反应堆堆顶连接器拆装工具的设计与实现

摘要：核反应堆的维护和检修工作中，堆顶连接器的拆装过程复杂且关键，传统拆装工具操作复杂且不便于在有限空间内作业，因此设计一种新型高效的拆装工具显得尤为迫切和重要。本研究针对反应堆堆顶连接器的拆装需求，设计并实现了一种专用拆装工具。通过详细分析拆装流程，设计了包含驱动、传动、控制反馈及安全装置的全方位工具系统。经过严格的应用与测试，该工具在实际操作中表现优异，显著提高了拆装效率与安全性，为反应堆的维护工作提供了有力支持，同时也为类似的高精度、高安全性工具设计提供了新的思路和方法。

关键词：连接器；拆装工具；核反应堆；偏置棘轮头

中图分类号：TP23                文献标识码：A             文章编号：

Abstract： In the maintenance and overhaul of reactors， the assembly and disassembly of reactor head connectors are both complex and critical. Traditional tools for these tasks are complicated to operate and not well-suited for use in confined spaces， making the design of a new， highly efficient tool particularly urgent and important. This study focuses on the requirements for the assembly and disassembly of reactor head connectors， designing and implementing a specialized tool for this purpose. Through a detailed analysis of the assembly and disassembly processes， we have designed a comprehensive tool system that includes driving， transmission， control feedback， and safety mechanisms. Rigorous application and testing have demonstrated that the tool performs exceptionally well in practical operations， significantly improving both efficiency and safety. This provides strong support for reactor maintenance and offers new perspectives and methodologies for designing similar high-precision， high-safety tools.

Keywords： Connector; Disassembly and Assembly Tools; Nuclear Reactor; Offset Ratchet Head

0 引言

反应堆堆顶连接器是核反应堆中一个关键组成部分，其主要作用是实现反应堆内部各种系统和组件的电气、信号连接和分离。这一组件的性能直接影响反应堆的运行稳定性和安全性，因此其维护和更换工作需要高度重视。然而，在实际操作中，反应堆堆顶连接器的拆装过程常常面临诸多挑战。现有的拆装方法多借助手动操作和传统工具，存在操作复杂、工序繁琐、高风险等问题，不仅延长了维护时间，还增加了工作人员暴露在辐射环境中的风险。连接器的复杂结构和反应堆顶部狭窄的空间也对拆装工具提出了严格要求，这些工具需要具备精密度高、操作简便和可靠性强等特点。然而，现有的操作方法在实际应用中效果并不理想，无法完全满足反应堆设备维护的需要。

基于上述问题，设计和实现一种新型高效的反应堆堆顶连接器拆装工具显得尤为迫切和重要。本文将探讨和研究一种高效工具的设计与实现方法，通过自动化技术的应用，减少人工干预，增强操作精度，最终缩短维护时间和降低操作风险。通过新型拆装工具的开发，为核反应堆的安全运营提供有力支撑，同时为日后的反应堆维护提供参考和借鉴。在确保安全与高效的前提下，达到优化维护流程、降低成本和减少人员辐射剂量的效果。

1 堆顶连接器拆装工作概述

堆顶连接器是核电站反应堆中的重要组件，它承载着电缆与反应堆内部设备之间的连接任务，确保信号的准确传输和电力供应的稳定性。

反应堆堆顶连接器通常由高质量的金属和绝缘材料制成，以承受反应堆内部的高温和强辐射环境[1]。其基本结构包括连接端子、绝缘体和外壳等部分，如图1为两种连接器的实物图。连接端子负责与电缆和设备之间的电气连接，绝缘体则保证电气连接的安全性，外壳则起到保护和固定作用[2]。在反应堆系统中，堆顶连接器的主要功能是确保控制信号和电力能够稳定、可靠地传输到反应堆的各个部分，从而维持反应堆的正常运行。由于反应堆内部环境的特殊性，堆顶连接器在使用过程中可能会出现老化、损坏或接触不良等问题。这就需要对连接器进行定期的检修和更换，以确保其性能的稳定。这就涉及到了连接器的拆装工作。

