CN115512864B - 一种向下开盖的反应堆装换料系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种向下开盖的反应堆装换料系统及方法，涉及核电检修技术领域，解决了现有换料技术路径长、拆装难度大的问题，缩短了路径、降低了拆装难度，具体方案如下：包括位于堆芯水池水下且处于反应堆压力容器下方的转运装置和设置在乏池区域水下的换料台架，堆芯水池内还设有用于将转运装置举升的升降平台，升降平台靠近于换料台架，所述转运装置上固定设有举升装置，举升装置的顶部固定设有用于调整托盘姿态的姿态调整装置，所述托盘上设有用于螺栓拆装的螺栓操作装置，乏池区域处还设有桥吊和换料机，所述桥吊用于反应堆压力容器下部结构在换料台架与转运装置之间的转移。
Description
技术领域
本发明涉及核电检修技术领域，特别是涉及一种向下开盖的反应堆装换料系统及方法。
背景技术
反应堆装换料系统是系统性解决反应堆开盖和堆芯燃料组件更换的系统。现有技术中，压水堆装换料系统均是采用从上方开盖的方式，也即使用厂房吊车及专用工器具，从反应堆上方依次移除反应堆顶贯穿件、反应堆压力容器顶盖，再依次吊出控制棒驱动机构、上部堆内构件和堆内测量格架，然后在反应堆内依次进行单个燃料组件的更换操作。
发明人发现，现有的换料技术，存在的不足主要有：
第一方面，由于采用从上方依次开盖后进行堆内换料的方式，先后进行的反应堆部件拆解和换料的各步骤不能并行开展，换料关键路径较长；
第二方面，反应堆顶部具有的各种贯穿件结构拆装是核电厂换料路径中耗时较长的部分，特别是自压水反应堆发展到第三代以来，采用了堆芯仪表贯穿件从上方贯穿反应堆压力容器的方式，从上部拆装堆内核测贯穿件和堆芯测量仪表组件等数量众多结构复杂，拆装工艺更加困难；
第三方面，对于得到了较大发展的一体化堆等紧凑型反应堆，由于高度紧凑的全内置布局，安全壳和反应堆压力容器都有复杂的堆顶贯穿件，反应堆内部有紧凑的内置控制棒驱动机构和换热组件，不仅从上方开盖操作的难度进一步增加，也严重制约了从上方将装卸料机的伸缩式套筒深入堆内进行燃料组件操作的可实施性。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种向下开盖的反应堆装换料系统及方法，通过采用向下开盖的反应堆装换料系统，克服了现有换料技术所采用的从上方依次开盖的换料方式所带来的关键路径较长问题，简化反应堆顶贯穿件的拆装工艺和难度，并对一体化堆等紧凑型反应堆的开盖换料提供了可实施的实现方式。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
第一方面，本发明提供了一种向下开盖的反应堆装换料系统，包括位于堆芯水池水下且处于反应堆压力容器下方的转运装置和设置在乏池区域水下的换料台架，堆芯水池内还设有用于将转运装置举升的升降平台，升降平台靠近于换料台架，所述转运装置上固定设有举升装置，举升装置的顶部固定设有用于调整托盘姿态的姿态调整装置，所述托盘上设有用于螺栓拆装的螺栓操作装置，乏池区域处还设有桥吊和换料机，所述桥吊用于反应堆压力容器下部结构在换料台架与转运装置之间的转移。
作为进一步的实现方式，所述堆芯水池的池底设有轨道，轨道位于反应堆压力容器下方与升降平台之间，所述转运装置为在轨道上水平运动的小车结构，用于在转运位置和堆腔位置之间对托盘进行转运。
作为进一步的实现方式，所述反应堆压力容器为一个具有换料法兰以及内部构件的压力容器，位于换料法兰上方的容器部分与其内部的控制棒驱动机构、上部堆内构件、堆内测量格架共同构成一体化上部吊装结构，位于换料法兰下方的容器部分承载堆芯吊篮和堆芯。
