Brevet FR2493581A1 — publié le 19820507

Grappin automatique pour saisir des composants de réacteur nucléaire. La présente invention a été imaginée ou conçue pendant l'exécution d'un contrat avec le Gouvernement des Etats-Unis sous la désignation de: Union Carbide Prime Contract W-7405-ENG-26 et Westinghouse-Carbide P.0. 25X-54062-V. La présente invention concerne, d'une façon générale, les grappins et appareils de levage et elle a trait, plus parti- culièrement, au grappin utilisé pour saisir, soulever, trans- porter, abaisser et installer divers composants intérieurs des réacteurs nucléaires, spécialement les assemblages combustibles pour réacteurs nucléaires. Le composant devant être déplacé se trouve habituellement dans un environnement hostile, par exemple de l'eau très chaude ou du sodium liquide, et peut être radio-actif ou se trouver dans une zone o se présentent les radiations. L'opérateur se trouve habituellement à quelque distance du lieu et il est fréquent qu'il ne puisse voir ni le composant, ni le grappin. Malgré cela et malgré d'autres handicaps, l'opération d'ac- crochage du grappin exige de la précision et du soin en raison des tolérances étroites et des considérations de sécurité. Une exécution prompte et expéditive de l'opération d'accrochage peut réduire le temps d'arrêt de l'installation ainsi que l'expo- sition du personnel aux radiations. Les grappins habituellement utilisés font appel à une grande diversité de dispositifs électriques et mécaniques pour contrôler l'état et l'emplacement du grappin et pour commander le fonctionnement de ce grappin. La vérification de la mise en place ou ajustement approprié du grappin est souvent effectuée visuellement et cette vérification est suivie par l'accrochage du grappin déclenché par l'opérateur. Si la visibilité est mauvaise ou nulle, l'opérateur procède par tatonnement, ce qui demande beaucoup de temps. C'est pourquoi, l'invention a pour objet principal un grappin qui est sûr et fiable et qui fonctionne automatiquement sans que l'opérateur ait à vérifier visuellement sa mise en place correcte. En raison de cet objet, la présente invention réside en un grappin pour saisir, c'est-à-dire accrocher, de façon libérable, un composant comportant une partie d'extrémité supérieure tubulaire adaptée pour recevoir l'extrémité infé- rieure conique dudit grappin, ledit grappin comprenant un carter tubulaire, plusieurs doigts de préhension ou d'accro- chage montés de façon pivotante dans ledit carter et comportant des épaulements de support à leurs extrémités inférieures pour accrocher ledit composant, une tige d'actionnement disposée de façon mobile axialement dans ledit carter tubulaire et comportant des cames d'actionnement disposées en un point adjacent auxdits doigts de préhension pour déplacer ces doigts vers l'intérieur de manière à les dégager du composant et vers l'extérieur 2 n- 1 de les faire venir en prise avec ce composant quand ladite tige d'actionnement est déplacée jusqu'à une première position extrême ou dans la position extrême opposée, respectivement, ledit grappin comprenant un moyen pour bloquer ladite tige d'actionnement dans ladite première position extrême, un moyen élastique pour pousser ladite tige d'action- nement vers ladite autre position extrême, une tige de déclen- chement associée audit mécanisme de blocage et s'étendant en direction dudit composant de manière à être rencontrée par ce dernier lorsque ledit grappin est ajusté correctement sur ledit composant, ladite tige de déclenchement étant adaptée pour libérer ledit moyen de déclenchement en permettant à ladite tige d'actionnement d'être déplacée jusqu'à sa position opposée o elle met en prise lesdits doigts de préhension avec ledit composant, et un moyen pour rappeler ladite tige d'actionnement jusqu'à sa première position à l'encontre de la force dudit moyen élastique. On va maitenant décrire à titre illustratif et non limitatif un mode de réalisation préféré de la présente invention en se référant