目前，堆顶连接器的拆装工作主要依赖人工完成。操作人员需要在反应堆顶部，使用水泵钳等工具进行拆卸和安装。由于反应堆顶部设备结构紧凑，空间有限，操作人员需要在狭小的空间内进行精细的操作。这不仅增加了操作的难度，也大大延长了拆装时间。由于人工操作的局限性，拆装速度受到严重限制。在核电站大修期间，时间紧任务重，低效的拆装工作会严重影响整个维修进度。此外，安全隐患也是不容忽视的问题。反应堆内部的高温和辐射环境对操作人员的身体健康构成威胁。长时间在恶劣环境下工作，不仅会影响操作人员的健康，还可能因为疲劳和疏忽导致操作失误，进而引发安全事故。

现有的堆顶连接器拆装方法已无法满足现代核电站对效率和安全性的要求，急需设计一种新型的拆装工具。新型拆装工具的设计需要能充分考虑反应堆内部的特殊环境，以及操作人员的实际需求。工具应具备轻便、灵活、高效和安全等特点[3]。采用电动或气动驱动方式，提高拆装速度；设计专门的测量和反馈装置，确保操作的准确性和稳定性；同时，还应考虑到防坠落等安全措施，保障操作人员及设备的安全。

2 反应堆堆顶连接器拆装工具的设计

2.1 拆装工具的总体设计

反应堆堆顶连接器拆装工具在设计上充分考虑了功能独立性、高效操作、安全防护等多方面因素，其总体结构展示出多项创新特性。工具包含两套独立的电动和手动功能，能独立适应 RGL 堆顶棒位探测器电缆连接器及控制棒驱动机构（CRDM ） 磁轭线圈电缆连接器，确保在不同工况下均能完成紧固任务。这种功能独立性提高了工具的适用性和灵活度，使其在电动模式下完成高效率操作的同时，仍可在无电源或特殊环境下通过手动操作完成任务[4]。工具整体由枪式传感器电动拧紧工具、手动扳手、偏置头组件、套筒和防坠落装置构成，并能以无线传输方式与PLC进行通信。电动模式下，枪式传感器电动拧紧工具提供驱动动力，动力输出端插入偏置头组件的输入接口中，通过偏置头组件内部的齿轮副将动力传递至偏置头组件的输出接口，套筒的外六方接口与偏置头组件的内六方输出接口孔连接，并通过紧定螺钉进行径向固定以防止脱开，套筒的工作部套在连接器上并与连接器上的卡口配合，通过提供的动力对连接器进行拧紧、旋松操作[5]。手动模式下，手动扳手与套筒的外六方接口直接配合连接。拆装工具的偏置头组件采用偏置棘轮设计，使其体积小巧，适用于反应堆堆顶狭小的操作空间以及设备机柜内类似插头的操作，扩大了工具的使用范围。

工具配备可调节力矩功能，能够精确满足不同现场插头拧紧所需的力矩要求，并留有余量以适应潜在的特殊需求。这一功能的实现确保操作的可靠性和精度，防止过度紧固或松脱问题。工具还集成了拧紧到位检查和防偏斜设计，在旋拧过程中的自动提示功能防止了操作中的人因失误，保障了安装过程的准确性[6]。同时，它能适配多种规格的电气连接器夹头，提供可靠的夹紧功能，适用范围广泛。工具设计了防异物坠落功能，确保在拆装过程中自带防坠措施，并且自身不产生杂物，符合反应堆堆顶复杂环境的安全要求。通过上述整体结构设计，该拆装工具在实际应用中表现出高度的可靠性和多功能性，为反应堆维护操作带来了极大的便利和安全保障。

