1. 概述
装卸料机是压水堆核电站反应堆厂房换料工艺中的关键设备，用于堆芯与转运装置承载器之间转运燃料组件。燃料组件抓具位于装卸料机的最下端，负责在水下抓取燃料组件。在某电站装卸料机执行首堆装料工作时，发生了燃料组件抓具卡滞的故障，导致装料暂停，需要排水检修抓具，影响装料节点的故障。
2. 事件经过
某电站装卸料机在制造完成后，在试验台架上进行了设备的调试及出厂试验，核电现场安装及调试均验收合格。
在装料模拟演练及正式装料开始阶段设备运行正常。直到堆芯准备装入第76组燃料组件时，发生了抓具脱扣灯无法获取信号的情况。在这种情况下，操作员将燃料组件转运回转运装置承载器中。业主方通知设计院及厂家人员到场，分析故障原因。通过故障现象，初步判断可能是气缸或抓具的问题。
首先，检查气缸下部接杆尺寸是否有松动或增长。这个尺寸的增加会引起脱扣和行程终点下移，传感器无法接收到信号。经检查，未出现这种情况。
其次，检查气缸上部接杆是否与悬吊头下部法兰存在干涉。通过试提升载荷，检查抓具自锁行程的距离，排除了这个原因。
第三，检查气路漏气和气缸本体有无渗水的情况。对控制气路的接头进行了密封检查，发现局部存在漏气的情况，经过保压检查，气路整体压降不大，不影响抓具控制操作。再对气缸进行分析，如气缸进水较多或者气缸出杆卡死等故障，会影响气缸的行程。打开气缸接头，发现气缸内部密封良好，可以排除气缸故障。
排除上述故障后，所有故障现象都显示抓具的滑动套筒行程不到位，导致夹紧套筒中联锁滚柱无法到达解锁位置。由于是抓具机械故障，故只能通过排水后对抓具进行拆除和维修。
3.故障原因分析
拆解后的抓具呈现出滑动套筒和缸体内表面沿垂直方向出现了严重的划伤情况。由于滑动摩擦力增大，抓具滑动套筒无法在气缸作用下到达脱扣位置，影响了夹紧套筒自锁行程完成，无法实现抓具的脱扣操作。滑动套筒与缸体滑动运动副之间表面划伤的产生原因主要包括有异物侵入摩擦副、加工、安装不当（缸体上的螺钉、螺钉孔毛刺等有可能划伤滑动套筒）或是局部受力状态不好，反复摩擦产生磨损等。
图1 故障抓具滑动套筒和缸体划伤情况简图
抓具在操作过程中主要有两个摩擦副，夹紧套筒与缸体外表面、滑动套筒与缸体内表面。其中，夹紧套筒与伸缩套筒外套筒（外层）采用螺栓连接在一起，缸体与伸缩套筒φ108x4管（中间层）采用螺栓连接在一起，滑动套筒与伸缩套筒φ76x3管（内层）采用销轴连接在一起。它们之间会因为抓具的导向销所定位置与伸缩套筒外套筒轴线位置不一致产生较大的横向作用力。该作用力通过夹紧套筒上的轴承传递到缸体上。
本设备抓具的缸体与滑动套筒分别与伸缩套筒中间层及内层连接，上下存在两个配合面，分别是伸缩套筒的齿轮盘下方的铜套配合面以及抓具内部105H9/d9配合面，伸缩套筒与抓具内层连接依靠销轴把φ76x3管连接到抓具的驱动叉杆上，考虑到损伤最严重位置为160°，340°，正好是驱动叉杆销轴的轴线方向，且当抓具拆掉，仅仅靠伸缩套筒上铜套的配合面，φ76x3管可以在φ108x4管内部晃动两个因素，当缸体受侧向力时，伸缩套筒φ108x4管与φ76x3管会同时倾斜（微变形），此时驱动叉杆铰接处，φ76x3管若沿销轴轴线滑动（或倾斜），将会导致105H9/d9配合尺寸产生较大侧向力。
从伸缩套筒的气缸下出杆开始，进入铜套的配合面，下部经过φ76x3管传递到抓具的驱动叉杆上，考虑到损伤最严重位置为160°，340°，正好是驱动叉杆销轴的轴线方向，当缸体受侧向力时，伸缩套筒φ108x4管与φ76x3管会同时倾斜（微变形），但驱动叉杆铰接处，φ76x3管若沿销轴轴线滑动（或倾斜），会导致105H9/d9配合尺寸产生较大侧向力。同时，在后边直插燃料组件时，由于本机组装卸料机堆芯定位存在较大偏差，因此在此状态下产生了磨损。
4. 抓具故障解决方案
装卸料机抓具故障只能对抓具进行拆除和解体维修。这个故障在反应堆和换料水池充水以后，还需要通过排水的方式解决。这种方式花费巨大的工作量和时间成本。
对上述问题的解决方案可以从三方面考虑：一是设计新抓具，简化结构，降低故障率，新抓具的研发将结合方家山改造项目进行；二是对现有抓具进行局部大改，彻底解决故障点，并进行严格和苛刻的验证；三是设计一套确保抓具与伸缩套筒能在短时间内顺利从装卸料机上部取出进行维修的结构。
1）设计新抓具
依托目前抓具科研工作成果，设计完成了一套抓具结构。该结构具备结构简单，结构故障点少，免维护周期长等优点。抓具故障率情况，还在进行实测过程中。
2）局部改造抓具
在现有抓具结构基础上，继续对抓具结构进行局部优化设计。设计上以减小划伤位置的接触面，重新设计导向位置，增加结构对异物的容错能力。主要的设计改变如下：
抓具尺寸改变后，将制造一个抓具进行试验。试验采用设定偏心抓取操作对象和横向增加作用力的方式进行极限操作的耐久性验证。
5.总结
本次抓具故障出现的故障应该引起高度重视。这些问题暴露出装卸料机设备可靠性有待进一步提高，故障导致装料时间的增加，影响到电站的经济性。应该从设计、制造、安装、调试、操作等各方面去查找原因，研究解决问题的方法。在设计上，装卸料机需改进和提升的方面还很多，对设备可靠性的分析做得很不足；在制造上，设备零部件的尺寸是否能经得起检验，也存在不确定因素；在安装上，制造厂的安装和现场安装是否全面满足设计要求；在调试上，也许现场调试文件不够系统和有针对性，但是调试是为实际运行服务的，应该针对现场情况增加相应的调试要求；在操作上是否准确定位，尽量减小侧向力。
装卸料机作为核电站装卸料的关键设备，高的可靠性和安全性一直是设计追求的目标，希望通过这次装料过程暴露的问题，能使我们进一步认识到设备的可靠性对核电站的重要性。