aux dessins annexés, sur lesquels la figure 1 est une vue en élévation partiellement en coupe du grappin représenté dans l'état précédant immédiatement la préhension ou accrochage; la figure 2 est une vue en élévation partiellement en coupe du grappin représenté dans l'état de préhension ou d'ac- crochage; la figure 3 est une vue en coupe par III-III de la figure 2; la figure 4 est une coupe du verrou à billesd'arrêt dans son état non bloqué; et la figure 5 est une coupe du verrou à billesa'arrêt dans son état bloqué. Le rate général que doit remplir un grappin tel que décrit ci-dessous est la saisie, le transport et l'installation d'un composant 3 qui peut initialement se trouver dans un réacteur, une fosse à combustible usé, un fût, ou en tout autre lieu. Tous les composants 3 avec lesquels le grappin est destiné à être utilisé doivent comporter une partie tubulaire ou douille de levage 24 ou tout autre élément équivalent de manière que l'alignement et l'ajustement décrits ci-après entre le grappin et le composant 3 soient possibles. Du fait que le composant 3 peut être immergé dans du sodium liquide, il est souhaitable d'empêcher une solidification de cette matière dans le grappin lorsque ce grappin est extrait du bain de sodium. Par conséquent, des trous d'évacuation 18 et un trou 34 d'évacuation d'extrémité avant ou nez sont formés pour permettre au liquide de s'échapper du grappin pendant que celui-ci est extrait du bain. De préférence, on forme 9 trous d'évacuation 18. Un trajet d'écoulement est prévu pour permettre le pas- sage à travers le grappin d'un écoulement de liquide nécessaire pour refroidir le composant 3. Ce trajet commence aux trous d'évacuation 18, s'étend à travers les trous inférieurs 33 et les trous latéraux 36 du cylindre et passe à travers les trous 43 de sous-ensemble de tige de soulèvement jusqu'au sommet du grappin. Pour certaines raisons, par exemple pour empêcher un choc thermique lors de l'entrée dans le bain liquide, on peut ajouter des serpentins de chauffage 42 dont un exemple est donné sur la figure 1. Toutes les surfaces extérieuresreprésentées pour des raisons de commodité comme étant plates sur les figures, doivent être concaves ou profilées de toute autre manière pour accélérer l'évacuation de la matière liquide. Pour illustrer cette dispo- sition, la surface 41 a été représentée de cette manière sur la figure 1. Le grappin est réalisé à l'aide de matériauxqui résistent à l'environnement hostile dans lequel ils seront utilisés. En vue d'une utilisation dans du sodium liquide, les coussinets 37 du grappin (figure 3), la came de préhension 15 et la came de libération 14 peuvent être de préférence en "Stellite 3" tandis que le restant du grappin est en acier inoxydable du type 440C ou de la série 300, ou bien de l'Inconel 718. Le grappin utilise une caractéristique courante bien connue pour obtenir un alignement correct avec le composant 3. Le nez 1 du grappin comporte une surface profilée 2 qui, pendant l'abaissement du grappin sur la douille de levage 24, vient tout d'abord en contact avec cette douille de levage 24 au bord 4 de la douille de manière à guider le grappin pendant qu'il continue à se déplacer vers le bas. Quand le grappin s'est déplacé vers le bas jusqu'au point o cette surface 19 du nez du grappin rencontre la surface 20 de la douille de levage 24, l'interaction de guidage décrite ci-dessus entre la surface 2 du nez et le bord 4 de la douille a corrigé toute petite erreur d'alignement éventuel de sorte que le grappin est aligné convenablement avec le composant 3. Cette caractéristique permet d'obtenir un alignement correct sans supervision visuelle lorsque l'incertitude du positionnement d'une grue ou de tout autre dispositif utilisé pour supporter le grappin se trouve accrue en raison du rayon de la douille 24 de levage. Le grappin saisit ou relâche, c'est-à-dire libère, le composant 3 grâce à la sortie en vue d'un préhension ou à la rentrée en vue d'une libération de plusieurs