张 斌，鲍学斌，薛永阳，谭书莹
（1.中核武汉核电运行技术股份有限公司，湖北 武汉 430223；
2.华能山东石岛湾核电有限公司，山东 荣成 264312）
以石墨为中子慢化剂和结构材料、惰性气体氦气为冷却剂的高温气冷堆，是一种固有安全性好、发电效率高的先进核反应堆[1-3]。在反应堆运行过程中，控制棒系统用以进行反应性控制，实现各种运行模式。圆环链实现控制棒驱动机构与控制棒的连接，控制驱动机构带动控制棒组件从而实现反应堆的功率调节[4]。24组控制棒驱动机构安装于压力容器顶盖控制棒壳管嘴上，控制棒驱动机构通过圆环链与控制棒连接，其中控制棒驱动机构被划分为6个单元，每个单元包括两组直通式控制棒驱动机构和两组外置式控制棒驱动机构。
控制棒驱动机构工况严格，结构复杂，操作频繁，发生故障的概率较大，需对控制棒驱动机构进行解体维修。高温气冷堆控制棒驱动机构作为一回路压力边界，一旦拆除驱动机构，就会破坏一回路压力边界，导致原有的氦气气氛被破坏。
故需建立气氛隔离系统，在保证一回路内气氛不外泄的前提下，实现控制棒驱动机构与控制棒组件的分离。又由于控制棒驱动机构结构复杂，圆环链及控制棒组件的总体长度较长，故在有限的气氛隔离空间内解体控制棒驱动机构较困难。在紧急情况下，为实现控制棒驱动机构的快速解体，提出使用专用剪切装置快速剪切圆环链，断开控制驱动机构与控制棒之间的连接，以便快速将控制棒驱动机构从一回路压力边界中转移出来，进行离线检修的方案。
这里针对上述高温气冷堆控制棒驱动系统解体维修方案，设计研发了一种圆环链剪切装置，使其满足功能性、安全性、可操作性等各方面要求，并通过Deform-3D有限元分析软件，对环链剪切过程进行模拟，从而优化剪切刃参数，降低剪切驱动力要求。仿真和实验结果表明该装置可实现圆环链的剪切，满足工程实际要求。
环链剪切装置固定安装在气氛隔离系统内部，主要用于控制棒驱动机构拆装过程中剪断圆环链，实现控制棒驱动机构与控制棒的快速拆卸分离，使控制棒驱动机构能够离线维修，避免维修人员长时间面对放射性风险。环链剪切装置必须能满足现场安全可靠性高、操作控制简单、安装调整方便快捷、结构紧凑等具体需求：
（1）功能要求：在控制棒驱动机构出现故障需解体维修时，环链剪切装置需具备剪断环链的功能，使控制棒驱动机构与控制棒分离；
（2）载荷要求：在满足现场使用要求的情况下，需对刀具的各项参数进行设计优化，使圆环链的切口更加均匀，同时降低剪切驱动油缸性能要求；
（3）空间要求：外置式控制棒驱动机构上方存在直通式控制棒驱动机构的法兰结构，故提升高度受限，因此剪切装置在竖直方向上设计和操作的边界值仅为205mm，如图1所示。同时控制棒驱动机构的布置紧凑，剪切装置的宽度也受到限制；
图1 外置式控制棒驱动机构的空间限制Fig.1 Space Limitation of External Control Rod Drive Mechanism
（4）安全要求：控制棒驱动机构通过504节φ10×30圆环链来提升控制棒，圆环链一端固定在控制棒内棒上，另一端固定在驱动机构减震器内。圆环链与控制棒组件的总重量达262.5kg，故需确保整个剪切过程中，圆环链必须一次切断，并且切口较均匀，不得产生碎屑。
圆环链剪切装置由运载单元和剪切单元两部分组成。圆环链剪切装置整体宽度为380mm，在工作过程中其长度可达1199mm，最大高度为165mm，整体模型，如图2所示。
图2 圆环链剪切装置整体模型Fig.2 The Whole Model of Ring Chain Shear Device
3.1 运载单元
运载单元由运载平台、锁定机构和导轨等组成，如图3所示。运载平台主体呈平板状，其尾部装有推杆，便于工作人员在气氛隔离装置外部推动小车。平台前部设有两个孔，用以安装螺栓实现与剪切单元的连接。导轨固定在气氛隔离装置内部，为运载平台运动提供行走轨道并导向。锁定机构安装在运载平台上，当运载平台到达指定位置时，栓销与导轨上的定位孔同轴心，通过推动栓把可实现整个装置的固定支撑。
图3 运载单元模型Fig.3 The Model of Carrier Unit
