Устройство отбора проб графита в реакторах канального типа.
GRAPHITE SAMPLING DEVICE IN CHANNEL-TYPE REACTORS

Изобретение относится к устройствам для выбуривания кернов из стенок скважин или каналов и может быть использовано в области атомной энергетики для получения проб графита реакторов канального типа, например, РБМК.
Для продления срока службы реакторов типа РБМК необходимо анализировать состояние графитовой кладки и прочностные свойства графита. Наилучшим вариантом определения указанных характеристик является периодический отбор проб (кернов) графита из графитовых блоков.
Известно устройство выбуривания кернов из стенок скважин или каналов [RU 2454536 С2, МПК E21B 49/06, E21B 49/00 (2006.01), опубл. 27.06.2012 Бюл. № 18], выбранное в качестве аналога, содержащее несущую штангу, снабженную приводом вращения и штурвалом подачи, ведомый вал, буровую головку, имеющую канальное отверстие, выполненное в верхней части параллельно ее оси, а в нижней - под углом α в диапазоне 5÷35° относительно ее оси. Трубчатая фреза содержит выламыватель кернов. Ведомый вал связан с трубчатой фрезой, связанной системой каналов с отсосом и содержащей выламыватель кернов. Механизм вращения и одновременной подачи трубчатой фрезы состоит из штурвала подачи по крайней мере двух передаточных втулок и ведомого полого вала, связанных между собой посредством шарнирной передачи, содержащей полые шарниры с углублениями на шарообразной головке, в которых расположены фиксаторы, закрепленные гайкой.
Недостатком этого устройства является выбуривание графита в направлении 5÷35° градусов относительно оси канала или скважины, что делает ее применение невозможным для бурения керна графита в вертикальных каналах реакторной установки, т.к. могут возникнуть проблемы с дальнейшей эксплуатацией установки.
Известно устройство горизонтального выбуривания кернов из стенок скважин или каналов [RU 2378510 С1, МПК E21B 49/06, G21C 17/02 (2006.01), опубл. 10.01.2010 Бюл. № 1], выбранное в качестве прототипа, содержащее несущую штангу, снабженную приводом вращения и одновременной подачи трубчатой фрезы под углом 90° относительно оси канала или скважины. Механизм вращения и одновременной подачи трубчатой фрезы состоит из ведущей конической шестерни, взаимодействующей с установленным на фрезе ведомым полым валом-шестерней, и неподвижной втулки с наружной резьбой, размещенной в полости ведомого полого вала-шестерни, а трубчатая фреза выполнена в виде втулки с внутренней резьбой и навинчена на неподвижную втулку. Устройство обеспечивает взятие целостных кернов по всей толщине графитового блока под углом 90° относительно оси расположения графитового блока без применения различных жидкостей, взрывчатых веществ, способов ≪выламывания≫, приводящих к разрушению керна и загрязнению графитовой кладки.
Однако устройство имеет следующие недостатки:
механизм вращения и одновременной подачи трубчатой фрезы приводится в движение вручную, что при взятии кернов с глубоких (более 1 м) мест канала или скважины делает устройство не универсальным, появляется необходимость подбирать вал необходимой длины либо доступ к маховику будет не удобен;
на несущей штанге отсутствуют опоры, позволяющие неподвижно фиксировать устройство внутри канала или скважины, в результате чего оно будет шататься, либо, в случае если диаметр будет практически совпадать с отверстием канала или скважины, будет проблематично погружать и извлекать устройство из канала или скважины.
Предлагаемое изобретение решает техническую проблему по устранению указанных недостатков, а именно осуществляет автоматическое взятие целостных кернов из графитовой кладки реакторов канального типа под углом 90° к оси отверстия графитовой колонны с любой глубины канала при устойчивом расположении устройства для отбора проб, также в режиме радиоактивного фона в канале, что в целом повышает эффективность отбора проб.
Технический результат изобретения обеспечивает качественно улучшенный и надежный процесс выбуривания целостного керна из графитовой кладки под углом 90° к оси канала на любой глубине канала при устойчивой фиксации пробоотборного механизма в условиях радиоактивного фона за счет конструктивных особенностей и автоматизации процесса выбуривания кернов графита.