作为进一步的实现方式，所述堆芯吊篮为一个包含堆芯的吊篮结构体，用于实现堆芯整体吊装和堆外换料。
作为进一步的实现方式，所述反应堆压力容器和托盘上设有导向装置，导向装置为若干对设置在托盘和反应堆压力容器上的机械导向副，用于在反应堆压力容器开合盖过程中为托盘提供对中导向。
作为进一步的实现方式，所述姿态调整装置由同轴设置的回转平台和平移平台组成，回转平台固定设置在举升装置的顶部，平移平台位于回转平台的上方且通过万向球轴承和丝杠导轨机构与回转平台连接，平移平台为圆环结构，所述托盘固定设置在平移平台上。
作为进一步的实现方式，所述回转平台由通过液压缸驱动的下回转单元和上回转单元组成，上回转单元与下回转单元均为圆环结构，下回转单元与上回转单元同轴设置且通过轴承连接。
作为进一步的实现方式，万向球轴承和丝杠导轨机构均固定设置在所述上回转单元上，丝杠导轨机构分为X轴机构和Y轴机构，X轴机构固定设置在上回转单元上，Y轴机构滑动设置在X轴机构上，移动平台滑动设置在Y轴机构上。
第二方面，本发明提供了一种向下开盖的反应堆装换料方法，具体如下：
转运装置从升降平台处移动到位于反应堆正下方的堆腔位置；
举升装置将托盘举升，使托盘从下方靠近反应堆压力容器法兰面并进入导向装置的导向行程；
姿态调整装置对托盘的位置、水平度和径向方位角进行末端姿态调整，实现和反应堆压力容器法兰面的对接；
对反应堆压力容器法兰螺母进行拆解、回收；
举升装置通过托盘带动包含堆芯在内的反应堆压力容器下部结构下降；
转运装置从堆腔位置转运到升降平台处，将包含了堆芯在内的反应堆压力容器下部结构吊装到换料台架上；
对位于换料台架上的堆芯进行燃料组件更换；更换完成后，将反应堆压力容器下部结构吊装回转运装置，利用转运装置转运并将反应堆压力容器下部结构回装；
回装完成后，转运装置重新移动到升降平台处。
作为进一步的实现方式，在将包含了堆芯在内的反应堆压力容器下部结构吊装到换料台架上时，需要保证反应堆压力容器下部结构内的燃料组件具有屏蔽水层。
上述本发明的有益效果如下：
(1)本发明通过采用向下开盖的反应堆装换料系统，反应堆开盖并转运后可以紧序进行堆芯燃料组件的替换操作，相较于现有压水堆换料技术可以将从上方依次开盖的一系列操作从换料关键路径脱离，即便因在役检查等需要对反应堆上部部件进一步拆解，也可以和后续进行的堆芯燃料组件更换操作同步进行，缩短大修路径，提升电厂运维经济性；同时，向下开盖的换料方式，可以克服复杂的反应堆顶贯穿件的拆装问题，有益于第三代压水堆和紧凑型小堆等堆等难于实施堆顶贯穿件拆装的反应堆。
(2)本发明姿态调整装置具有位置、水平度和径向方位角等多个自由度调节的能力，用于举升阶段末端的姿态小幅调整，有效实现了托盘与反应堆压力容器法兰面下缘的精准对接。
(3)本发明在平移平台与上回转单元之间设置了万向球轴承，能够有效减小平移平台与上回转单元之间的摩擦，不仅方便了平移平台位置的调整，还保证了姿态调整装置的使用寿命。
(4)本发明采用了向下开盖的换料方式，反应堆压力容器下部结构整体转运后可在堆芯上方进行敞开式换料，极大的降低了堆芯燃料组件更换操作的难度，有益于堆内空间紧凑狭窄、难以采用传统方式进行换料的一体化堆等紧凑型反应堆。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明根据一个或多个实施方式的压水反应堆进行换料的第一状态(转运装置运行到堆腔位置)示意图；
图2是本发明根据一个或多个实施方式的压水反应堆进行换料的第二状态(举升装置举升到位)示意图；