3.2 剪切单元
剪切单元通过螺栓与运载平台连接，由液压泵与液压油缸驱动刀具，从而实现环链的剪切。剪切机构上两边设有两个挡块，确保刀具剪切时不发生侧向偏转，同时使用螺栓与上下两块挡板连接，使刀片能够精确定位。下册挡板处设有凸块，用于辅助支撑环链，防止被剪断的环链直接掉落。剪切装置后部与右侧挡块用铰接轴连接，当剪切装置移动到指定位置后，转动剪切装置后部，使其阶梯轴与左侧挡块的轴孔同轴心，即可插入阶梯轴，完成剪切装置的布置，如图4所示。
图4 剪切单元模型Fig.4 The Model of Shear Unit
目标圆环链的设计破断力为126kN，破断力为环链受拉发生破坏的力，按照材料力学经典方程可知，其受剪切发生破坏的力为破断力的0.71倍，为89.1kN。考虑装置的空间限制及尽量减少油缸的载荷要求，选取液压油缸的内径为80mm，液压泵的输出压强为25MPa，该液压装置能产生126kN的推力。活塞杆与刀具采用刀架进行连接，活塞杆与刀架采用螺纹连接，刀具与刀架采用螺栓连接。为保证刀具具有足够的强度，能够安全地剪切圆环链，选取刀具厚度为18mm。圆环链的结构导致与被剪切链环相邻的两个链环之间只有10mm 的间隙，故在刀具中间开设宽12mm的槽，避免刀具与相邻的链环发生干涉。
根据设计需要，环链剪切装置需由水平方向沿导轨进入，并快速剪断链环，为保证剪切装置能够顺利剪断环链，需要对链环剪切过程进行仿真模拟[5]，并对剪切刃参数进行优化。
因此这里通过Deform-3D有限元分析软件，对以下三个问题进行模拟研究：
（1）上刀刃剪切角对剪切力大小的影响；
（2）刀具剪切间隙对剪切力大小的影响；
（3）刀具前角对剪切力大小的影响。
4.1 基本工艺参数
斜刃剪的基本工艺参数有剪切角α，剪切间隙Δ[6]，如图5所示。
图5 斜刃剪的基本工艺参数Fig.5 The Basic Technological Parameters of Inclined Blade Shear
剪切角即上剪刃与水平方向的夹角，其大小直接影响剪切力的大小。剪切间隙即上下剪刃的剪切侧向间距，其大小对剪切力和剪切质量有较大影响，是剪切机的重要工艺参数。过大的剪切隙会增大驱动力矩，从而使得钢板的边缘域产生较大的弯曲变形、降低成材质量；
过小的剪切间隙则会造成钢板边缘的二次切面，不仅降低剪切质量，还会加剧剪刃磨损、降低生产效率。剪切间隙合理取值与剪切机形式、板材厚度、材料属性、剪切温度、刀具磨损等因素相关，目前国内还没有形成成熟且被广泛采用的理论方法，一般根据经验公式取值：
式中：h—被剪切工件厚度。
剪切过程中上剪板作为“刀具”，相应的具有刀尖，前角αs，后角βs等刃型参数。如图6所示。
图6 上剪刃的刃型参数示意图Fig.6 The Schematic Diagram of Blade Parameters of Upper Cutting Edge
4.2 模型建立
分析对象由被剪切链环，上剪刃及下剪刃组成。在Deform-3D软件中，由于下剪刃结构相比上剪刃刚度较大，将其定义为刚体，将上剪刃定义为弹性体，材料选择合金工具钢Cr12MoV。圆环链定义为塑性体，材料选择为符合G80标准的AISI 5115，材料的结构模型采用的是流动应力与等效塑性应变、等效塑性应变速率和温度相关的Oxley模型，屈服准则采用Von-Mises，断裂准则采用Normal C&L模型[7]。
金属塑性成形中模具与工件之间的相对运动会产生相对摩擦，摩擦系数大小会对计算结果产生影响，本次实验中摩擦因子为μ=0.12。
在有限元模拟中，单元的疏密程度直接影响了结果的准确性。划分单元后的刀具剪切环链的仿真模型，如图7所示。
图7 划分网格后的仿真模型Fig.7 The Simulation Model After Meshing
有限元模型参数，如表1所示。
表1 有限元模型参数表Tab.1 Parameter Table of Finite Element Model
通过计算对比，该单元划分方式可满足网格收敛性需求。