Технический результат реализуется за счет следующих конструктивных особенностей устройства отбора проб графита в реакторах канального типа, содержащего несущую штангу, трубчатую фрезу, механизм вращения и подачи трубчатой фрезы.
Отличительной особенностью устройства является то, что несущая штанга сборная состоит из сегментов, а устройство содержит пробоотборник, в корпусе которого размещены трубчатая фреза и механизм вращения и подачи трубчатой фрезы, при этом корпус пробоотборника содержит не менее одного пневматического центратора, размещенного на его внешней стороне. Механизм вращения и подачи трубчатой фрезы в части вращения трубчатой фрезы состоит из пневмодвигателя, взаимодействующего с редуктором, шестерней длинной и шестерней на каретке, на которой размещена трубчатая фреза, а в части подачи трубчатой фрезы состоит из пневмоцилиндра двустороннего действия, взаимодействующего с толкателем. Также механизм вращения и подачи трубчатой фрезы соединен с блоком управления пневмокабельным шлейфом, который в свою очередь соединен с блоком подготовки воздуха.
Кроме этого, устройство отбора проб графита в реакторах содержит не менее одной направляющей для каретки с трубчатой фрезой, пневмокабельный шлейф размещен внутри несущей штанги и его разъемы подключения расположены на верхнем торце корпуса пробоотборника, на верхнем сегменте несущей штанги расположен указатель направления выхода фрезы, а трубчатая фреза снабжена обламывателем.
Устройство отбора проб графита в реакторах канального типа имеет несущую штангу сборную, состоящую из сегментов, позволяющих по необходимости менять ее длину, что обеспечивает доставку пробоотборника на любую глубину канала реактора для выбуривания целостного керна из графитовой кладки.
Корпус пробоотборника содержит не менее одного пневматического центратора, размещенного на его внешней стороне, который прижимает пробоотборник к месту отбора керна и фиксирует его, обеспечивая при бурении устойчивость всего устройства и возможность отбора проб под углом 90° к оси канала.
Кроме этого, весь процесс отбора проб автоматизирован через блок управления, который обеспечивает передачу сигналов и индикацию работы пневматических центраторов и трубчатой фрезы. Блок управления соединен с блоком подготовки воздуха, который обеспечивает подачу и очистку сжатого воздуха, а также подвод смазочного материала из резервуара в поток сжатого воздуха, который поступает по пневмокабельному шлейфу к механизму вращения и подачи трубчатой фрезы. В результате управление устройством упрощено и качественно улучшено.
Пневматический центратор, механизм вращения и подачи трубчатой фрезы, состоящий из пневмодвигателя, взаимодействующего с редуктором, шестерней длинной и шестерней на каретке, на которой размещена трубчатая фреза, и пневмоцилиндр двустороннего действия, взаимодействующий с толкателем, работают на сжатом воздухе, а не на электрическом токе. При радиационном фоне в канале устройство в целом будет работать стабильно и надежно, без выхода из строя, т.к. давление воздуха будет постоянным и пневматическое оборудование дольше остается работоспособным в отличие от электрического.
Таким образом, конструктивное исполнение устройства отбора проб графита в реакторах канального типа, применение сжатого воздуха для работы устройства и автоматизация всего процесса повышают эффективность достигаемого результата при отборе проб.
Следовательно, всей совокупностью указанных конструктивных особенностей реализуется указанный технический результат, заключающийся в обеспечении качественно улучшенного и надежного процесса выбуривания целостного керна из графитовой кладки под углом 90° к оси канала на любой глубине канала при устойчивой фиксации пробоотборного механизма в условиях радиационного фона.
Сущность технического решения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми чертежами.
На Фиг.1 показано схематичное расположение основных конструктивных элементов устройства отбора проб графита в реакторах канального типа и некоторых вспомогательных элементов, где:
1 - несущая штанга,
2 - пробоотборник,
3 - трубчатая фреза,
4 - механизм вращения и подачи трубчатой фрезы,
5 - блок управления,
6 - пневмокабельный шлейф,
7 - блок подготовки воздуха,
8 - сегменты,
9 - указатель направления выхода фрезы,
10 - керн,
11 - графитовый блок,
12 - пневматический центратор.
