Приспособление для извлечения трубы обсадной разгрузочно-загрузочной машины
DEVICE FOR EXTRACTION OF PIPE OF CASING UNLOADING-LOADING MACHINE

Изобретение относится к области атомного машиностроения, в частности к оборудованию, предназначенному для проведения транспортно-технологических операций при перегрузке топлива в составе разгрузочно-загрузочных машин (РЗМ) ядерных реакторов, например, исследовательской ядерной установки многофункционального быстрого исследовательского реактора (ИЯУ МБИР) на быстрых нейтронах, а также может быть использовано при извлечении длинномерных труб.
Труба обсадная используется для направления захвата РЗМ и для предотвращения перемещения элементов активной зоны, находящихся вокруг извлекаемого элемента активной зоны.
Для транспортировки трубы обсадной, ее установки и извлечения из ИЯУ МБИР предусмотрен штатный контейнер и захват. Отсутствие штатного контейнера при извлечении трубы обсадной приводит к невозможности извлечения трубы обсадной из активной зоны ИЯУ МБИР.
Ранее в проектах разгрузочно-загрузочных машин (Ленинградская АЭС, Курская АЭС и Смоленская АЭС) и перегрузочных машин успешно применялась традиционная схема захватных устройств с использованием управляющих стержней, но применение указанной схемы захватных устройств достаточно дорого и сложно в изготовлении. Современные реалии предъявляют новые требования к конструкциям, позволяющим снизить издержки изготовления.
Извлечение труб обсадных - это задача весьма сложная для осуществления, так как трубу обсадную возможно демонтировать исключительно через створ малой поворотной пробки, расположенной в центральном зале над реакторной установкой, причем извлечение окружающего оборудования не допускается. Ситуация осложняется тем, что в месте извлечения трубы обсадной отсутствуют какие-либо средства видеонаблюдения и возможность манипулирования захватным устройством. Поэтому приспособление для извлечения трубы обсадной РЗМ (далее - приспособление) должно без участия внешних манипуляций обеспечивать сцепление с трубой обсадной. При этом приспособление должно быть компактным и извлекаться после извлечения трубы в центральный зал над реакторной установкой.
Задачей, положенной в основу изобретения, является разработка приспособления для автоматического сцепления с трубой обсадной, а также для обеспечения высокой степени надежности зацепления и защиты от падения трубы обсадной при ее транспортировке в процессе извлечения из трубы направляющей переходной РЗМ, причем при минимальной стоимости и максимальной простоте изготовления.
Известно изобретение «Приспособление для установки трубы обсадной разгрузочно-загрузочной машины» (патент РФ на изобретение №2687244, МПК G21C 19/10, опубликован 08.05.2019 Бюл. №13), содержащее оправку, соединенный с ней осью кронштейн, два упора и неодимовые магниты, установленные на них для обеспечения управления перемещением упоров и поворотом оправки относительно кронштейна. При этом конструкция оправки выполнена одной деталью с возможностью поворота на оси и представляет собой сложно-пространственную конфигурацию, выполненную в виде двух цилиндров различных диаметров большего и меньшего, совмещенных друг с другом по одной оси (в одной проекции) и механически обработанных таким образом, что в другой проекции под углом 90° они в свою очередь образуют цилиндр с меньшим диаметром. Такая форма позволяет оправке с буртом свободно перемещаться внутри трубы обсадной в повернутом на 90° положении. Конструкция оправки оснащена резьбовым отверстием, гладкими отверстиями с уступами для упоров, прорезью для кронштейна и буртом для установки на него трубы обсадной Конструкция кронштейна оснащена объемным выпуклым выступом с отверстием для закрепления в нем магнитов для возможности взаимодействия с магнитами упоров. Приспособление выполнено с возможностью расфиксации с трубой обсадной только при воздействии на оба упора. Технический результат заключается в автоматическом обеспечении процесса расфиксации с трубой обсадной при ее установке в трубу направляющую переходную. Приведенное техническое решение направлено на выполнение функции по установке трубы обсадной, при этом применение указанного технического решения для извлечения трубы обсадной невозможно так как во взведенном исходном состоянии приспособление не пройдет через проходное сечение нижнего торца трубы обсадной. Прохождение приспособления через проходное сечение торца трубы обсадной после срабатывания упоров возможно, но это не приведет к зацеплению трубы обсадной с приспособлением, что исключает возможность извлечения трубы обсадной.
