AP1000机组MR40转运容器结构设计

吴 捷1，甘 谛2

（1.国核工程有限公司，上海 200233；2.中国原子能科学研究院 实验工厂，北京 102413）

浙江三门核电站和山东海阳核电站采用了美国西屋电气公司AP1000 技术，其中MR40转运容器是由西屋电气公司编制技术规格书、国核工程有限公司负责采购管理、中国原子能科学研究院承担研制的设备。

MR40转运容器的主要功能为：抓取高、低压筒式过滤器中的废过滤芯子，收入容器筒仓内，通过无轨式电瓶小车转运至废过滤器芯子贮存间，通过MR40转运容器将废过滤芯子放置在废过滤芯子贮存架上暂存，当贮存架上的废过滤芯子数量过多时，还要通过容器将废过滤芯子二次转运至一高完整性HIC 圆柱形容器中，做后续处理。

MR40转运容器设计的基本要求为：容器具有屏蔽功能，同时要求整个操作和转运过程中，废滤芯均处于封闭环境，以免放射性泄漏，对工作人员造成伤害。

在设计过程中，借鉴了压水堆机组同类设备（核岛废滤芯更换转运容器［1］）的结构形式：核岛废滤芯更换转运容器主要包括导向圈、闸板门、筒体、盖板、吊具、梯子、提升装置和电控系统等，通过电机驱动卷扬机升降容器内部的抓具体，下部闸板门通过电机驱动实现启闭功能，装置的电气元器件包括电机、变频器、编码器、限位传感器、重量传感器等，通过1套带可编程控制器（PLC）的电控系统进行控制操作，操作过程中人员可进行远距离操作。

但AP1000机组MR40转运容器与压水堆机组核岛废滤芯更换转运容器也存在不同的要求，决定了其与二代压水堆机组核岛废滤芯更换转运容器的结构形式有较大的不同：1）由于厂房条件限制，MR40的驱动无法采用电动控制的方式，只能采取人员近距离手动操作，这就对设备提出了更高的要求，如屏蔽更安全、结构形式更可靠、操作更简便等。2）AP1000机组与二代压水堆机组所采用的过滤器芯子结构形式不同。前者为一字把手形式，对抓具有方向性要求；后者中心为圆环状结构，无抓取方向要求。相比较而言，前者的操作要求更高，结构也更为复杂。3）西屋电气公司对MR40做了许多关于结构尺寸、功能实现等方面的具体要求。如：由于受通道尺寸限制，容器外形尺寸限定在φ965mm（直径）×940mm（高）以内；容器与多个设备有接口要求，如现场吊车、压力容器筒仓盖板临时屏蔽体、转运电瓶车、废过滤芯子贮存架以及HIC高完整性容器等，接口条件和操作工艺流程相对复杂。

本文结合抓取对象的结构形式和操作工况等要求，给出1套设备的结构设计方案，并进行相关的辐射防护和力学计算。

1 结构设计［2］

MR40转运容器外形设计尺寸为φ572mm（直径）×940mm（高），满足规格书外形最大包络尺寸要求，重量约2.2t，主要分为筒体、抓具体、滑台组件、卷扬机组件等部件。采用手动驱动的方式，用铅和钨合金作为屏蔽材料。闭合状态下，重心处于筒体轴线上，起吊稳定。主体结构示于图1。

1.1 筒体

筒体又包括上盖、中间筒体、下座等，主要结构为：1）中间筒体内外为不锈钢包壳，包壳内部灌铅，以满足辐射防护的需要，筒体外部焊有吊耳、拉钩等附属零部件；2）筒体上盖可拆卸，可通过上部吊环螺钉单独吊装，与中间筒体通过螺栓固定，内部灌铅，可作为抓具导向套筒、钢丝绳滑轮组件、上部辅助钨合金屏蔽块等的安装基础；3）下座为不锈钢板，作为整个容器的支承基础，同时也是导向圈、滑台组件等的安装基础，要求有较高加工精度。

图1 MR40运输容器主体结构Fig.1 Structure of MR40cask

实际设计过程中，容器受规格书外形尺寸限制（特别是高度尺寸方向），同时又要满足屏蔽设计要求，为此，部分结构采用了钨合金作为屏蔽体，其密度更大，屏蔽效果更好，相对尺寸也更小。