Устройство отбора проб графита в реакторах канального типа состоит из несущей штанги (1), соединенной с пробоотборником (2), трубчатой фрезы (3), механизма вращения и подачи трубчатой фрезы (4), размещенной в пробоотборнике, блока управления (5), к которому подключен механизм вращения и подачи трубчатой фрезы при помощи пневмокабельного шлейфа (6), блока подготовки воздуха (7), соединенного с блоком управления. Несущая штанга сборная и состоит из сегментов (8), количество которых определяется необходимой длиной штанги. На верхнем сегменте несущей штанги расположен указатель направления выхода фрезы (9).
На Фиг.2 показана в разрезе конструкция пробоотборника с размещенным внутри механизмом вращения и подачи трубчатой фрезы, расположенного в канале реактора при выбуривании керна из графитового блока, где:
3 - трубчатая фреза,
10 - керн,
11 - графитовый блок,
12 - пневматический центратор,
13 - разъемы подключения пневмокабельного шлейфа,
14 - корпус пробоотборника,
15 - пневмоцилиндр двустороннего действия,
16 - толкатель,
17 - пневмодвигатель,
18 - редуктор,
19 - шестерня длинная,
20 - шестерня,
21 - каретка,
22 - направляющая,
23 - обламыватель.
На верхнем торце пробоотборника располагаются разъемы подключения пневмокабельного шлейфа (13). На корпусе пробоотборника (14) размещают не менее одного пневматического центратора (12), для фиксации устройства в момент выбуривания керна (10) из графитового блока (11). Внутри корпуса пробоотборника размещены пневмоцилиндр двустороннего действия (15), соединенный с толкателем (16), и пневмодвигатель (17), соединенный с редуктором (18), которые предназначены для подачи и вращения трубчатой фрезы (3) при работе устройства. Пневмоцилиндр (15) через толкатель (16) приводит в движение каретку (21), на которой установлена трубчатая фреза (3), и каретка с фрезой могут двигаться по направляющей (22) в заданном направлении. Пневмодвигатель (17) обеспечивает вращение трубчатой фрезы (3) через редуктор (18), шестерню длинную (19), шестерню (20), расположенную на каретке (21), на которой установлена фреза. Трубчатая фреза (3) содержит обламыватель (23) для извлечения кернов (10) заданной длины.
Устройство отбора проб графита в реакторах канального типа собирается и работает следующим образом.
В пробоотборнике (2) размещают трубчатую фрезу (3) в механизме вращения и подачи трубчатой фрезы (4). Несущая штанга (1) предназначена для транспортировки пробоотборника (2) к месту отбора керна (10) и собирается из необходимого количества сегментов (8) в зависимости от глубины места отбора. На верхнем сегменте несущей штанги размещают сегмент с указателем направления выхода фрезы (9). К нижнему сегменту несущей штанги крепится пробоотборник (2). К верхнему торцу пробоотборника, где расположены разъемы подключения пневмокабельного шлейфа (13), подключают пневмокабельный шлейф (6), который идет к блоку управления (5). Пневмокабельный шлейф (6) располагают внутри полой несущей штанги (1). Блок подготовки воздуха (7) подключается к компрессору или магистрали сжатого воздуха и к блоку управления (5). Затем подводится питание и включается блок управления (5). Устройство готово к работе.