图3是本发明根据一个或多个实施方式的压水反应堆进行换料的第三状态(姿态调整装置调整到位，实现法兰对接)示意图；
图4是本发明根据一个或多个实施方式的压水反应堆进行换料的第四状态(螺栓操作装置实现法兰面拆解)示意图；
图5是本发明根据一个或多个实施方式的压水反应堆进行换料的第五状态(举升装置下降)示意图；
图6是本发明根据一个或多个实施方式的压水反应堆进行换料的第六状态(转运装置运行到转运位置)示意图；
图7是本发明根据一个或多个实施方式的压水反应堆进行换料的第七状态(反应堆压力容器下部结构吊装到换料台架)示意图；
图8是本发明根据一个或多个实施方式的压水反应堆进行换料的第八状态(堆芯换料)示意图；
图9是本发明根据一个或多个实施方式的压水反应堆进行换料的第九状态(反应堆压力容器下部结构回装)示意图；
图10是本发明根据一个或多个实施方式的压水反应堆进行换料的第十状态(转运小车通过升降平台起升到操作平台)示意图；
图11是本发明根据一个或多个实施方式的姿态调整装置的主视结构示意图；
图中：为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意使用；
其中，1、托盘；2、举升装置；3、姿态调整装置；31、下回转单元；32、上回转单元；33、液压缸；34、万向球轴承；35、平移平台；36、丝杠导轨机构；4、转运装置；5、导向装置；6、升降平台；7、换料台架；8、反应堆压力容器；9、堆芯吊篮；10、换料机；11、吊具；12、桥吊。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
正如背景技术所介绍的，现有的从上方依次开盖后进行堆内换料的方式存在着换料关键路径较长、从上部拆装堆内核测贯穿件和堆芯测量仪表组件等数量众多结构复杂，拆装工艺更加困难的问题，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种向下开盖的反应堆装换料系统及方法。
实施例1
本发明的一种典型的实施方式中，如图1-图10所示，提出一种向下开盖的反应堆装换料系统，包括，托盘1、举升装置2、姿态调整装置3、转运装置4、升降平台6、换料台架7、反应堆压力容器8、换料机10、吊具11以及桥吊12。
其中，举升装置2为一个具有若干级液压缸顶升结构的顶升装置，举升装置2固定设置在转运装置4上，用于在竖直方向上，对载有反应堆压力容器下部结构或空载的托盘1的升降，其升降行程可以满足反应堆压力容器下部结构和上部结构的完全脱离。
转运装置4位于堆芯水池水下且处于反应堆压力容器8的下方，转运装置4为一个可以实现水平运动的转运载具，具体的，本实施例中转运装置4为一个在轨道上水平运行的小车结构，轨道设置在堆芯水池的池底，轨道位于反应堆压力容器8下方与升降平台6之间，小车采用钢丝绳或液压方式驱动，在转运位置和堆腔位置之间对载有反应堆压力容器下部结构或空载的托盘1进行转运。
姿态调整装置3固定设置在举升装置2的顶部，具有位置、水平度和径向方位角多个自由度的执行，用于举升阶段末端姿态的调整，实现托盘1与反应堆压力容器法兰面下缘的精准对接。
托盘1通过支架固定设置在姿态调整装置3上，可以与反应堆压力容器法兰面下缘对接，并在举升过程中承载反应堆压力容器下部结构的重量，托盘1上固定设有螺栓操作装置，螺栓操作装置具有若干个独立的自动螺栓拆装机构和若干个独立的自动螺栓预紧机构，当托盘1与反应堆压力容器法兰面下缘精准对接后可通过螺栓操作装置实现螺栓的自动拆卸/安装。
