遙操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是中國(guó)聚變工程實(shí)驗(yàn)堆(CFETR)中的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，其中遙操作車的密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在整個(gè)停堆維護(hù)過(guò)程中起著重要作用，它是保證操作者可以安全、可靠和可重復(fù)性執(zhí)行針對(duì)不同維護(hù)對(duì)象的維護(hù)任務(wù)的前提。文中首先介紹了CFETR 遙操作轉(zhuǎn)運(yùn)車以及雙密封門的設(shè)計(jì)，針對(duì)多層密封的特點(diǎn)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)；然后對(duì)密封圈的選材做了分析，并詳細(xì)計(jì)算了所需密封力的大小，根據(jù)結(jié)果選擇硬度50HS 的氟橡膠作為密封圈材料；最后設(shè)計(jì)了檢漏的方案，對(duì)泄露情形做了分析，計(jì)算了壓降和隨時(shí)間變化關(guān)系，結(jié)果滿足操作時(shí)間要求和系統(tǒng)安全要求。

　　中國(guó)聚變工程實(shí)驗(yàn)堆(CFETR)的目的在于，解決托卡馬克裝置中與氚自持及堆芯部件遠(yuǎn)程維護(hù)相關(guān)的工程難題。聚變反應(yīng)堆的堆芯部件(裝置主機(jī)、內(nèi)部部件、窗口插件等)在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)受到放射性和有毒物質(zhì)的污染，為了限制操作人員與有毒物質(zhì)及電離輻射的接觸，在對(duì)其維護(hù)中需要借助于遙操作手段在裝置外部通過(guò)機(jī)器人完成相應(yīng)部件的檢查、裝配、拆卸、焊接、運(yùn)輸、去污、儲(chǔ)存、修復(fù)等操作。遙操作轉(zhuǎn)運(yùn)車(下簡(jiǎn)稱CASK)作為遠(yuǎn)程維護(hù)的子系統(tǒng)，為真空室內(nèi)部組件以及遙操作維護(hù)設(shè)備在熱室和真空室之間的遙控轉(zhuǎn)運(yùn)，提供了一個(gè)可靠的、密閉的承載容器。其中，多層密封系統(tǒng)是CASK 車體與真空室窗口、熱室對(duì)接的關(guān)鍵，它為整個(gè)對(duì)接過(guò)程提供了可靠的密封環(huán)境。

　　CASK 在工作運(yùn)行期間會(huì)受到核污染物泄漏的影響，系統(tǒng)漏氣率必須很低，因此對(duì)CASK的真空室密封有很高的要求。而且為了保障CASK 內(nèi)部靈敏部件的壽命需要降低其所受輻射，CASK 與真空室窗口從對(duì)接到分離之間的時(shí)間限制在1 h 之內(nèi)，這1 h 內(nèi)要完成真空檢漏、拆裝螺釘、裝卸內(nèi)部部件等任務(wù)，所以需要緊湊完成。這些任務(wù)，真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.mp99x.cn/)認(rèn)為都需要通過(guò)恰當(dāng)?shù)拿芊饨Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和檢漏方案設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)，為實(shí)現(xiàn)定量評(píng)估還需要計(jì)算出系統(tǒng)漏率和檢漏持續(xù)時(shí)間等相關(guān)參數(shù)。

1、設(shè)計(jì)

　　1.1、CASK 整體設(shè)計(jì)

　　CASK 應(yīng)具有以下功能：(1) 為內(nèi)部組件提供真空或者保持密封，此舉是為了防止真空室污染(活化的塵埃、鈹、氚氣)的擴(kuò)散；(2)具有一定的承載能力(約一百噸)保持對(duì)內(nèi)部組件的裝載；(3) 有足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度來(lái)承受外部的各種應(yīng)力；(4) 自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)以及CASK 的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，可以精確定位及執(zhí)行；(5)內(nèi)部裝載各種機(jī)械臂，協(xié)助完成小車與真空室組件的交換；(6) 配置一套可靠的密封系統(tǒng)，完成與真空室及熱室的對(duì)接�；�于上述功能，將CASK 設(shè)計(jì)成上下兩部分，即上部的密封車體和下部的氣墊轉(zhuǎn)運(yùn)裝置。這樣設(shè)計(jì)的好處是，既能滿足運(yùn)載能力的要求，又能保證在與窗口對(duì)接后氣墊裝置與車體分離方便精確對(duì)接。而且在對(duì)接完成后，氣墊裝置可以與車體分離再裝配到另外的CASK 上，這樣就可以達(dá)到節(jié)省資源節(jié)省空間的目的。目前的標(biāo)準(zhǔn)CASK 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1 所示：