2.2 驱动和传动机构

拆装工具的驱动设计有手动和电动驱动模块两种形式。手动扳手结构及尺寸如图2所示，扳手头部下方有 M5 螺纹孔，套筒头部有两个盲孔，扳手与套筒间隙配合，两个M5螺栓顶到槽里，拧紧固定，不易脱落。电动驱动模块采用EPBC17-700-10S型枪式传感器电动拧紧工具，该工具的输出扭矩范围 7～17Nm，拧紧精度不大于 5%，转速400rpm，能满足扭矩/角度/扭矩+角度/扭矩或角度拧紧的拧紧策略，扭矩、角度等参数可实时显示。同时具有数据存储功能，可以存储不少于8000组拧紧数据，支持数据无线传送。电动驱动模块尺寸如图3所示。

电动模式的传动机构主要为偏置头组件。综合结构紧凑、零件强度可靠以及精确的传动比等设计需求，偏置头组件传动设计采用了传动比为1：1的齿轮传动形式，以实现高效稳定的动力传输，该设计确保了偏执头组件的输出扭矩不小于15Nm，足以应对拆装过程中的各种阻力。偏置头组件的关键零件采用高级优质铬钼钢材质，经过表面热处理、抛光和研磨等工艺，以降低转动摩擦，最小化扭矩损失。这种设计不仅提高了传动效率，还增强了工具的使用寿命和可靠性，从而满足反应堆堆顶连接器拆装作业的严苛要求。偏置头组件与套筒连接配合的旋转部分采用棘轮结构，确保在设定的驱动方向上套筒与偏置头组件锁定，动力能有效输出到套筒柄部。在单次作业完成，套筒与连接器卡槽脱离后，能够使套筒与偏置头组件解锁，电动枪点动顺利归位。如图4为偏置头模块和套筒尺寸图。

2.3 控制和反馈系统

在反应堆堆顶连接器拆装工具的设计中，控制和反馈系统是至关重要的组成部分。该系统分为硬件和软件两个方面进行设计。

硬件方面采用了先进的触摸屏界面，使操作人员能够直观地了解工具状态并进行操作[7]。电源系统经过特殊设计，确保稳定供电，同时通过交换机和分控开关实现对不同部件的精确控制。为了提高操作的灵活性和监控的实时性，集成了无线路由器，实现了数据的无线传输和远程控制。PLC作为控制系统的核心，通过接线端子与各执行机构连接，确保了指令的准确传达。如图6为PLC集成控制网络图。

软件设计重点考虑了操作的便捷性和安全性。通过扭矩设置与阈值控制、角度设置与阈值控制等功能，实现了对拆装过程的精细化管理。PLC控制集成使得整个系统更加智能化，能够实现自动化操作，减少了人为干预。同时通过无线网络化技术，实现了操作的可视化和数据化，操作人员可以通过触摸屏轻松理解每个按钮的含义，并根据系统提供的警示提醒功能，有效排除人为失误，降低了操作过程中的出错风险。

2.4 安全装置

针对反应堆堆顶连接器拆装工具，考虑到其工作环境的复杂性和对安全性的严苛要求，防坠落设计是整个工具设计中不可或缺的环节。为确保连接器及其附属部件的紧密性和安全性，本设计采用了多重密封设计，旨在防止任何小型零件或碎片在操作过程中出现脱落情况。为实现这一目标，本设计特别引入了锁紧机构和螺丝固定方式，确保在拆装作业过程中，所有相关部件都能稳固地保持在既定位置，不会出现松动或意外脱落。此外，还创新性地集成了磁性收纳装置和弹簧夹持机制，使得工具上的小部件在未被使用时能够得以牢固固定，进一步增强了整体设计的防坠落性能。