Для решения поставленной задачи предложено приспособление для извлечения трубы обсадной РЗМ с самоповорачивающейся относительно кронштейна оправкой и самоперемещающимися относительно оправки упорами. Принцип действия приспособления основан на взаимодействии магнитных полей неодимовых магнитов.
Приспособление включает соединенные между собой осью оправку и кронштейн, упоры, а также неодимовые магниты, установленные на упорах и ответно на оправке и кронштейне. Упоры размещены соосно в отверстиях оправки и выемке швеллерообразного выступа кронштейна и предназначены для фиксации оправки относительно кронштейна перед сцеплением с трубой обсадной и при последующей транспортировке трубы обсадной в процессе извлечения ее из штатного положения в трубе направляющей переходной РЗМ. Неодимовые магниты выполнены в форме шайб и предназначены для обеспечения управления перемещением упоров и поворотом оправки относительно кронштейна.
На оправке неодимовые магниты установлены с внутренних сторон прорези по окружности вокруг оси приспособления с интервалом в 90° с чередуемой разной полярностью со смещением относительно вертикальной оси приспособления, а на кронштейне - с двух сторон также по окружности вокруг вертикальной его оси с интервалом в 90° с чередуемой разной полярностью, но без смещения относительно совпадающих вертикальных осей кронштейна и приспособления. На упорах неодимовые магниты установлены разнополярно по отношению к магнитам, установленным в гладких отверстиях оправки.
Конструкция оправки выполнена с возможностью поворота на оси. Конструкция оправки, изготовленная заедино, представляет собой сложно-пространственную конфигурацию, выполненную в виде двух соосных цилиндров различных диаметров (большего и меньшего) в одной проекции и механически обработанных в другой проекции (под углом 90° к предыдущей проекции) таким образом, что образуют цилиндр с диаметром равным меньшему из диаметров. Такая форма оправки обеспечивает ей возможность свободного перемещения с буртом внутри трубы обсадной в повернутом на 90° положении.
Конструкция оправки оснащена: резьбовым отверстием для оси, гладкими отверстиями с уступами для упоров, выемками под магниты, прорезью для кронштейна и буртом для установки на него трубы обсадной.
Конструкция кронштейна выполнена в форме ключа и оснащена швеллерообразным в поперечном сечении и изогнутым по профилю выступом с выемкой по центру для закрепления в нем перемещающихся под воздействием магнитных сил упоров.
Конструкция приспособления содержит в частном случае выполнения, как минимум, два упора с возможностью их перемещения под воздействием притягивающих магнитных сил четырех магнитов: два магнита установлены в гладких отверстиях оправки и два магнита установлены на упорах.
При этом конструкция приспособления исключает возможность расфиксации приспособления и поворота оправки относительно кронштейна в трубе обсадной. Расфиксация возможна только при одновременном воздействии магнитных сил на все упоры.
Конструкция оправки оснащена восемью магнитами (по четыре с каждой внутренней стороны прорези), расположенными по окружности вокруг оси приспособления со смещением, которое составляет 10-15° относительно вертикальной оси оправки по направлению к гладким отверстиям для упоров, а конструкция кронштейна ответно оснащена также восемью магнитами.
В частном случае выполнения для повышения силы притяжения возможно дополнительное использование секторного размещения неодимовых магнитов на оправке и ответно на кронштейне.
Технический результат заключается в автоматическом обеспечении процесса фиксации приспособления с трубой обсадной при ее извлечении из трубы направляющей переходной РЗМ.
При использовании настоящего изобретения одновременно достигаются следующие технические результаты:
- расширение технологических возможностей ИЯУ МБИР;
- ускорение извлечения трубы обсадной, входящей в состав трубы направляющей переходной РЗМ.