圖1 標(biāo)準(zhǔn)CASK 的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　密封的車體構(gòu)架材料采用316 L 不銹鋼，波紋鋼板的設(shè)計(jì)可以承受1.05 到0.90 bar 的內(nèi)部壓強(qiáng)，同時(shí)布置許多溝槽，用來(lái)加強(qiáng)內(nèi)部傳熱速率。底座托盤(pán)作為車體的直接支撐，在車體與真空室法蘭等對(duì)接時(shí)，內(nèi)部要設(shè)置有準(zhǔn)確的調(diào)整機(jī)制(CASK 校準(zhǔn)制動(dòng)器)。密封車體水平度調(diào)整用的電機(jī)和滑動(dòng)軸承，最大調(diào)整位移是20 mm。用于底座托盤(pán)垂直位型調(diào)整用的四個(gè)液壓剪型千斤頂，最大調(diào)整位移是75 mm。密封盒向前入塢動(dòng)采用齒輪齒條提供動(dòng)力，前后的最大位移是3米。表1 列出了CASK 自重及載重的情況。

表1 CASK 設(shè)計(jì)載重

　　CASK 在真空室和熱室之間的移動(dòng)，采取遙控方式進(jìn)行操作，包括與窗口對(duì)接的時(shí)候，對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)的控制、熱室平臺(tái)內(nèi)部的操作以及與真空室對(duì)接時(shí)維修部件的轉(zhuǎn)移，也都需要遙控完成。控制方式還需要考慮到在事故工況下，如何進(jìn)行遙操作營(yíng)救。與真空室和熱室對(duì)接時(shí)，要求有足夠的精度來(lái)滿足對(duì)接校準(zhǔn)和密封，避免與路徑上的物體邊界發(fā)生碰撞。在所有的工況條件下，CASK的移動(dòng)速度要在一個(gè)安全、可控的范圍內(nèi)(0 到1 km/h)。在低速的范圍內(nèi)，速度控制也要精確可靠。

　　1.2、雙密封門的設(shè)計(jì)

　　雙密封門讓CASK 與窗口之間的連接和分離，以一種可控的方式進(jìn)行，它最大限度減少了活化塵埃和氚的泄漏。雙密封門包括連接在一起的維護(hù)門和小車門。具體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 雙密封門結(jié)構(gòu)圖

　　雙密封門的打開(kāi)動(dòng)作，由伸縮桿和導(dǎo)軌輔助完成，在車體內(nèi)部向上傾斜，然后暫時(shí)儲(chǔ)存在車體內(nèi)部的頂部。小車門用于密封CASK 前端面，維護(hù)門用于密封真空室窗口法蘭。維護(hù)門和小車門的連接和分離，由一套卡口和插銷完成。為了避免真空室的污染物向大廳蔓延，在CASK 與真空室窗口法蘭分離前，為維護(hù)門必須與法蘭密封，直到下次CASK 完成與真空室對(duì)接。

　　1.3、多層密封的設(shè)計(jì)

　　真空室窗口和CASK 門之間的對(duì)接屬于兩個(gè)對(duì)接端面之間的密封連接，這是真空設(shè)備中常見(jiàn)的密封連接結(jié)構(gòu)。如果只依賴對(duì)接兩端面的直接密封，這種方式無(wú)法滿足氣密性要求。實(shí)驗(yàn)表明[1]即使對(duì)接兩端面的做工非常平整且粗糙度很低，一條0.20 nm 的刻痕就能使其漏率達(dá)到1×10^-8 Pam³/s。因此需要在兩個(gè)對(duì)接面之間設(shè)計(jì)可靠的密封方式，讓彈性體受壓時(shí)可以堵塞漏氣路徑，通過(guò)彈性體與密封面的緊密貼合實(shí)現(xiàn)真空密封。

　　CASK 與真空室對(duì)接的接口結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：對(duì)接法蘭機(jī)構(gòu)、真空室窗口法蘭、CASK前端表面、雙密封門。圖3 是小車密封門結(jié)構(gòu)沿對(duì)稱線剖開(kāi)看到的雙密封門的密封結(jié)構(gòu)圖的縱向剖視圖。

圖3 雙密封門的密封結(jié)構(gòu)

　　圖中點(diǎn)狀標(biāo)記的位置需要進(jìn)行密封。在CASK與真空室對(duì)接之前，首先要清理通道中的冷卻管道及相關(guān)儀器設(shè)備，然后安裝對(duì)接法蘭機(jī)構(gòu)。對(duì)接法蘭機(jī)構(gòu)主要提供了與車體前端的密封、與真空室窗口法蘭的密封、與維護(hù)門的密封，僅在維護(hù)階段使用。作用是盡量減少設(shè)備受到的放射性污染，以及在突發(fā)的地震工況下吸收建筑和真空室的位移差。