1.2 抓具体

抓具体采用的是无动力自重式机械抓具（图2），功能原理是：在与外部设备接触过程中，依靠抓具自重驱动内部星形块转动至不同工位，从而实现抓具头部抓爪的开合（本抓具已有成功应用的经验）。抓具体主体结构为不锈钢材料，星形块等耐磨部件选用强度和表面硬度更高的沉淀硬化不锈钢，最大抓取重量23kg，抓取的对象为废过滤器芯子，其接口部位为1根横梁把手，抓具应能可靠地抓住把手。

需关注的是，由于废过滤器芯子把手是有方向的，对抓具也有了抓取方位的要求，因此在抓取前应先确定把手的方向，然后确定抓具抓爪的方向，同时在抓具体外部设置了导向套，通过导向销与抓具体连接，可随抓具体的上下移动在轴向自由伸缩，但不能轴向转动，可防止抓具体在升降过程中发生转动，无法抓取芯子。此外，除了对抓具体本身的结构形式提出要求外，还应对过滤器芯子的安装方位、MR40容器的定位方位等作出相应规定，以有效解决废过滤器芯子抓取方位的问题。

图2 抓具体主体结构Fig.2 Structure of gripping apparatus

1.3 滑台组件

为满足废过滤器芯子能从底部开口进出容器，同时开口应在装载芯子后关闭，以防止辐射曝露和防止放射废液滴落扩散的要求，容器在下部设置了1套滑台组件（图3），其包含滑台、钢珠滚轮、导液管、接液盒和把手等。

图3 滑台组件Fig.3 Structure of sliding table

1）滑台主体为不锈钢包壳，内部灌铅。

2）滑台外壁装有钢珠滚轮，采用成熟产品，负载满足使用要求，安装后通过人工可轻松地推拉滑台。

3）滑台中部上表面加工了1个凹台，可接收废芯子上滴落的废液，并通过1根曲折的导向管将废液收集到滑台外侧安装的1个封闭式接液盒中，接液盒上装有液位计，人员可目视监测盒内液体的储量，及时处理。

4）把手主要用于人员通过手或长杆工具对滑台组件进行推拉操作。

5）在滑台的开关两个极限位置设置了固定销，到达预定位置后用固定销将滑台固定住，防止在操作过程中，滑台意外滑动导致事故发生。

1.4 卷扬机组件

抓具体的升降依靠1套手动钢丝绳卷扬机机构驱动（图4）。卷扬机主体采用不锈钢材料，主要机构包括了钢丝绳卷筒、压辊、计数器、防转夹板、棘轮棘爪机构、手轮以及支架等。

图4 卷扬机组件Fig.4 Structure of hoist

1）压辊主要用于防止钢丝绳脱槽。

2）钢丝绳将抓具体提升至预定位置后，可通过防转夹板抱紧转轴，防止卷扬机的意外转动。

3）计数器显示卷扬机转动圈数，可粗略地指示抓具体的大概位置，当其处于高位或低位时，操作人员可适当放慢转动速度，防止碰撞。

4）棘轮棘爪机构是防逆转机构，主要用于在提升废过滤芯子的过程中，由于人员操作失误导致废过滤器芯子反向滑落的情况。

此外，为了防止抓具体升至最高位时碰撞容器上盖造成危险，在上盖内侧设置了1个弹簧缓冲器，并在缓冲器上设有1个指针，具备最高位指示功能。

1.5 其他

容器附属设备还包括与其他设备接口的法兰座、固定挂钩等以及辅助屏蔽块、长杆工具等。

1）针对容器其他设备的接口进行了细致的考虑：容器上部设置吊耳，用于吊装，可通过卸扣、吊装带与吊车连接；在下座设置了导向圈，方便与压力容器筒仓盖板临时屏蔽体、废过滤芯子贮存架等设备对中安装；在容器筒体侧面设置了拉钩，可通过紧绳器等将容器与转运小车拉紧固定，防止运输过程中容器出现晃动、移位等。

2）在人员操作侧的薄弱部分设置了钨合金辅助屏蔽块，以提供给操作人员更为安全的辐射防护。

3）长杆工具的设置主要是在特殊情况下用于操作人员远距离推拉滑台组件。

2 屏蔽与力学计算［3］

2.1 屏蔽计算

技术规格书要求：废过滤芯子在移除时将有5Sv／h的辐射剂量率，MR40转运容器的屏蔽要求为在距容器表面30cm 处，将放射性剂量率减少至1mSv／h，同时过滤器表面伽马射线能谱应假设能级在0.45～3.0 MeV 之间。

