在核工业领域，装备的制造设计直接关系到核设施的安全运行与人员健康。面对高辐射、高温、强腐蚀等极端环境，一套严谨的设计原则成为保障核工业装备安全可靠运行的基石。本文将深入解析核工业装备制造的核心设计准则。

一、核工业装备设计原则

1、材料

整套设备及其附件所用材料应有产品合格证明，并注明生产厂家。 所有外购零部件必须具有生产厂家产品合格证书、产品牌号及主要 性能指标说明，针对仪器仪表设备要求经具备资质的单位标定。

炉膛材料需提供第三方检测报告。

主设备材料选择考虑耐腐蚀性、耐高温要求。

2、制造

保持尺寸稳定

热室设备的设计及制造应能保证其在使用寿期内保持尺寸稳定。

主体材料防止辐射损伤

主体结构材料应抗辐射损伤，或对易受辐射损伤的材料局部屏蔽， 或将其适当布置及安装，以实现快速更换。

防止高温破坏

应对暴露于高温或产生高温、急剧温度变化、强腐蚀性条件或快速 压力变化的热室设备的设计提出特殊要求。

采取预防性维修

应根据在早前类似环境和执行类似任务中的经验，根据需要进行预防性的定期维修，避免对失效部件进行计划外修理。

密封性要求

当热室设备用于处理液体时,应按气密封要求设计。按气密封设计可防止液体 进入/流出, 从而避免部件腐蚀、电气部件短路、部件受到持续的干扰。

设计标准化

由于热室空间有限，设备设计应尽可能标准化，以减少单一类型零件的数量。

装卸及维修设备配置

设备的装卸及维修应考虑以下限制因素: 桥式吊装系统的起吊能力、直接接

近设备的可达性以及观察系统的效能。这些限制因素包括只能从上方接近待更换 部件，并且操作人员只能直接观察到系统的一面或两面。

维修模式

热室设备的维修考虑拆卸并更换故障部件。

3、安全性

安全性应考虑物料安全、人员安全、系统安全。

物料安全：物料转运过程中不得发生喷撒，转运、倒料等过程不得发 生飞扬。系统故障或意外情况下，能对物料进行安全锁定保护。

人员安全：工作过程中人员介入进行操作以及对系统进行维护、维修 等操作时，系统具有相应的自锁保护功能，保证人员安全。

系统安全：指系统自身安全保护，如硬件软件限位保护设计、缓冲设

计等。供安装地板，参研单位单位负责该安装地板与密封箱室内部底部 设置的20mm后安装底板通过螺栓连接，螺栓规格暂定M16。

4、可靠性

系统要求具有较高的可靠性，对于系统的硬件和软件设计遵循安全可靠 的原则。

系统应充分考虑热室环境的影响。

5、维护性

系统具有较高的可维护性和可维修性。系统部件发生故障时可快速进 行修复或更换。

6、铭牌和标志

每个活动的部件应安装上铭牌和标识，以保证产品的识别和可跟踪性。 电缆管应打上标签，标签应覆盖保护或铭刻在电缆管上；介质管路应标 明流向、介质名称（或采用颜色区分）以便于操作人员进行识别。

二、核工业装备设计要求

尺寸约束

（1）模块、部件、大抓手等

热室顶部吊装门尺寸1000mm×1000mm,改吊 装门可作为热室内部大型设备或零部件进出热室通道。

热室后部检修门尺寸800mm×1600mm，该检 修门可作为热室内部大型设备或零部件进出 热室通道。

（2）物料、小抓手等

热室间自动转运车入口尺寸φ400mm。

2、负载约束

组合机器人负载：热室间自动转运车最大载重量30kg

模块重量：热室内遥控吊车额定提升重量0.9t，  吊具为爪形夹紧吊具。

需要主从臂操作的物料重量：热室主从机械手采用ZC106（成都烽 火）或TM2600（AKG）

3、金属材料

耐蚀合金比较适合用于热室内的设备。作为最低限度，推荐使用类 型为300系列不锈钢，比如耐腐蚀的304L不锈钢，该要求适用于设备 的所有零部件。

热室内热备材料选择应考虑操作期间可能遇到的最差化学及物理条 件。如果考虑腐蚀裕量，增加的厚度宜设置在宽松一侧。

钛合金：比不锈钢好，但无法抵抗高温氟气的腐蚀；

蒙乃尔合金：又称镍合金，能够承受大部分的腐蚀，但是价格很高。

钽合金：主要指钽铌铁合金，抗腐蚀能力最好，一般只拿来做镀层。

如使用铝材料要使用阳极硬化铝或镀镍/锆或非电镀镍。

4、非金属材料

在用于密封、阀门底座和其他用途时，主要使用聚醚醚酮（PEEK）。

应避免使用聚四氟乙烯（PTFE），由于其在辐射性环境中会快速蜕 变。

塑料、人造橡胶、树脂、结合剂、固态器件、绝缘丝、隔热塑料、漆

、涂层和其他材料会受到放射损害并可能出现失效。

当必须使用易受辐射损害及出现故障的器材和部件时，应为此类器 材提供屏蔽罩，或将其安放在进行了屏蔽的场所或辐射较低的区域

，以延长易受损器材或部件的使用寿命。

易受辐射损害的器材的布局和安放位置应确保易于进行单独拆除。

三、电机及电气元件要求

1、电机

电机选时应以许多因素为依据、如要求的速度、力矩或功率、物理框 架大小、电压要求、密封类型、安装要求、轴承类型、使用因素，和 工作负载。热室环境中一个电动机的耐久性取决于几个不同变量，如 热室的气氛、气氛中水分和腐蚀性气体的量、电机的质量、材料结构和电机暴露在辐射中的程度。