Технические результаты достигаются за счет:
- самоповорачивающейся (с возможностью поворота на 90°) оправки с буртом, управляемой неодимовыми магнитами, что позволяет свободно поместить приспособление в трубу обсадную, которая установлена в штатном положении в трубе направляющей переходной РЗМ;
- выполнения оправки одной деталью, сложная пространственно-геометрическая форма которой, получена в результате механической обработки заготовки в двух проекциях пересечением цилиндрических поверхностей и представляет собой две твердотельные цилиндрические поверхности с очерковыми цилиндрическими образующими большего и меньшего диаметра (по отношению к диаметру трубы обсадной) во фронтальной проекции и цилиндрическую поверхность с очерковой цилиндрической образующей меньшего диаметра в профильной проекции, расположенной к первой под углом 90°, что позволяет приспособлению свободно перемещаться внутри трубы обсадной в одном положении оправки (когда ее бурт расположен вдоль оси трубы обсадной) и стопориться в другом положении оправки (когда ее бурт расположен перпендикулярно оси трубы обсадной);
- наличия бурта у оправки, позволяющего входить в зацепление с нижним срезом трубы обсадной для возможности их совместного перемещения;
- кронштейна в форме ключа со швеллерообразным в поперечном сечении и изогнутым по профилю выступом с выемкой по центру для закрепления в нем взаимодействующих между собой упоров, что обеспечивает фиксацию упоров в выемках стенок швеллерообразного выступа кронштейна, препятствующую повороту оправки относительно кронштейна при прохождении приспособления внутри трубы обсадной и ее заклиниванию;
- наличия, как минимум, двух управляемых неодимовыми магнитами упоров с возможностью их перемещения, что обеспечивает фиксацию положения оправки от поворота относительно кронштейна при перемещении приспособления внутри трубы обсадной, а также расфиксацию оправки относительно кронштейна перед зацеплением с трубой обсадной;
- выполнения приспособления с исключением возможности его расфиксации с трубой обсадной после сведения упоров и поворота оправки относительно кронштейна, вследствие невозможности возвращения приспособления в исходное состояние без использования специальной оснастки из-за взаимного притяжения задействованных магнитов, что обеспечивает надежную защиту от падения трубы обсадной при осуществлении процесса ее извлечения из штатного положения.
Изобретение поясняется следующими чертежами, представленными на фиг. 1-20:
фиг. 1 - конструкция приспособления (вид  спереди);
фиг. 2 - конструкция приспособления (главный вид, осевой разрез);
фиг. 3 - конструкция оправки (главный вид, фронтальная проекция);
фиг. 4 - конструкция оправки (вид права, профильная проекция);
фиг. 5 - разрез В-В на фиг. 4;
фиг. 6 - разрез Г-Г на фиг. 5;
фиг. 7 - конструкция оправки;
фиг. 8 - конструкция оправки;
фиг. 9 - конструкция кронштейна (вид  спереди);
фиг. 10 - конструкция кронштейна (главный вид, фронтальная проекция);
фиг. 11 - конструкция кронштейна (вид справа, профильная. проекция);
фиг. 12 - разрез А-А на фиг. 2 (конструкция оси);
фиг. 13 - разрез Б-Б на фиг. 2 (конструкции упоров и их расположение относительно друг друга);
фиг. 14 - показано исходное положение приспособления перед заходом в малый диаметр трубы обсадной;
фиг. 15 - разрез Д-Д на фиг. 14 (расположение упоров);
фиг. 16 - показано положение оправки до ее поворота на выходе приспособления из трубы обсадной;
фиг. 17 - разрез Е-Е на фиг. 16 (расположение упоров);
фиг. 18 - показано положение оправки после ее поворота для сцепления приспособления с трубой обсадной;
фиг. 19 - разрез Ж-Ж на фиг. 18 (расположение упоров);
фиг. 20 - показано приспособление в сцеплении с трубой обсадной при их совместном перемещении.
Конструкция приспособления 1 (фиг.1 и 2) в частном случае выполнения состоит из: оправки 2, кронштейна 3, оси 4, двух упоров 5 (5(1), 5(2)) и неодимовых магнитов 6 (частично показаны) общим количеством 20 штук.