Несущую штангу (1) с пробоотборником (2) погружают в канал графитового блока (11) к месту отбора керна (10) и выставляют направление выхода трубчатой фрезы (3) указателем направления выхода фрезы (9). Подача сжатого воздуха на пневматические устройства осуществляется от блока управления (5) по трубкам пневмокабельного шлейфа (6). Сброс отработанного воздуха осуществляется во внутреннюю полость несущей штанги (1). При нажатии на блоке управления (5) кнопки центрирования осуществляется подача сжатого воздуха на пневматический центратор (12), который выдвигается из корпуса пробоотборника (14) до упора, фиксируя положение устройства в канале реактора и обеспечивая плотное прилегание к графитовому блоку (11). При этом пневматических центраторов может быть больше одного, как показано на Фиг.2. При нажатии на блоке управления (5) кнопки вращения фрезы осуществляется подача сжатого воздуха на пневмодвигатель (17) и через редуктор (18), длинную шестерню (19) и шестерню (20) на каретке (21) передается вращение трубчатой фрезе (3), т.к. она установлена на каретке. Длинная шестерня (19) обеспечивает постоянное вращение трубчатой фрезы (3) за счет движения каретки (21) с фрезой вдоль длинной шестерни, от исходного положения до максимального вылета трубчатой фрезы из пробоотборника (2). При нажатии на блоке управления кнопки движения фрезы осуществляется подача сжатого воздуха на пневмоцилиндр двустороннего действия (15), который двигает толкатель (16) и каретка (21) в пазе в толкателе смещается по направляющей (22), тем самым выдвигая трубчатую фрезу (3). Направляющих (22) может быть больше одной в зависимости от выбранной конструкции. Трубчатая фреза (3) выбуривает под углом 90° к оси канала пробу графита - керн (10), который размещается внутри фрезы. Внутри трубчатой фрезы (3) размещают обламыватель (23), который предназначен для обламывания керна (10) при достижении его заданной длины. Обламыватель (23) представляет собой пластинку необходимой длины на небольшом цилиндре. Керн (10), заходя на эту пластинку, наклоняется и обламывается. Можно выбирать необходимую длину обламывателя (23) для регулировки длины керна (10), чем длинней будет пластинка на обламывателе, тем короче будет керн. При достижении максимального значения выдвижения трубчатой фрезы (3) на индикаторе блока управления (5) выполняется действие в обратном порядке. Нажимаем кнопку движения фрезы на блоке управления (5) и трубчатая фреза (3) задвигается обратно в корпус пробоотборника (14), т.к. осуществляется подача сжатого воздуха на пневмоцилиндр двустороннего действия (15), который двигает толкатель (16) и каретка (21) в пазе в толкателе смещается по направляющей (22), тем самым задвигая трубчатую фрезу (3). Убедившись по индикатору на блоке управления (5), что трубчатая фреза (3) полностью убрана в корпус пробоотборника (14), нажимаем кнопку вращения фрезы на блоке управления (5), отключается подача сжатого воздуха и вращение трубчатой фрезы (3) прекращается. Далее нажимаем кнопку центрирования на блоке управления (5) и пневматический центратор (12) задвигается в корпус пробоотборника (14). Устройство можно вынимать из канала реактора и извлекать взятую пробу графита.
Блок управления (5) обеспечивает подачу сжатого воздуха на пробоотборник (2) и контроль за положением и вращением трубчатой фрезы (3).
Блок подготовки воздуха (7) обеспечивает подачу и очистку сжатого воздуха и подвод смазочного материала из резервуара в поток сжатого воздуха, поступающего к пробоотборнику (2).
Пример использования изобретения.
На реакторе канального типа РБМК было проведено тестирование работы заявленного устройства под управлением двух операторов. Один оператор находился у блока управления, а второй, непосредственно у каналов реактора. В собранное и подвешенное за штангу на кране устройство установили трубчатую фрезу с обламывателем. При этом корпус проботборника снабжен двумя пневматическими центраторами. Выполнили отбор графитовых проб - кернов из графитовых блоков на различной глубине в трех каналах в течение 4-х часов. Устройство работало без сбоев, было отобрано 30 целостных кернов. В среднем на отбор одной пробы по полному циклу работы устройства уходило 8 минут с учетом процессов передвижения крана к нужному каналу, погружения пробоотборника на заданную глубину канала и установки направления выхода фрезы, которые занимают большее время, чем сам процесс выбуривания керна. В каналах реактора был допустимый уровень радиации. В Таблице 1 приведены данные по эксперименту.
Эксперимент показал, что все выбуренные керны целостные и имеют заданную длину, сборка несущей штанги заданной длины производится быстро, за счет ее сборной конструкции из сегментов, размещение устройства на заданную глубину канала и плотное прилегание к месту отбора керна происходило в автоматическом режиме, как и сам процесс выбуривания керна из графитовой кладки под углом 90° к оси канала. При этом устройство работало в течение 4-х часов в условиях радиационного фона в каналах реактора и не вышло из строя за счет применения пневматического оборудования. Все работы были произведены быстро и качественно, что подтверждает заявленный технический результат.