doigts de pré- hension 13. Le grappin comporte de préférence trois doigts de préhension 13 disposés radialement de façon équidistante à intervalles de 120 , comme représenté sur la figure 3. La sortie des doigts de préhension 13 est obtenue par le dépla- cement vers le bas de la came de préhension 15 présente sur la tige d'actionnement 16 sousla poussée de la force du ressort d'actionnement 17. La rentrée des doigts de préhension 13 est obtenue par le déplacement vers le haut de la came de libération 14 présente sur la tige d'actionnement 16 sous la poussée exercée par une force ascendante extérieure sur cette tige d'actionnement 16. La source de cette force peut être un action- nement linéaire entraîné par un moteur, un système manuel, ou tout autre agencement. Les doigts de préhension 13 comportent une surface inclinée 22 qui est adaptée pour coopérer avec la surface de levage 23 de la douille de levage 24 lorsque le grappin se trouve dans la position de préhension représentée sur la figure 2. Quand le composant 3 est supporté par le dessous ou par tout autre moyen que par le grappin, le poids du grappin a pour effet de positionner ce dernier légèrement plus bas dans la douille de levage 24, ce qui supprime le contact entre la surface inclinée 22 et la surface de levage 23, comme on peut le voir sur la figure 2. L'arc de pivotement des doigts de préhension 13 pendant l'opération de libération permet aux doigts de préhension 13 de libérer la douille de levage 24. Quand le composant est supporté par le grappin, la surface 22 porte directement contre la surface 23 et empêche la libé- ration du composant 3 par blocage du mouvement de pivotement des doigts 13 pendant que ce composant 3 n'est supporté d'aucune autre manière. En outre, la came de préhension 15 bloque également ce même mouvement des doigts 13. Une caractéristique importante de la présente invention réside dans un verrou mécanique à arrêt par billes qui équivaut à un moyen de blocage de préhension sous l'action duquel le grappin peut empêcher de saisir le composant 3 lorsque le verrou est bloqué et grâce auquel le vérin saisit automatiquement le composant 3 lorsque le verrou est débloqué. Le verrou à arrêt par billes consiste en une pluralité de jeux 11 de billes, de préférence trois jeux, un cylindre d'arrêt 12, un ressort d'arrêt 27 et un cylindre 26 de mécanisme de verrou. Le cylindre 26 de mécanisme de verrou contient une chambre 38 à billes qui contient le jeu 11 de billes en empêchant le déplacement des billes dans une gorge 35 de la tige d'actionnement 16. Le dé- placement des billes est également limité par le cylindre d'arrêt 12. La position verticale du cylindre d'arrêt 12, position qui est commandée par un système de déclenchement ou de déclic mécanique que l'on va décrire ciaprès, fait rouler les billes dans et hors des configurations représentées sur les figures 4 et 5. Cette action bloque et débloque le verrou en empêchant et en permettant, respectivement, un déplacement vers le bas de la tige d'actionnement 16. La tige d'actionnement 16 peut se déplacer librement vers le bas dans le cas de la figure 4 (verrou débloqué). La tige d'actionnement 16 ne peut pas se déplacer vers le bas dans le cas de la figure 5 grâce à la présence de la bille 21 dans la gorge 35 (verrou bloqué). Le système d'arrêt à billes permet à une petite force verticale, engendrée dans le ressort d'arrêt 27 de moyenne puissance, de commander la libération d'une force verticale plus importante (environ 7 P) engendrée dans un ressort d'actionnement 17 de grande puissance. Dans le mode de réali- sation préféré, le jeu 11 de billes comprend trois billes sphériques de même diamètreo Dans une variante, le jeu 1l de billes pour'rai utiliser un nombre plus ou moins grand de billes, ou bien des billes de diamètres inégaux, ces- variantes entraînant toutefois une plus grande complication da!