尺寸为400mm×400mm，中间方孔尺寸为350mm×350mm，内部方孔尺寸为300mm×300mm。该石墨孔距离地面高度1.1m，取样位置距离房间操作位置约3.5m。
如图2所示，本发明提供的一种放射性石墨深孔远距离取样系统，用于对核反应堆内的石墨深孔7进行钻孔取样，其中，包括尾端设置在外部承载平台8上的三段式的伸缩臂9，伸缩臂9的顶端设置取样执行器10，取样执行器10能够通过伸缩臂9进入石墨深孔7内，取样执行器10能够固定在石墨深孔7内并在远程的控制系统的控制下进行钻孔取样(视频遥控的方式远程操作)。
本发明需要解决的技术难点包括以下四点：
(1)伸缩臂9的悬臂长度约4m，设备运行时存在不可克服的弹性震动；
(2)钻机钻进深度600mm，钻进过程中可能会卡钻；
(3)如何判断钻机钻透石墨层(石墨层背面附着一层3mm厚碳钢板5，不允许破坏碳钢板5)；
(4)伸缩臂9进给时，如不能感知到位信号，会造成撞击事故，可能损坏设备。
如图3所示，取样执行器10包括圆柱形的执行器主框架11，执行器主框架11的尾端与伸缩臂9相连，执行器主框架11的顶端设有若干个顶针12，用于将取样执行器10的顶端固定在石墨深孔7上。取样执行器10深入石墨深孔7顶到孔道末端石墨壁时，顶针12插入石墨块，产生了多个方向(上下和左右方向)的约束，使外部承载平台8、伸缩臂9、取样执行器10组成的悬臂梁静定结构转变成二度超静定结构。采用这种设计可以可靠的消除震动，解决了技术难点1。
在执行器主框架11内部设有平行的丝杠13和钻杆14；钻杆14的尾端设有钻机电机16，钻杆14顶端的钻头延伸到执行器主框架11的顶端之外，钻机电机16用于带动钻杆14旋转进行钻孔取样；钻杆14的尾端与丝杠13连接，丝杠13的一端设有进给电机15，通过进给电机15带动丝杠13旋转，进而推动钻杆14沿轴线前后运动，进行钻孔取样；通过程序控制钻杆14进退来快速排屑，防止粉尘阻塞钻杆14，解决了技术难点2；
在执行器主框架11的顶端还设有导向座17，钻杆14的顶端穿过导向座17延伸到执行器主框架11的顶端之外，导向座17用于约束钻杆14的离心跳动；执行器主框架11内还设有直线导轨18，钻杆14穿设在直线导轨18中，通过进给电机15、丝杠13和直线导轨18保证钻杆14进给的直线精度。
如图4所示，还包括设置在直线导轨18尾端的主滑块19和设置在钻机电机16上的副滑块20，主滑块19连接第一行程开关21；主滑块19和副滑块20之间设有微型导轨，用以使主滑块19和副滑块20产生相对滑动，并且主滑块19和副滑块20之间还设有弹簧连接，不工作时，由于弹簧的拉力，主滑块19和副滑块20处于相对静止，工作时，受到较大力时，主滑块19和副滑块20会产生相对滑动，当相对滑动达到最大时，副滑块20会触发第一行程开关21，第一行程开关21将信号传至控制系统，停止进给。正常钻进时，由于钻进速度较快，两滑块相对位移不会触发第一行程开关21，当钻到碳钢板5时，由于钻杆14对碳钢板5的钻进能力慢于对石墨的钻进能力，故会触发第一行程开关21，控制系统工控机判断打到碳钢板5，给出停止钻进信号，停止进给，解决了技术难点。
在执行器主框架11的顶端内部还设有第二行程开关22，第二行程开关22靠近顶针12的尾端，顶针12穿设在弹簧上，当顶针12受力被压缩到设定的行程时，顶针12的尾端会触发第二行程开关22，第二行程开关22发出信号，传至控制系统，提示控制系统工控机伸缩臂9进给到位，控制系统工控机收到信号后，锁定伸缩臂9不再进给，强制停止伸缩臂9进给，避免撞机，解决了技术难点4。
还包括设置在执行器主框架11内的摄像头组件，用于远距离视频观察、录像。
还包括设置在执行器主框架11内的照明组件，用于工作空间照明。
还包括设置在执行器主框架11上的快速拔插组件，用于运输拆装执行器主框架11以及便于取样后快速收集石墨样品。
还包括设置在执行器主框架11上的防尘组件，用于在取样过程中减轻石墨粉尘逸出至环境中。
最后举例说明本发明的实际应用。
第一步：将外部承载平台8推送至石墨深孔7正前方。
第二步：开启电控系统，将伸缩臂9升至石墨深孔7的中心高度；
第三步：打开屏蔽门4，远程控制伸缩臂9深入石墨深孔7中，当顶针12顶住石墨块1并触第二行程开关22后，通过显示器观察顶针12已经固定，钻头已经顶住石墨。
第四步：启动进给电机15和钻机电机16，进行钻孔取样，取样过程中注意观察钻速、温度、电流。