自动螺栓预紧机构可自适应与螺栓啮合，并完成螺栓的预紧、伸长量测量以及螺母的旋动；自动螺栓拆装机构包括数个设置在支架上的多自由度自动机械臂、相关的仪表以及传感器等，可以自动拆除或安装螺栓、螺母，并将其放置在临时存放结构中。
可以理解的是，自动螺栓预紧机构、自动螺栓拆装机构均为现有技术手段，具体的这里不做过多的赘述。
升降平台6为一个在水下竖直方向上进行升降运行的平台式升降机，可以承载载有反应堆压力容器下部结构或空载的转运装置4进行升降。
换料台架7靠近于升降平台6，换料台架7为一个位于乏池区域水下的用于托载并存放已卸载的反应堆压力容器下部结构的台架结构，并允许换料机10在此位置进行堆芯燃料组件更换操作，本实施例中换料台架7为一个带有支撑环和导向销的专用存放架结构。
换料机10为一个具有在堆外和乏池区域进行燃料组件、内插件操作能力的桥式起重机，换料机10带有伸缩套筒、燃料组件及内插件专用操作抓具。
吊具11具有吊装反应堆压力容器下部结构的能力，桥吊12设置在乏池区域处的换料操作大厅内，为一个具有高定位精度的重载双梁桥式起重机，用于在反应堆装换料期间通过吊具11对反应堆压力容器下部结构进行吊装。
可以理解的是，换料机10、吊具11以及桥吊12均为现有结构，具体的结构形式这里不再过多的赘述。
反应堆压力容器8为一个具有换料法兰以及内部构件的压力容器，即，分为容器外壳及其内部的构件，其中，容器外壳分为上壳和下壳，位于换料法兰上方的容器部分为上壳，可通过自身结构连接，上壳与其内部的控制棒驱动机构、上部堆内构件、堆内测量格架共同构成一体化上部吊装结构，位于换料法兰下方的容器部分为下壳，下壳可以承载堆芯吊篮9和堆芯。
堆芯吊篮9为一个具有整体框架的包含堆芯的吊篮结构体，用于实现堆芯整体吊装和堆外换料，其结构可以容纳堆芯所有燃料组件并进行整体吊装。
反应堆压力容器8和托盘1上设有导向装置5，导向装置5为若干对分别位于托盘1支架/举升装置2上和换料法兰的上部反应堆压力容器上的机械导向副，具体的，托盘1支架上固定设有带有导向槽的导向座，换料法兰的上部反应堆压力容器的下端对应位置上固定设有导向轴，导向轴可插装在导向座内，以用于在反应堆压力容器8开合盖过程中为托盘1提供对中导向，以保证反应堆压力容器8上下部分在开合盖过程中的对中精度。
如图11所示，姿态调整装置3由回转平台和平移平台35组成，回转平台固定设置在举升装置3的顶部，平移平台35位于回转平台的上方，平移平台35通过万向球轴34和丝杠导轨机构36与回转平台连接。
具体的，回转平台由下回转单元31和上回转单元32组成，下回转单元31和上回转单元32均为圆环结构，下回转单元31与上回转单元32同轴设置，二者之间通过轴承(例如平面轴承等)连接；
下回转单元31的上回转单元32的侧部具有向外的凸起，下回转单元31和上回转单元32位于同侧的凸起之间通过液压缸33连接，液压缸33为双向液压缸，液压缸33与其两端的凸起铰接，从而通过液压缸33的伸缩带动上回转单元32转动。
可以理解的是，液压缸33至少设有一个，当液压缸33设有两个时，两个液压缸33应相对设置在回转平台的两侧，通过做相反的伸缩运动带动回转平台转动，以提高回转平台的转动能力。
上回转单元32的上表面均匀固定设有若干万向球轴承34，平移平台35及其以上部分竖直方向载荷由万向球轴承34支撑，上回转单元32上还固定设有丝杠导轨机构36，丝杠导轨机构36分为X轴机构和Y轴机构两层，其中，X轴机构固定设置在上回转单元32上，Y轴机构滑动设置在X轴机构上，Y轴机构通过X轴机构上的丝杠带动，Y轴机构上滑动设有基座，基座通过Y轴机构上的丝杠带动，平移平台35固定设置在基座上，托盘1固定设置在平移平台35上。