çla fabrication et dinsla maintenance du grappin. On pourrait aussi adapter le verrou à billes d'arrêt pour utiliser des roulements à rouleau en modifiant la tige d'actionnement 16 de manière qu'elle présente une section polygonale et qu'elle comporte des gorges pouvant loger des roulements à rouleaux. Cette configuration peut être préférée dans les applications o le grappin est chauffé étant donné que le contact linéaire accru d'un rouleau avec la tige d'actionnement 16 par rapport au contact ponctuel du type assuré par une bille augmenterait le transfert de chaleur vers le rouleau et vers le cylindre d'arrêt 12. Avant la préhension, une bille 21, comme représentée sur la figure 5, parmi chaque jeu 11 de billes,est maintenue dans la gorge 35 de la tige par l'action des forces créées dans le trajet de charge par chaque ensemble 11 de billes. La force verticale engendrée par le ressort d'actionnement 17 est transmise radialement vers l'extérieur par les billes du jeu 11 de billes et est contrecarrée par le cylindre d'arrêt 12 qui ne peut pas se déplacer radialement en raison de son contact avec le sous-ensemble 6 de grappin. La bille 21 empêche un déplacement vers le bas (et vers le haut) de la tige d'action- nement 16. Le cylindre d'arrêt 12 est maintenu solidement en place par le ressort d'arrêt 27 et le cylindre 26 de mécanisme de verrou. Le fonctionnement des jeux 11 de billes est considéré comme étant le meilleur quand ces jeux 11 de billes et la gorge 35 de la tige ont la conception représentée sur les figures 4 et 5. La bille 21 est représentée en position de blocage sur la figure 5 qui montre le mode de réalisation préféré dans lequel, d'une part, il existe un décalage important 28 entre la surface supérieure 29 de la tige d'actionnement 16 et le pro- longement de l'axe 45 de la bille 21 et, d'autre part, la surface inférieure 30 de la tige d'actionnement 16 s'étend au-delà de l'axe 45 de la bille 21 avec un décalage plus faible 32. De plus, la rainure 35 de la tige comporte une surface inclinée 31. Une autre caractéristique importante de la présente invention réside dans un système de déclenchement mécanique qui équivaut à une logique mécanique grâce à laquelle le verrou à billes d'arrêt est bloqué ou débloqué selon que le grappin est ou n'est pas correctement aligné avec la bille de levage 24 et correctement ajusté sur cette douille. La logique mécanique, dans le mode de réalisation préféré, est constituée par plusieurs doigts de déclenchement 9, plusieurs ressorts de rappel 10 et une bague de déclenchement 8 qui se trouve dans un évidement 5 ménagé dans le sousensemble 6 de grappin. Les doigts de déclenchement 9 portent contre le cylindre d'arrêt 12 et peuvent soulever ou abaisser ce cylindre d'arrêt 12 lorsque la bague de déclenchement 8 applique une force à ces doigts 9. La bague de déclenchement 8 transmet cette force si la surface d'extrémité 7 de la douille de levage 24 porte contre cette bague 8, ce qui peut n'avoir lieu que si le grappin est aligné correctement avec la douille de levage 24 et est ajusté correctement sur cette douille. La nature mécanique du verrou à billes d'arrêt et du système de déclenchement est considérée comme ayant une fia- bilité supérieure auxsystèmes électriques équivalents dans un environnement hostile. On va maintenant décrire l'opération de préhension du grappin. Comme-indiqué ci-dessus, le grappin s'aligne automa- 249358.1 tiquement pendant l'opération d'abaissement. Au cours de cette opération d'abaissement, la surface d'extrémité 7 de la douille de levage 24 rencontre la bague de déclenchement 8. La bague de déclenchement 8 se trouve dans un évidement 5 de sorte que l'on évite une action intempestive du système de déclenchement. Avant que soit établi le contact entre la surface d'extrémité 7 de la douille de levage 24 et la bague de déclenchement 8, la surface inclinée 22 des doigts de préhension 13 passe en- dessous de la surface de levage 23 de la douille 24. La conti- nuation de l'abaissement du grappin a pour conséquence que la surface d'extrémité 7 commence à pousser la bague de déclen- chement 