Оправка 2 (фиг. 3-8, 20) предназначена для установки на ее бурт 7 (фиг. 2) трубы обсадной 18 (фиг. 20). Конструкция оправки 2 выполнена с возможностью поворота ее на оси 4. Оправка 2 изготовлена одной деталью из твердотельного материала. Сложно-пространственная конфигурация оправки 2 представляет собой два цилиндра (фиг. 3, 6, 7, 8) различных диаметров, большего 19 и меньшего 20 (больший 19 равен наружному диаметру нижнего среза трубы обсадной 18, а меньший 20 меньше внутреннего диаметра нижнего среза трубы обсадной 18), совмещенных друг с другом по одной оси в одной проекции (фронтальной) и механически обработанных таким образом, что при повороте на 90° в другой проекции (профильной) они в свою очередь образуют цилиндр с меньшим диаметром 20 (фиг. 4). Такая форма оправки 2 позволяет ей с буртом 7 свободно перемещаться внутри трубы обсадной 18 в одном положении и стопориться в другом. Конструкция оправки 2 (фиг. 3-8) оснащена: резьбовым отверстием 8 для оси 4, расположенным по центру оправки 2; гладкими отверстиями 9 с уступами 21 для упоров 5, расположенными в частном случае выполнения, в левой верхней части (на вертикальном цилиндре большего диаметра 19, при фиксации оправки 2 на кронштейне 3, исходное положение приспособления) оправки 2 относительно центрального резьбового отверстия 8 для обеспечения поворота оправки 2 против часовой стрелки; прорезью 10 (фиг. 4, 6, 7 и 8) для возможности расфиксации кронштейна 3, выполненной по центру оправки 2 перпендикулярно оси резьбового отверстия 8 с фигурной выемкой 22 под нижнюю часть кронштейна 3; выемками 6' под магниты 6 (6(S), 6(N)) (фиг. 4, 7 и 8); буртом 7 для установки на него нижнего среза трубы обсадной 18, выполненным в нижней части оправки 2 (на верхнем торце вертикального цилиндра большего диаметра 19). На внутренних поверхностях прорези 10 оправки 2 с двух сторон в выемках 6' (фиг. 4, 7 и 8) установлены восемь неодимовых магнитов 6 (6(S), 6(N)) (фиг. 5, 6) (по четыре с каждой стороны), расположенные с чередуемой разной полярностью по окружности вокруг оси 4 со смещением 10-15° против часовой стрелки относительно вертикальной оси оправки 2.
Кронштейн 3 (фиг. 9, 10 и 11) предназначен для удержания оправки 2 на грузовом тросе (не показан) и ограничения поворота оправки 2 вокруг оси 4 при ее перемещении вниз по трубе обсадной. Конструкция кронштейна 3 (фиг. 9) в форме ключа оснащена: швеллерообразным в поперечном сечении и изогнутым по профилю выступом 11 с выемкой 12 по центру, для закрепления в нем перемещающихся запоров 5 (5(1), 5(2)) под воздействием четырех неодимовых магнитов 6 (6(S), 6(N)), установленных на этих упорах (фиг. 13); отверстием 13 для крепления оси 4 и отверстием 14 для закрепления грузового троса, а также выемками 6' ((6'(S), 6'(N)) под установку магнитов 6 (6(S), 6(N)), расположенными по окружности вокруг отверстия 13. Выемки 6' ((6'(S), 6'(N)), предназначенные для установки неодимовых магнитов 6 (6(S), 6(N)), выполнены на кронштейне 3 с двух сторон (по четыре с каждой стороны) и расположены по окружности без смещения относительно вертикальной оси кронштейна 3.
Оптимальное количество магнитов 6 (6(S), 6(N)) равное 16 (по четыре с каждой стороны на оправке 2 и на кронштейне 3) выбрано для того, чтобы обеспечить поворот оправки 2 четко на 90° против часовой стрелки. В частном случае выполнения приспособления для повышения силы притяжения оправки к кронштейну возможно секторное размещение магнитов 6 (6(S), 6(N)).