　　真空室窗口與對(duì)接法蘭之間的固定由螺栓提供，同時(shí)螺栓將提供O 圈所需要的密封力確保密封性。CASK 前端與對(duì)接法蘭的密封力由CASK自身提供，水平密封力大約20 t。其他部位的密封所需密封力，由螺栓及鎖緊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。該多層密封的特點(diǎn)是，首先它是由對(duì)接法蘭機(jī)構(gòu)連在一起的兩層門構(gòu)成，一個(gè)是用于密封CASK 的車前門，另一個(gè)是用于密封真空室窗口的維護(hù)門；其次，兩層門上都有用于實(shí)現(xiàn)密封的密封圈，這兩條密封圈不只是用來(lái)密封，還可利用它們之間的狹小封閉間隙來(lái)檢查密封是否存在泄漏(漏率應(yīng)小于1×10^-2 Pam³s^-1)。其他位置也需要密封圈，例如車前門和車體間、鎖緊機(jī)構(gòu)的插針與維護(hù)門間、維護(hù)門和真空室窗口間、車前門和整個(gè)雙密封門系統(tǒng)間。

2、分析

　　2.1、密封方式的選擇

　　從密封類型上來(lái)看，該密封屬于靜密封(即在連接件的中間不存在相對(duì)移動(dòng))。對(duì)于靜密封，能夠選擇方式有膨脹密封、金屬密封和彈性體密封。膨脹密封優(yōu)點(diǎn)是對(duì)密封力要求低，缺點(diǎn)是一旦發(fā)生失壓情形就徹底失去密封性從而導(dǎo)致泄漏，不滿足可靠性要求。

　　金屬密封的優(yōu)點(diǎn)是有很好的高溫穩(wěn)定性和化學(xué)兼容性，而且對(duì)輻射敏感度低。缺點(diǎn)卻比較多，第一是由于金屬密封是通過(guò)使金屬?gòu)椥宰冃文酥辆植康乃苄宰冃蝸?lái)達(dá)到密封面的緊密貼合，所以金屬密封比彈性體密封需要更大的封壓力；第二是金屬密封對(duì)表面粗糙度要求比較高，如果密封面不平整或者接觸面變形比較嚴(yán)重，金屬套筒很難與密封面貼合緊密；第三是連接件材料的熱膨脹系數(shù)之間相差懸殊就回容易因局部受熱形變而造成泄漏。

　　彈性體密封原理是，讓彈性體在密封腔內(nèi)產(chǎn)生壓縮形變，從而產(chǎn)生對(duì)密封腔初始?jí)嚎s應(yīng)力，達(dá)到密封的效果。該方式優(yōu)點(diǎn)是可反復(fù)拆卸安裝、在常溫下密封可靠、易于制作安裝，而且工業(yè)中有很多應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)；缺點(diǎn)是橡膠材料(彈性體)透氣率大，而且對(duì)于輻射也是比較敏感的。氟橡膠密封圈易于拆卸和安裝，成本較低，可以通過(guò)定期更換的方法來(lái)保障密封可靠性[4]。綜合考慮，最終選擇了彈性體密封。真空工程上常采用圓形或矩形截面的“O”形密封圈作為彈性體密封件(下簡(jiǎn)稱O 圈)。O 圈的密封性能好壞主要依賴于表面粗糙度及所用彈性體的氣壓、透氣性等因素決定。為了減小這些因素對(duì)密封的影響，應(yīng)該減小接觸表面的粗糙度，減小彈性體設(shè)計(jì)中暴露在真空側(cè)的表面積。雙密封門有兩個(gè)對(duì)接端面且動(dòng)態(tài)連接的地方都采用雙層O 圈密封。

　　2.2、密封力的計(jì)算及密封材料選擇

　　圖4 是雙密封門的雙層密封結(jié)構(gòu)的局部尺寸，其中密封圈截面直徑為10 mm，密封槽高度H=8 mm，壓縮尺寸大小g=2 mm。密封橡膠在70肖氏硬度(HS)、形變量在0.15 到0.30 內(nèi)單位長(zhǎng)度密封圈所需密封力見(jiàn)表2。由此表對(duì)應(yīng)的編號(hào)2、3可以得出單位長(zhǎng)度所需密封力w 在15.4 kg/cm至20.2 kg/cm 范圍內(nèi)，因?yàn)槊芊馊﹂L(zhǎng)度和密封力大小正相關(guān)，只要計(jì)算出密封圈的長(zhǎng)度就能知道所需的密封力大小。

圖3 雙密封門的密封結(jié)構(gòu)