平移平台35同样为圆环结构，平移平台35与回转平台同轴设置，同轴设置作为安装基准，可有效保证后续姿态调整的准确性。
可以理解的是，丝杠导轨机构36可以设置一个，也可以设置多个，具体设置的数量可根据实际需求进行选择，这里不做过多的限制。
姿态调整装置3具有位置、水平度和径向方位角等多个自由度调节的能力，用于举升阶段末端的姿态小幅调整，从而实现托盘1与反应堆压力容器法兰面下缘的精准对接。
通过采用向下开盖的换料方式，反应堆开盖并转运后可以紧序进行堆芯燃料组件的替换操作，相较于现有压水堆换料技术可以将从上方依次开盖的一系列操作从换料关键路径脱离，即便因在役检查等需要对反应堆上部部件进一步拆解，也可以和后续进行的堆芯燃料组件更换操作同步进行，缩短大修路径，提升电厂运维经济性；同时，向下开盖的换料方式，可以克服复杂的反应堆顶贯穿件的拆装问题，特别有益于第三代压水堆和紧凑型小堆等堆等难于实施堆顶贯穿件拆装的反应堆。
实施例2
本发明的另一种典型的实施方式中，如图1-图10，提出一种向下开盖的反应堆装换料的方法，具体如下：
如图1所示，实施换料的开始阶段，换料水池水位保持在换料水位，将螺栓操作装置、转运装置4、举升装置2及姿态调整装置3的驱动电缆、管路等连接完成，并通过转运装置4将举升装置2及螺栓操作装置从转运位置转运到位于反应堆正下方的堆腔位置；
如图2所示，举升装置2将螺栓操作装置举升，从下方接近反应堆压力容器法兰面，并进入导向装置5的导向行程；
如图3所示，通过姿态调整装置3对螺栓操作装置的位置、水平度和径向方位角进行末端姿态调整，实现和反应堆压力容器法兰面的对接；
其中，水平度通过改变举升装置2上不同液压缸的顶升行程进行调整；通过丝杠导轨机构36改变平移平台35的位置，进而改变托盘1、螺栓操作装置的位置；通过液压缸33驱动上回转单元32转动，以改变平移平台35的径向方位角，进而改变托盘1、螺栓操作装置的径向方位角。
如图4所示，螺栓操作装置对反应堆压力容器法兰螺母及螺栓进行拆解和回收；
如图5所示，举升装置2带动螺栓操作装置下降，同时带动堆芯吊装9在内的反应堆压力容器下部结构随之下降；
如图6所示，转运装置4将举升装置2从堆腔位置转运到位于转运位置的升降平台6上；
如图7所示，升降平台6承载转运装置4并起升，升至吊具11可以吊装的高度并保证其中的燃料组件具有足够的屏蔽水层，通过桥吊12及吊具11将包括了堆芯吊装9在内的反应堆压力容器下部结构吊装到换料台架7上；
如图8所示，通过换料机10对位于换料台架7上的堆芯吊篮9进行燃料组件的更换操作；
如图9所示，堆芯更换完成后，通过桥吊12及吊具11将换料台架7上包括了堆芯吊装9在内的反应堆压力容器下部结构吊装到托盘1上，升降平台6带动转运装置4下降，转运装置4将举升装置2从位于转运位置的升降平台6上转运到堆腔位置，举升装置2将螺栓操作装置举升，从下方接近反应堆压力容器法兰面，并进入导向装置5的导向行程，通过姿态调整装置3对螺栓操作装置的位置、水平度和径向方位角进行末端姿态调整，实现和反应堆压力容器法兰面的对接，螺栓操作装置对反应堆压力容器法兰螺母及螺栓进行安装，从而将反应堆压力容器下部结构回装；
如图10所示，将转运装置4重新移动回转运位置的升降平台6上，并通过升降平台6将其抬升到水面以上的操作平台上，并可将其移出核电厂进行贮存和维护。