Оправка 2 и кронштейн 3 соединены между собой осью 4 (фиг. 12), предназначенной для удержания оправки 2 на кронштейне 3. С одной стороны на оси 4 имеется резьба 15 для закрепления ее в резьбовом отверстии 8 на оправке 2.
Упоры 5 (5(1), 5(2)) (фиг. 1, 2, 13) в частном случае реализации, в количестве двух предназначены для фиксации оправки 2 от поворота относительно кронштейна 3 за счет притяжения разнополярно установленных на них неодимовых магнитов 6 (6(S), 6(N)) при перемещении приспособления 1 внутри трубы обсадной 18 (фиг. 14-17), которая находится в штатном положении в трубе направляющей переходной (не показана), а также для фиксации положения оправки 2 относительно кронштейна 3 в процессе транспортировки приспособления 1 с трубой обсадной 18 при ее извлечении. В собранном приспособлении 1 упоры 5 (5(1), 5(2)) (фиг. 1 и 2) размещены соосно в гладких отверстиях 9 оправки 2 (фиг. 7 и 8) и в выемке 12 выступа 11 кронштейна 3 (фиг. 9, 10 и 11) навстречу друг другу. Каждый из упоров 5 (5(1), 5(2)) (фиг. 13) состоит из оголовка 16 и оси 17, соединенных между собой с помощью резьбы. На каждом из упоров 5 (5(1), 5(2)) установлено по одному неодимовому магниту 6 (6(S), 6(N)) для обеспечения возможности перемещения упоров 5 (5(1), 5(2)) под воздействием притягивающих магнитных сил.
Магниты 6 (6(S), 6(N)) в количестве 20 штук, выполненные в форме шайб и установленные на кронштейне 3, оправке 2 и упорах 5 (5(1), 5(2)), представляют собой неодимовые магниты, которые обладают высокой мощностью притяжения и высокой стойкостью к размагничиванию. С их помощью под воздействием отталкивающих либо притягивающих магнитных сил обеспечивается управление поворотом оправки 2 относительно кронштейна 3 и управление перемещением упоров 5 (5(1), 5(2)).
Принцип действия приспособления 1 основан на взаимодействии полей магнитов. На кронштейне 3 и оправке 2 неодимовые магниты 6 (6(S), 6(N)) установлены разнополярно по окружности вокруг оси 4 с интервалом в 90°. Для обеспечения необходимого направления поворота оправки 2 магниты 6 (6(S), 6(N)) установлены со смещением на оправке 2 и без смещения на кронштейне 3. Для обеспечения перемещения упоров 5 (5(1), 5(2)) магниты 6 (6(S), 6(N)) установлены на упорах 5 (5(1), 5(2)) и в гладких отверстиях 9 оправки 2 разнополярно.
Приспособление 1 выполнено таким образом, что его расфиксация оправки 2 и кронштейна 3 возможна только при воздействии магнитного поля одновременно на оба упора 5 (5(1), 5(2)), тем самым приспособление 1 защищено от раскрытия его внутри трубы обсадной 18.
Все детали за исключением неодимовых магнитов 6 (6(S), 6(N)) выполнены из немагнитной нержавеющей стали (например, 12Х18Н10Т).
Работа приспособления 1 происходит следующим образом.
Перед началом ввода в трубу обсадную 18, установленную в штатном положении в трубе направляющей переходной (не показана), приспособление 1 через отверстие 14 в кронштейне 3 закрепляют на стропе крана (не показана) с помощью грузового троса. С помощью крана приспособление 1 подводят к верхнему срезу трубы обсадной 18 и опускают его до меньшего диаметра трубы обсадной 18 (фиг.14).
В исходном положении упоры 5 (5(1), 5(2)) разведены и фиксируют оправку 2 от поворота относительно кронштейна 3. При этом упоры 5 (5(1), 5(2)) выходят (выступают) своими оголовками 16 за габариты оправки 2 (фиг.15).