圖4 密封圈局部尺寸

表2 密封圈的形變與密封力對(duì)應(yīng)表

　　測(cè)量長(zhǎng)方形法蘭邊緣的溝槽長(zhǎng)度，得到長(zhǎng)方形的密封圈長(zhǎng)250 cm 寬205 cm，因此密封圈總長(zhǎng)度是250×2+205×2=910 cm結(jié)合表中數(shù)據(jù)，密封力下限是，15.4×910=140 14 kg密封力上限是，20.0×910=18 382 kg因此，單圈密封圈需要14 t 到18 t 的壓力，即約為140 000 N 到180 000 N 的密封力。該密封力太大，會(huì)對(duì)裝置的穩(wěn)定性成很大的影響，要求很高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。所以需要降低密封力。因?yàn)樵谕瑯訔l件下，所需密封力越小對(duì)裝置結(jié)構(gòu)承載的需求就越小。雙密封門是基于CFETR 主機(jī)真空室窗口和CASK 車體尺寸而設(shè)計(jì)，密封圈的長(zhǎng)度是一定的，所以只可以通過(guò)減小密封圈直徑或使用硬度更低的材料來(lái)降低密封力，由于密封圈直徑太小會(huì)導(dǎo)致密封面的對(duì)準(zhǔn)要更精準(zhǔn)，對(duì)接面的機(jī)械加工要求也相應(yīng)提高，所以綜合考慮改為選用較軟的密封圈材料。選擇肖氏硬度為50HS 的氟橡膠，其單位長(zhǎng)度密封力下降至3.5kg/cm，這樣密封力就降低到約30 000 N 而且在其他的性能上與70HS 的并沒(méi)有太大區(qū)別。

　　2.3、檢漏分析

　　根據(jù)多層密封結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)以及CFETR 對(duì)真空漏率的要求，采用氦罩法進(jìn)行檢漏，即將被檢件用罩子罩起來(lái)，然后抽凈罩內(nèi)空氣并沖入氦氣，根據(jù)檢漏儀可檢測(cè)出是否存在漏孔的結(jié)論。檢漏方案如圖5 所示，對(duì)中間的密閉空間利用抽氣系統(tǒng)抽到負(fù)壓狀態(tài)，窗口和CASK 內(nèi)部布置兩個(gè)充氣通道。窗口充氣通道充氣，如果檢測(cè)到氦氣說(shuō)明窗口外圈漏氣，需要更換外圈，檢測(cè)不到不需更換；小車充氣通道充氣，如果檢測(cè)到氦氣說(shuō)明內(nèi)圈漏氣，需要更換內(nèi)圈，檢測(cè)不到不需要更換。

圖5 雙密封門檢漏示意圖

　　密閉空間壓力隨著時(shí)間變化的關(guān)系如圖6所示：

圖6 檢測(cè)時(shí)壓力下降和時(shí)間關(guān)系圖

　　由圖6 可以看出CASK 和窗口之間密封性漏率測(cè)試持續(xù)時(shí)間大約為14 min，檢漏時(shí)真空抽速大約為400 mm³/s，測(cè)試時(shí)允許漏率為33.4 Pamm3/s，這符合CFETR 對(duì)CASK 與真空窗口法蘭對(duì)接時(shí)間的要求，在檢測(cè)時(shí)密封系統(tǒng)的壓力下降也滿足系統(tǒng)的整體安全要求。

3、總結(jié)與展望

　　本文針對(duì)CFETR 遙操作轉(zhuǎn)運(yùn)車的密封結(jié)構(gòu)，完成了一種新型多層密封設(shè)計(jì)，根據(jù)密封力的計(jì)算完成了密封材料的選擇，并對(duì)其檢漏方案進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)。雙層密封的設(shè)計(jì)，顯著提升了密封效果，并且通過(guò)減少?gòu)椥泽w暴露在真空測(cè)的表面積有效提升了密封性能，這為轉(zhuǎn)運(yùn)車對(duì)接之后的維護(hù)過(guò)程提供了一個(gè)可靠的密閉環(huán)境。通過(guò)計(jì)算驗(yàn)證，選用50HS 的氟橡膠，大大減少了所需密封力，對(duì)裝置的剛性要求降低。針對(duì)系統(tǒng)特點(diǎn)設(shè)計(jì)了合理的氦罩法檢漏，并根據(jù)密閉空間抽真空流速公式及該密閉空間壓力時(shí)間關(guān)系，證明了檢漏所耗時(shí)間在允許范圍之內(nèi)。

　　但是，下一步工作，充氣管道的路徑、氦氣瓶的布置位置和連接方式、檢漏儀在雙密封門上的位置和連接方式等工作尚待解決。