环境温度设为20℃，对模型施加边界条件：
（1）在下剪刃的侧面和底面施加位移约束，使其被完全固定；
（2）在上剪刃的侧面施加位移约束，在其顶面施加施加每秒1mm的位移，使上剪刃能以1mm/s的速度竖直向下运动；
（3）定义类型为两物体接触，环链分别和上下剪刃接触。
4.3 仿真结果
仿真步数设置为30步，进行仿真计算，得出以下仿真结果，如图8所示。
图8 圆环链剪切过程示意图Fig.8 The Schematic Diagram of Cutting Process of Ring Chain
图8显示了圆环链的剪切过程，其中图8（a）表示上剪刃接触环链的右侧并开始剪切，应力集中在环链右侧表面；
图8（b）所示的时刻，圆环链右侧发生明显断裂，同时圆环环链左侧受上下剪刃和挡板共同作用，应力集中区由左侧向右侧转移，此时为整个过程中剪切力最大时刻；
图8（c）显示圆环链右侧基本完全断裂，环链左侧开始发生断裂；
图8（d）中圆环链左侧基本完全断裂，整个剪切过程结束。
根据多组仿真模拟结果，得到上剪刃剪切角、前角、剪切间隙与环链剪切过程中最大剪切力的大小关系，如图9～图11所示。
图9 上剪刃剪切角与剪切力的关系图Fig.9 The Relationship Between Shear Angle of Upper Shear Edge and Shear Force
图10 刀具间隙与剪切力的关系图Fig.10 The Relationship Between Tool Clearance and Shear Force
图11 上剪刃前角与剪切力的关系图Fig.11 The Relationship Between Front Angle of Upper Cutting Edge and Shear Force
由上述结果可知，在一定范围内，剪切角与剪切力呈线性负相关的关系，刀具前角与剪切力呈线性负相关的关系，而刀具剪切间隙与剪切力无明显相关关系。故在保证刀具强度的同时，应采用较大的剪切角和刀具前角。
选取剪切角为15°，上剪刃的前角为10°，剪切间隙为0.9mm，此时所需剪切力较小，约为52kN，仅需液压缸提供10.5MPa 以上输出压力即可，确保了环链剪切装置驱动油缸设计选型的保守性。
利用上述参数进行环链剪切实验，实验中所需最大剪切力经折算约为61kN，与仿真结果近似，此外，仿真模拟的圆环链断面图，如图12所示。剪切装置实验所得圆环链的断面图，如图13所示。两者的断面形状基本一致，且断面切口较均匀，说明了仿真结果的准确性，同时说明剪切装置能够快速完成圆环链剪切，满足工程实际要求。
图12 仿真结果的圆环链断面图Fig.12 The Cross Section of Circular Chain of Simulation Results
图13 剪切实验所得圆环链的断面图Fig.13 The Cross Section of Ring Chain from Shear Experiment
随着核电日益快速的发展，高温气冷堆技术在示范工程中得到了更加深入的应用。对高温气冷堆核电站示范工程的控制棒系统进行了研究，设计了快速剪切圆环链的剪切装置。
圆环链剪切装置由运载单元和剪切单元两部分组成，它与气氛隔离系统配合使用，气氛隔离系统负责建立气氛隔离环境，避免驱动机构装拆过程中，堆芯—回路气体外泄至空气中；
圆环链剪切装置实现堆芯内圆环链的剪切，即可快速拆除控制棒驱动机构。该装置满足现场安全可靠性高、操作控制简单、安装调整方便快捷、结构紧凑的具体需求。
对圆环链的剪切过程做了多组仿真模拟，探讨了剪切角、刀具前角和刀具剪切间隙等参数与剪切力之间的关系，据此对剪切刃参数进行了优化，采用了较大的剪切角和刀具前角，减小了剪断圆环链所需剪切力，降低了剪切装置整体所受载荷。
对圆环链的剪切过程开展了验证实验，验证了仿真结果的有效性，并说明该装置适用于现场工作条件，满足实际工程要求。
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