По мере прохождения приспособлением 1 меньшего диаметра трубы обсадной 18 (фиг. 16) упоры 5 (5(1), 5(2)) обжимаются стенками трубы обсадной 18, входя в выемку 12 выступа 11 кронштейна 3. Происходит утапливание обоих упоров 5 (5(1), 5(2)) внутрь оправки 2 и их притягивание друг к другу за счет сил притяжения разнополярных магнитов 6 (6(S), 6(N)), расположенных на упорах 5 (5(1), 5(2)) и в уступах 21 гладких отверстий 9 оправки 2. Упоры 5 (5(1), 5(2)) сцепляются (фиг. 17) за счет сил притяжения разнополярных магнитов 6 (6(S), 6(N)) и соответственно расфиксируют положение кронштейна 3, что позволяет оправке 2 повернуться относительно кронштейна 3.
Расфиксация оправки 2 и кронштейна 3 возможна только при воздействии одновременно на оба упора 5 (5(1), 5(2)), благодаря этому приспособление 1 защищено от раскрытия его внутри трубы обсадной 18.
После прохождения диаметра нижнего среза трубы обсадной 18 приспособление 1 под действием силы тяжести продолжает движение вниз (фиг. 18) на расстояние, при котором оправка 2 начинает поворачиваться относительно кронштейна 3 вокруг оси 4 за счет сил отталкивания между одноименными магнитами 6 (6(S), 6(N)) (фиг. 12), ответно расположенными по окружности вокруг оси 4 на оправке 2 и на кронштейне 3.
Неодимовые магниты 6 (6(S), 6(N)), установленные со смещением на оправке 2, позволяют обеспечить необходимое направление поворота. При этом упоры 5 (5(1), 5(2)) (фиг. 19) остаются в сцепленном положении между собой. Перемещению сцепленных упоров 5 (5(1), 5(2)) препятствует глубина гладких отверстий 9 оправки 2, так как после смыкания упоры 5 (5(1), 5(2)) упираются своими оголовками 16 в уступы 21 гладких отверстий 9. Окончательный поворот оправки 2 (поворот на 90° против часовой стрелки) происходит за счет притяжения уже разноименных магнитов 6 (6(S), 6(N)), расположенных по окружностям вокруг оси 4 на оправке 2 и на кронштейне 3.
После поворота оправки 2 (фиг. 18) относительно оси 4 на 90° бурт 7 оправки 2 находится в положении, когда он расположен поперек оси трубы обсадной 18, и поэтому его внешние габариты препятствуют извлечению приспособления 1 из трубы обсадной 18. При этом упоры 5 (5(1), 5(2)) (фиг. 19) находятся в сцепленном состоянии, утоплены внутри гладких отверстий 9 и за габариты оправки 2 не выступают.
Далее с помощью крана приспособление 1 начинают поднимать. Бурт 7 оправки 2 плотно прижимают к нижнему срезу трубы обсадной 18 (фиг. 20) для того, чтобы в дальнейшем препятствовать ее перемещению вниз при транспортировке вверх. Осуществлено зацепление приспособления 1 с трубой обсадной 18.
Зацепленную трубу обсадную 18 окончательно извлекают с помощью приспособления 1 и крана со штатного места в трубе направляющей переходной РЗМ. Приспособление 1, упираясь своим буртом 7 в нижний срез трубы обсадной 18, вынимает ее из трубы направляющей переходной РЗМ.
Таким образом, при помощи приспособления 1 обеспечивается его надежное сцепление с трубой обсадной 18 и автоматическая фиксация с ней в процессе извлечения трубы обсадной из трубы направляющей переходной РЗМ. При этом обеспечивается высокая степень надежности зацепления и защиты от падения трубы обсадной 18 при ее извлечении.
Преимущества применения предлагаемого приспособления:
- просто в изготовлении;
- низкая стоимость по сравнению со стандартным захватным устройством;
- высокая технологичность производства;
- надежность конструкции;
- процесс сцепления приспособления с трубой обсадной для ее извлечения из трубы направляющей переходной РЗМ происходит без участия дополнительных манипулирующих устройств.