由于采用了向下开盖的换料方式，反应堆压力容器下部结构整体转运后可在堆芯上方进行敞开式换料，极大的降低了堆芯燃料组件更换操作的难度，特别有益于堆内空间紧凑狭窄、难以采用传统方式进行换料的一体化堆等紧凑型反应堆。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种向下开盖的反应堆装换料系统，其特征在于，包括位于堆芯水池水下且处于反应堆压力容器下方的转运装置和设置在乏池区域水下的换料台架，堆芯水池内还设有用于将转运装置举升的升降平台，升降平台靠近于换料台架，所述转运装置上固定设有举升装置，举升装置的顶部固定设有用于调整托盘姿态的姿态调整装置，所述托盘上设有用于螺栓拆装的螺栓操作装置，乏池区域处还设有桥吊和换料机，所述桥吊用于反应堆压力容器下部结构在换料台架与转运装置之间的转移。
2.根据权利要求1所述的一种向下开盖的反应堆装换料系统，其特征在于，所述堆芯水池的池底设有轨道，轨道位于反应堆压力容器下方与升降平台之间，所述转运装置为在轨道上水平运动的小车结构，用于在转运位置和堆腔位置之间对托盘进行转运。
3.根据权利要求1所述的一种向下开盖的反应堆装换料系统，其特征在于，所述反应堆压力容器为一个具有换料法兰以及内部构件的压力容器，位于换料法兰上方的容器部分与其内部的控制棒驱动机构、上部堆内构件、堆内测量格架共同构成一体化上部吊装结构，位于换料法兰下方的容器部分承载堆芯吊篮和堆芯。
4.根据权利要求3所述的一种向下开盖的反应堆装换料系统，其特征在于，所述堆芯吊篮为一个包含堆芯的吊篮结构体，用于实现堆芯整体吊装和堆外换料。
5.根据权利要求1所述的一种向下开盖的反应堆装换料系统，其特征在于，所述反应堆压力容器和托盘上设有导向装置，导向装置为若干对设置在托盘和反应堆压力容器上的机械导向副，用于在反应堆压力容器开合盖过程中为托盘提供对中导向。
6.根据权利要求1所述的一种向下开盖的反应堆装换料系统，其特征在于，所述姿态调整装置由同轴设置的回转平台和平移平台组成，回转平台固定设置在举升装置的顶部，平移平台位于回转平台的上方且通过万向球轴承和丝杠导轨机构与回转平台连接，平移平台为圆环结构，所述托盘固定设置在平移平台上。
7.根据权利要求6所述的一种向下开盖的反应堆装换料系统，其特征在于，所述回转平台由通过液压缸驱动的下回转单元和上回转单元组成，上回转单元与下回转单元均为圆环结构，下回转单元与上回转单元同轴设置且通过轴承连接。
8.根据权利要求7所述的一种向下开盖的反应堆装换料系统，其特征在于，万向球轴承和丝杠导轨机构均固定设置在所述上回转单元上，丝杠导轨机构分为X轴机构和Y轴机构，X轴机构固定设置在上回转单元上，Y轴机构滑动设置在X轴机构上，移动平台滑动设置在Y轴机构上。
9.一种向下开盖的反应堆装换料方法，利用了如权利要求1-8中任一项所述的一种向下开盖的反应堆装换料系统，其特征在于，具体如下：
转运装置从升降平台处移动到位于反应堆正下方的堆腔位置；
举升装置将托盘举升，使托盘从下方靠近反应堆压力容器法兰面并进入导向装置的导向行程；
姿态调整装置对托盘的位置、水平度和径向方位角进行末端姿态调整，实现和反应堆压力容器法兰面的对接；
对反应堆压力容器法兰螺母进行拆解、回收；
举升装置通过托盘带动包含堆芯在内的反应堆压力容器下部结构下降；
转运装置从堆腔位置转运到升降平台处，将包含了堆芯在内的反应堆压力容器下部结构吊装到换料台架上；
对位于换料台架上的堆芯进行燃料组件更换；更换完成后，将反应堆压力容器下部结构吊装回转运装置，利用转运装置转运并将反应堆压力容器下部结构回装；
回装完成后，转运装置重新移动到升降平台处。
10.根据权利要求9所述的一种向下开盖的反应堆装换料方法，其特征在于，在将包含了堆芯在内的反应堆压力容器下部结构吊装到换料台架上时，需要保证反应堆压力容器下部结构内的燃料组件具有屏蔽水层。
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