据此要求，屏蔽计算的源项为直径150mm、高525mm 的反应堆回路滤芯。设该滤芯为均匀分布体源。由于滤芯为塑料材料，可忽略辐射在滤芯体内的衰减，所以源项按真空中均匀分布计算。设滤芯侧表面中心平面外的剂量率为5Sv／h，光子能量均按3.0 MeV 计算。

源项与屏蔽计算均采用通用蒙特卡罗程序MCNP。该程序能模拟包括中子、光子、电子在内的多种粒子在物质中的输运过程。并且该程序能模拟三维几何结构，给出空间剂量场的分布。

经前期估算，MR40 铅罐罐体采用侧向14.5cm 的铅屏蔽及累计1.8cm 的不锈钢；底部7cm 的钨合金、1.55cm 铅及累计1.8cm的不锈钢；顶部10cm 钨合金及累计2.2cm 的不锈钢；顶部开口8cm 不锈钢及1.8cm 钨合金完成对滤芯的屏蔽。计算使用的几何结构模型示于图5。

通过对MR40转运容器的模拟计算，距容器外表面30cm 处不同位置的当量剂量率列于表1，剂量场的分布如图6所示。

图5 MR40辐射屏蔽计算模型Fig.5 Radiation shielding calculation model of MR40cask

位置 周围当量剂量率／（mSv·h-1）容器侧向外表面30cm 0.362容器底部外表面30cm 0.506容器顶部外表面30cm 0.830

图6 MR40铅罐纵向中心平面剂量率分布Fig.6 Plane dose rate distribution for MR40cask

通过屏蔽分析和计算可知，容器结构形式满足辐射防护的需要。

2.2 力学计算

容器本身结构较为简单，起吊用吊耳根据HG／T 21574《化工设备吊耳及工程技术要求》的标准选用，留有较大的安全裕量；其他选用的外购标准件和各受力结构件也均有较大的安全系数。

3 制造要求

结合MR40转运容器的使用工况和西屋电气公司技术规格书对设备制造的相关要求，确定了以下几点基本的制造要求：

1）设备的制造过程应编制质量计划，并设置相应的见证点；

2）主要材质均选用美标奥氏体不锈钢材料，应符合美国ASTM 相关标准要求；屏蔽材料选用铅和钨合金；

3）材料的焊接和焊接人员资质应符合美国焊接协会AWS标准相关要求；

4）设备的无损检测和人员资质应符合美国无损检测协会ASNT 标准相关要求；

5）制造、组装、调试和试验各阶段均应编制相应程序文件和试验大纲，并做好相关记录；

6）设备的清洁、包装、储存和运输应符合相关程序文件规定；

7）设备的调试和试验应模拟核电现场实际工况进行，以确定设备的功能是否完全满足使用要求；

8）设备应操作灵活方便，不得有卡滞、阻塞等问题；

9）所有不锈钢表面应酸洗钝化处理，所有机加工件锐边倒钝。

4 结论

由于AP1000机组与二代压水堆机组中关于废过滤器芯子的处理工艺不同，因此对相关的配套设备的功能要求也有差异。为了满足AP1000 机组对转运容器的一些新要求，在MR40转运容器的设计过程中，借鉴了压水堆机组核岛废滤芯更换转运容器的结构形式，机组同时充分考虑了设备工艺操作流程的每个细节，对设备结构做了精心的设计，完全满足西屋电气公司采购技术规格书的相关要求。

MR40转运容器以及其多项配套设备也是国内首次研制，设计初期碰到诸如工艺操作要求不明确、厂房环境条件复杂、设备功能要求不合理、设计输入条件不全等困难，在这个过程中，经历了两次西屋电气公司对技术规格书的升版，多次修改设计方案，中国原子能科学研究院和国核工程有限公司的技术人员通力合作，克服了诸多工程技术上的难点，最终完成了设备设计工作，目前首个机组设备已制造完成，通过了出厂试验，顺利运至核电现场。

［1］ 亢之义，石兵，袁坤.废过滤器芯子更换转运容器：中国，2009200068047［P］.2010-01-06.

［2］ 徐灏.机械设计手册［M］.北京：机械工业出版社，2000.

［3］ 李德平，潘自强.辐射防护手册［M］.北京：原子能出版社，1991.