3 拆装工具的应用与测试

3.1 工具的操作和使用

在操作过程中，本次设计的拆装工具可以在不同环境下顺利完成复杂的拆装任务。在电动模式下，操作人员只需通过无线控制器设置好目标扭矩和角度状态（如图7所示），系统会在操作过程中自动监控和记录这些参数，确保工具始终在最佳工作状态下运行。拆装工具配套的触摸屏工作界面如图8所示。在狭小的反应堆堆顶空间内，偏置头组件凭借其独特的小体积设计和灵活的棘轮机制，能够轻松适应各种工况，工具本身的轻便和人体工程学设计使得操作人员即使在狭窄空间中也能保持较高的舒适度和操作精度。此外，防坠落装置在拆装过程中通过多重冗余保护确保无异物掉落，从而保障操作的安全性。如图9为拆装工具的防坠落安全锁，一端固定在操作人员手臂上，另一端与拆卸工具连接。

在手动模式下，工具依然保持了其高效和精确性能。当电力供应不稳定或者在特殊环境中不能使用电动工具时，手动扳手与套筒的外六方接口直接联接，操作人员可以通过手动施力完成同样的拧紧或松开操作。手动操作同样受益于偏置头组件的设计，扳手的灵活性使得工具使用范围更加广泛。在不同规格和型号的连接器拆装过程中，工具可以通过配置不同规格的套筒夹头来适应各种标准，工具的适配度和普适性得到了进一步的验证和提高。

3.2 工具测试及效果

为了检验该拆装工具的设计是否符合预期需求，明确设计是否达到预期效果，采用试验试制的方式对工具的手动和电动两种模式均进行了测试。手动模式下，通过试验台测试和目视测量等方式，检验了手动驱动模块的材质、质量、操作便利性、噪声、扭矩及防坠措施等指标的达成情况，测试得到棘轮扳手的摩擦噪音小于50dB，满足噪声小于50dB的规定；扳手扭矩为168N·m，大于规定的150N·m标准，其余各项均符合要求；测试了套筒材质、质量、固定可靠程度、表面处理等指标，各项均符合要求。

电动模式下，除检验以上公共机构或装置外，主要对电气性能进行了测试。分别以堆顶棒位探测器接头及 CRDM 磁轭线圈接头的标准参数为依据对图7所示的参数进行设置，并进行拧紧测试，测试结果如图10的散点图所示。通过设定值与实测值的对比可得，本次设计的拆装工具能够对目标连接器进行有效拧紧，设计达到了预期。

4 结束语

通过本文的深入研究与设计实践，成功开发了一种高效、安全的反应堆堆顶连接器拆装工具。该工具在设计与实现过程中充分考虑了操作的便捷性、安全性及效率，通过严格的测试验证，证明了其在实际应用中的可靠性与优越性。本研究不仅为反应堆的维护工作提供了强有力的技术支持，也为未来相关工具的设计与改进提供了有益的参考。

参考文献

[1]陈洪爆. 堆顶电缆和连接器组件的研制 [J]. 电线电缆， 2017， （02）： 20-22.

[2]包海蓉， 核电站反应堆堆顶电缆和连接器组件. 上海市， 上海电缆研究所， 2012-01-01.

[3]闫志强. 大型水平安装高压阀门压环拆装工具的研制与应用[C]// 中国电力技术市场协会. 2023年电力行业技术监督工作交流会暨专业技术论坛论文集（下册）. 山西电建检修工程科技有限公司;， 2023： 5.

[4]梁璐，张文钢，王亚旭，等. 基于可拆磁吸原理的合闸线圈快速拆装工具的设计及应用 [J]. 中国新技术新产品， 2023， （18）： 81-83.

[5]冯玉，吴少雷，吴凯. 直线绝缘子线夹自动拆装工具的设计 [J]. 电子技术， 2023， 52 （05）： 172-173.

[6]耿加森. 核电厂重要厂用水泵联轴器拆装工具研究 [J]. 设备管理与维修， 2022， （16）： 123-124.

[7]薛赛，曹飞翔，姚新年，等. 开关柜梅花触头弹簧拆装工具的研制及应用 [J]. 安徽电气工程职业技术学院学报， 2020， 25 （03）： 43-46