第五步：当钻头电流超过设定值时，控制系统自动停止进给电机15和钻机电机16。
第六步：控制伸缩臂9从石墨深孔7中退出。关闭屏蔽门4。
第七步：拆开执行器主框架11上的快速拔插组件(快速接头)，将石墨样品从钻头中取出放入专用保存容器中密封保存。
第八步：将外部承载平台8推离石墨深孔7位置，进行吸尘去污。
本发明所述的装置并不限于具体实施方式中所述的实施例，本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围。

Claims (9)

1.一种放射性石墨深孔远距离取样系统，用于对核反应堆内的石墨深孔(7)进行钻孔取样，其特征是：包括尾端设置在外部承载平台(8)上的伸缩臂(9)，所述伸缩臂(9)的顶端设置取样执行器(10)，所述取样执行器(10)能够通过所述伸缩臂(9)进入所述石墨深孔(7)内，所述取样执行器(10)能够固定在所述石墨深孔(7)内并在远程的控制系统的控制下进行钻孔取样。
2.如权利要求1所述的放射性石墨深孔远距离取样系统，其特征是：所述取样执行器(10)包括圆柱形的执行器主框架(11)，所述执行器主框架(11)的尾端与所述伸缩臂(9)相连，所述执行器主框架(11)的顶端设有顶针(12)，用于将所述取样执行器(10)的顶端固定在所述石墨深孔(7)上；在所述执行器主框架(11)内部设有平行的丝杠(13)和钻杆(14)；所述钻杆(14)的尾端设有钻机电机(16)，所述钻杆(14)顶端的钻头延伸到所述执行器主框架(11)的顶端之外，所述钻机电机(16)用于带动所述钻杆(14)旋转进行钻孔取样；所述钻杆(14)的尾端与所述丝杠(13)连接，所述丝杠(13)的一端设有进给电机(15)，通过所述进给电机(15)带动所述丝杠(13)旋转，进而推动所述钻杆(14)沿轴线前后运动，进行钻孔取样。
3.如权利要求2所述的放射性石墨深孔远距离取样系统，其特征是：在所述执行器主框架(11)的顶端还设有导向座(17)，所述钻杆(14)的顶端穿过所述导向座(17)延伸到所述执行器主框架(11)的顶端之外，所述导向座(17)用于约束所述钻杆(14)的离心跳动；所述执行器主框架(11)内还设有直线导轨(18)，所述钻杆(14)穿设在所述直线导轨(18)中，通过所述进给电机(15)、所述丝杠(13)和所述直线导轨(18)保证所述钻杆(14)进给的直线精度。
4.如权利要求3所述的放射性石墨深孔远距离取样系统，其特征是：还包括设置在所述直线导轨(18)尾端的主滑块(19)和设置在所述钻机电机(16)上的副滑块(20)，所述主滑块(19)连接第一行程开关(21)；所述主滑块(19)和所述副滑块(20)之间设有导轨，用以使所述主滑块(19)和所述副滑块(20)产生相对滑动，并且所述主滑块(19)和所述副滑块(20)之间还设有弹簧连接，不工作时，由于所述弹簧的拉力，所述主滑块(19)和所述副滑块(20)处于相对静止，工作时，所述主滑块(19)和所述副滑块(20)会产生相对滑动，当相对滑动达到最大时，所述副滑块(20)会触发所述第一行程开关(21)，所述第一行程开关(21)将信号传至所述控制系统，停止进给。
5.如权利要求4所述的放射性石墨深孔远距离取样系统，其特征是：在所述执行器主框架(11)的顶端内部还设有第二行程开关(22)，所述第二行程开关(22)靠近所述顶针(12)的尾端，所述顶针(12)穿设在弹簧上，当顶针(12)受力被压缩到设定的行程时，所述顶针(12)的尾端会触发所述第二行程开关(22)，所述第二行程开关(22)发出信号，传至所述控制系统，所述控制系统锁定所述伸缩臂(9)不再进给。
6.如权利要求5所述的放射性石墨深孔远距离取样系统，其特征是：还包括设置在所述执行器主框架(11)内的摄像头组件，用于远距离视频观察、录像。
7.如权利要求5所述的放射性石墨深孔远距离取样系统，其特征是：还包括设置在所述执行器主框架(11)内的照明组件，用于工作空间照明。
8.如权利要求5所述的放射性石墨深孔远距离取样系统，其特征是：还包括设置在所述执行器主框架(11)上的快速拔插组件，用于运输拆装所述执行器主框架(11)以及便于取样后快速收集石墨样品。
9.如权利要求5所述的放射性石墨深孔远距离取样系统，其特征是：还包括设置在所述执行器主框架(11)上的防尘组件，用于在取样过程中减轻石墨粉尘逸出至环境中。
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