8 vers le haut. Ce-déplacement comprime les ressorts de rappel 10 et soulève le cylindre d'arrêt 12 en comprimant le ressort d'arrêt 27 et en permettant aux billes 21 des jeux 11 de billes de rouler hors de la gorge 35 de la tige en quittant la disposition des biJes représentées sur les figures 1 et 5 et en prenant la disposition représentée sur les figures 2 et 4. La tige d'actionnement 16 se trouve ainsi libérée de manière à se déplacer vers le bas sous la force du ressort d'actionnement 17,et l'action de la came de préhension sur les doigts de préhension 13 écartes c'est-à-dire fait sortir, les doigts de préhension 13 pour qu'ils aggripent la douille de levage 24. Le hissage, le transport et l'abais- sement du composant 3 par une force appliquée extérieurement sur le sousensemble 25 de tige de soulèvement peuvsntaIdos être effectués à volonté. On va maintenant décrire l'opération de libération. Quand le poids du composant 3 cesse de s'exercer sur la surface 22 des doigts de préhension 13, une force extérieure dirigée vers le haut est appliquée à la tige d'actionnement 16. La tige d'actionnement 16 se déplace vers le haut>ce qui amène la came de libération 14 à rappeler les doigts de préhension 13-, ceci tibératiL la douille de levage 24. Le déplacement ascendant de la tige d'actionnement 16 a également pour effet de comprimer de nouveau le ressort d'actionnement 17. On peut alors enlever le grappin en soulevant l'ensemble 25 de tige. Dès que le grappin en s'élevant quitte la douille de levage 24, le ressort de rappel et de déclenchement 10 entraîne vers le bas les doigts de déclenchement 9 et la bague de déclenchement 8 en armant de nouveau le système de déclenchement. En même temps, le ressort d'arrêt 27 pousse vers le bas le cylindre d'arrêt 12, ce qui a pour effet de faire rouler les billes du jeu 11 de billes dans la disposition qu'elles occupent sur la figure 4 jusqu'à celle qu'elles présentent sur la figure 5. Les billes 21 roulent dans la gorge 35 de la tige, verrouillent de nouveau le verrou à billes d'arrêt. Le grappin est alors de nouveau prêt pour une nouvelle opération de préhension ou accrochage. Le diamètre extérieur du grappin peut être supérieur au diamètre de la douille de levage 24. Cette conception permet à la bague de déclenchement 8 d'être totalement entourée par le sous-ensemble 6 de grappin et assure ainsi une protection contre une préhension ou accrochage intempestif du grappin sous l'effet d'une secousse accidentelle. Le sous-ensemble 6 de grappin représenté sur la figure 1 peut être démonté du sous-ensemble 25 de tige de soulèvement à l'endroit de l'accouplement 44 afin qu'on puisse le remplacer. L'accouplement 44 peut être un accouplement à filetagesmâle et femelle, ou une autre conception, et peut comporter une goupille de blocage 46 pour en empêcher une séparation intempestive. La conception de grappin décrite ci-dessus remplit les conditions précitées pour l'obtention d'un grappin sûr, fiable et automatique car: 1) la conception de la partie avant ou nez permet d'obtenir un ajustement et un alignement appropriés; 2) la logique mécanique, quand l'alignement et l'ajustement sont corrects, déclenche automatiquement la préhension ou accrochage; et 3) le système de déclenchement à évidement empêche la préhension ou accrochage intempestifs. Cette combinaison de caractéristiques de conception permet un fonctionnement du grappin dans des conditions de faible visibilité avec un minimum de perte de temps. L'opération de préhension entiè- rement automatique permise par la présente invention donne à penser qu'avec ce grappin on pourrait informatiser l'opération complète de recharge de combustible. Cette possibilité est une conséquence de l'aptitude de ce grappin à fonctionner sans que l'on ait à appliquer une supervision visuelle. On a mis en pratique avec succès les principaux principes de fonctionnement du grappin en construisant et en testant un mnodèle en "plexiglass". Ce grappin est considéré comme étant un perfectionnement remarquable à la technique existante et devrait trouver une application industrielle étendue. il est bien entendu que la description qui precède n'a été donnée qu'à titre purement illustratif et non limitatif et que des variantes ou des modifications peuvent y être ap- portées dans le cadre de la présente invention. 