AP1000燃料抓取机故障处理

左常迪

摘 要：本文解決了海阳核电厂1号机组首次核燃料接收过程中设备故障问题，AP1000燃料抓取机南起升机构采用防单一故障设计，确保出现任何设备异常后能使燃料组件保持在安全位置。保护功能的实现依赖于传感器等硬件功能保持完好，过多的保护一方面提高了设备的安全性，另一方面降低了设备的可靠性。故障诊断过程对后续设备维保有很强的借鉴意义。

关键词：AP1000燃料抓取机；防单一故障；核燃料接收

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.19.184

1 AP1000燃料抓取机概述

西屋AP1000 燃料抓取机由美国Par公司设计，是一台横跨燃料厂房的门式起重机，可以到达乏燃料储存区域，新燃料接收和储存区域，新燃料升降机，乏燃料运输容器区域和燃料转运系统乏池侧区域。燃料抓取机运行于操作平面的两条下部轨道上，另外一条上部轨道与乏燃料运输容器吊车共轨，在地震工况下起支撑作用。两台带有电动小车的葫芦安装在上部单轨梁上，葫芦上可以连接燃料操作工具用来抓取核燃料及内插件。操作员可以在下部走台上进行抓具手动操作。南葫芦采用防单一故障设计，负责吊运新燃料及水闸门。北葫芦是标准工业葫芦，用于吊运乏燃料。AP1000 燃料抓取机采用双电动葫芦结构，能够避免操作燃料组件时长短柄工具的频繁更换，其下挂式触摸控制屏及控制系统的设计便于人员的正常操作。如图1 所示。

2 南钩防单一故障模块介绍

轻水反应堆设计和运行的一个总的要求是装换料系统在正常和事故工况下能够确保足够的安全性1。起升机构可以采用防单一故障设计，即单一故障不会导致系统安全保持载荷能力的丧失，避免由于燃料组件跌落导致放射性外泄1。

南钩防单一故障模块使用编码器监测起升高速轴（电机）转速和低速轴（卷筒）转速进行传动比计算。此外，大车及小车编码器也用来监测各自坐标轴运动。南钩传感器布置如图2所示。使用过程中，当出现表1所示的任一故障类型时，抓取机PLC会监测到，设备控制台界面上显示“单一故障”，同时产生一个紧急停止信号，起升正常刹车和应急刹车抱死，设备处于安全制动状态。这样，许多系统故障可以被监测到以避免不受控的载荷跌落。

图2说明：01 起升电机编码器（高速轴）；02 起升电机；03 正常刹车（主）；04 正常刹车（冗余）；05 高速轴锥齿轮箱；06 减速箱；07 钢丝绳卷筒；08 断绳监测限位；09 防冲顶悬臂式限位；10 应急刹车（棘轮式）；11 低速轴锥齿轮箱；12 蜗轮式上限位及下限位；13 卷筒编码器（低速轴）。

3 故障描述

在2015年海阳1号机组新燃料接收期间，当用南钩采用半自动运行模式将新燃料组件向新燃料升降机转运时，在燃料组件到达指定位置前，南钩小车运行突然停止，造成燃料组件剧烈晃动。经查看，抓取机控制台显示“单一故障”，南钩故障指示窗显示“起升传动比故障”。

4 故障诊断过程

南钩防单一故障模块使用起升卷筒编码器和起升电机编码器作为输入进行起升传动比计算，一般技术通过测量单位时间起升卷筒编码器和电机编码器的脉冲数来计算起升的速度和传动比。但这种传统的方法存在一些缺点，比如，减速箱轮齿之间存在间隙，处理器速度，顺序编程等都会导致测量不准确和系统停机。AP1000南钩防单一故障模块由复杂的可编程逻辑设备对起升卷筒和电机编码器积分信号进行解码，并且使用低速卷筒编码器信号作为门信号计取20 MHz晶体振荡器脉冲。这种方法可以测量出卷筒的绝对转速。卷筒编码器门信号也用于计取起升高速电机编码器脉冲。采用这种传动比计算方法排除了减速器中由于齿轮间隙的存在造成的传动比波动，这使得无论是在高转速还是低转速阶段得到的传动比都是一致的。传动比异常意味着传动链中的某个环节出现打滑（比如离合器故障）或者失效（比如联轴器断裂）。可编程逻辑设备将测量数据传送给微控制器以实现传动链连续性的实时监测，一旦传动比偏离了表1中的许用范围，且持续时间达到2秒以上，将触发急停故障，并告知PLC南钩单一故障触发。

将新燃料组件置于安全位置后，反复模拟上述燃料转运过程，试图复现故障，发现故障的出现是随机的，属于偶发故障。因此，诊断初期决定将端子虚接等接触不良故障作为第一诊断方向，这也符合偶发性故障的特征。对照设备电气接线图，检查了南钩卷筒编码器和起升编码器在单一故障模块处理器卡件的端子压接情况，对疑似接触不良的端子松开后重新进行压接，重新投运设备后发现故障依旧无法消除，之后目视检查了从编码器至处理器的电缆，发现外观良好，没有受力的痕迹，基本能够排除由于电缆芯线断裂造成不连续故障的情况。由于模块内处理器卡件承担编码器解码及传动比计算的功能，将处理器模块故障作为第二诊断方向，但更换新处理器卡件后依旧不能消除故障。最后将故障锁定在起升卷筒编码器和电机编码器上，在对两个编码器进行外观检查后，发现卷筒编码器卡环未完全拧紧，在设备半自动运行模式下，大小车高速联动时，卷筒编码器输入端由于小车高速启动引起的扰动产生了虚假输入信号，导致起升传动比异常，上述分析符合故障出现的偶发特征，将编码器卡环拧紧后，故障排除。

5 结语

AP1000燃料抓取机属于机电一体化的设备，用于燃料组件相关的操作，控制方面设计了很多保护，确保出现任何设备异常后能使燃料组件保持在安全位置。保护功能的实现依赖于传感器等硬件功能保持完好，过多的保护一方面提高了设备的安全性，另一方面降低了设备的可靠性，因为任何一个传感器失效都能导致整个设备不可用。这就对燃料组件操作期间的维保工作提出了挑战。在每次燃料组件操作前，需要重点检查设备硬件方面的问题，例如端子有无虚接，编码器卡环是否松脱，确保重要操作过程中设备的可用性。

参考文献：

[1]NUREG-0554 Single-Failure-Proof Cranes for Nuclear Power Plants.endprint