24-93581 REVENDICATIONS 1. Grappin pour saisir de façon libérable un composant de réacteur nucléaire, ledit composant comportant une partie d'extrémité supérieure tubulaire (24) adaptée pourrecevoir l'extrémité inférieure conique (2) dudit grappin, ledit grappin comprenant un carter tubulaire, plusieurs doigts de préhension (13) montés de façon pivotante dans ledit carter et comportant des épaulements de support (22) à leur extrémité inférieure pour saisir, c'est-à-dire accrocher, ledit composant (3), une tige d'actionnement (16) disposée de façon à pouvoir se dé- placer axialement dans ledit carter tubulaire et comportant des cames d'actionnement (14,15) disposée de façon adjacente auxdits doigts de préhension pour les déplacer vers l'intérieur de manière à les dégager dudit composant et vers l'extérieur pour le faire venir en prise avec ce composant lorsque ladite tige d'actionnement est déplacée jusque dans une première position extrême ou dans la position extrême opposée, respectivement, le grappin sus-visé étant caractérisé par le fait qu'il comprend: un moyen (11,12) pour bloquer ladite tige d'actionnement dans ladite première position extrême, un moyen élastique (17) pour pousser ladite tige d'actionnement vers ladite autre position extrême; une tige de déclenchement (9) associée audit mécanisme de blocage et s'étendant en direction dudit composant de manière à être rencontrée par ce dernier lorsque ledit grappin (3) a été ajusté convenablement sur ledit composant, ladite tige de déclenchement (9) étant adaptée pour libérer ledit moyen de blocage en permettant à ladite tige d'actionnement (16) d'être déplacée jusqu'à sa position opposée o elle pousse lesdits doigts de préhension de manière qu'ils viennent en prise avec ledit composant (3), et un moyen pour rappeler ladite tige d'actionnement jusqu'à sa première position à l'encontre de la force dudit moyen élastique (17). 2. Grappin suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit carter tubulaire comporte un évidement circulaire (5) adapté pour recevoir la partie d'extrémité supérieure (24) dudit composant et à s'assembler avec ladite partie d'extrémité supérieure (24) du composant précité lorsque ladite extrémité inférrure du grappin est complètement logée dans ladite partie 2493581- d'extrémité supérieure tubulaire (24). 3. Grappin suivant la revendication 2, caractérisé par le fait que ledit moyen de blocage (11,12) comprend plu- sieurs billes (11) disposées dans une ouverture (38) formée dans ledit carter et un cylindre d'arrêt (12) disposé autour de ladite ouverture de manière à pouvoir se déplacer axialement et pouvant être actionné par ladite tige de déclenchement (9), ladite tige d'actionnement (16) comportant une gorge circulaire (35) recevant une partie desdites billes (11) pour bloquer ladite tige (16), ledit cylindre d'arrêt (12) comportantun évidement pouvant recevoir des parties desdites billes (11) en leur permettant de s'échapper de ladite gorge (35) et de libérer ladite tige d'actionnement (16) quand ledit cylindre est déplacé par ladite tige de déclenchement (9) lors de l'engagement dudit grappin avec ledit composant (3). 4. Grappin suivant l'une quelconque des revendications 1, 2 ou 3, destiné spécialement à être utilisé dans un environ- nement de sodium liquide, caractérisé par le fait que ladite extrémité inférieure conique comporte un trou d'évacuation (34) de manière à permettre au sodium liquide de s'échapper du carter du grappin quand celui-ci est extrait du sodium réfrigérant. 5. Grappin suivant la revendication 4, caractérisé par le fait qu'il comporte un moyen de chauffage (42) pour chauffer ledit carter.