交流电机比直流电机更合适。（功率密度更大）

低压电机比高压电机更合适。（高电压容易产生电弧）

耐高温的电机比起耐温性更低的电机，更适合用于承受辐射损害。

无刷电机比有刷电机更合适。（电刷套会产生杂质）

热室中电机失效一般来源于电机电刷或电子连接电缆。电机绕组很少 是热室中引起电机失效的诱因。

随着时间的推移，持续暴露在辐射中使绝缘导线变脆，以及电线电缆 的持续伸缩导致易脆的绝缘导线断裂和线路短路。有时在绝缘导线上 涂硅胶玻璃纤维强化套以减少绝缘失效的影响。

在氩气热室中，过热是电机失效的一个原因，这是因为氩气具有很低 的热转移特性。其他的失效可能因为氩气的高电导性或低绝缘击穿电 压导致。经验表明在氩气热室中，水分含量低于500ppm的水会导致电 机电刷失效。电机电刷的润滑性能取决于电刷的石墨含量及有氩气和 水分时形成的氧化铜的层数。在水分低的氩气热室中，采用由载银自

润滑碳制成的高强度电刷代替了标准电机电刷以延长电机的寿命。

2、伺服电机

在要求高精确定位和速度的情形中使用伺服电机，伺服可以是AC、DC

、电刷型，或无电刷DC。闭环伺服控制糸统采用反馈装置以向数字控 制器提供信息，这就产生了驱动电机的指挥信号，绕线解析装置是在 热室环境中伺服电机用于定位和速度反馈的首选方法，这是由于它们 的固有物理轻便性和半导体不要求位于接近解析装置的情况。

无电刷DC伺服电机已在热室中成功使用，这是因为它们具有不带有随 时间会发生磨损的电刷的优势，但是它们也带有对辐射损害敏感的电 路。如果功率要求超过3.75kw，应考虑采用AC电机。

3、电器元件

位置指示器：用于连接定位系统并向操作员提供部件的相对或绝对位 置的反馈，般设置冗余的位置指示器，以使在一个定位系统失效时， 任然有位置指示来源。

解析装置：类似于小型旋转器的旋转型位置测量装置，，解析装置是 热室使用的首选反馈装置，因为它们不要求热室中任何的半导体电子 装置以进行运转。

编码器：一般不建议在热室中使用光学编码器，这是因为编码器中的 光带在长时间暴露在辐射中会变成褐色。比起光编码器，磁性变压器 更佳，但是也不常用，并且它们的尺寸也比较大。

4、电器元件

检测开关：热室中使用的开关应进行固定以便于进行更换。开关固定 方案应考虑到任何位置调整以避免在更换开关时出现跳闸点差异。

电感式传感器：产生磁场并只用于探测金属物体，不含内部电子设备 的电感式传感器能耐辐射损害。

电容式传感器：主要用于探测非金属物体，含有会受辐射损害影响的 电路，因此不适用于高辐射环境。

光电开关：一般不在热室中使用光电开关，这是因为它们易受到辐射 损害的影响。

四、其他标准件要求

1、紧固件

将热室内设备连接用紧固件材料应满足强度及耐腐蚀要求。

螺栓一般不采用M10以下规格，因为它们目视困难且安装困难，且容 易损坏。

一般不采用防松螺母来固定设备，因此类螺母拆除起来比较困难。

最好采用内六角圆柱头螺钉，因为与标准六角头螺栓相比，它们易于 安装且可以利用机械手拆除。

2、轴承

按照热室用途进行改进的轴承，采用高强度石墨板代替内部罩。石墨 板提供一种干燥润滑剂，而不需要阻挡放射污染的一种媒介，同时为

包围轴承圈的球状物提供了间隔。这些改进过的轴承已在低到中速下

，在高温高辐射和受污染氩气热室中成功使用，在这种环境中传统的 密封，和润滑油使用效果较差。

模块化设计，整体可以更换。

空气轴承一般不适用于放射性污染热室环境。

非金属轴承一般由塑料类材料，这种材料的耐辐射性更差。已证明诸 如（聚醚酮树脂）之类的塑料材料是一种轴承表面的较好候选材料。

选择合适的润滑剂，并对热室中使用的轴承进行润滑以增加其寿命。

3、传动部件

热室中使用的多数传动置为金属的。

应采用耐辐射润滑剂。

设计传动系统时，应采用以材料的屈服强度为基础的3：1或更大的安 全系数。如果存在震动或振动，那么应采用更大的安全系数。

在设计封闭齿轮箱时应设计压力释放装置。

由于润滑及远程更换损坏的裢条存在困难，因此热室中一般不使用链 条和链轮。

4、刚性轴

刚性轴可以是圆形的、正方形的或是六角形的。

圆形旋转轴要求有键或定位螺钉以传输功率。

由于再热室中采用机械手难以更换键，因此一般将部件转移到合适人 员执行维修和更换的检修区。

正方形或六边形旋转轴的优势在于易于进行远程组合，这是因为键和 槽。

为避免出现塑变，旋转轴材料的选择很重要。为避免旋转轴振动或旋 转，应避免产生多余的旋转轴长度。

5、扭力限制器和滑动离合器

扭力限制器和滑动离合器提供一种防止电机损伤或其他部件损坏的机 制。扭力限制器和滑动离合器由夹入具有高摩擦系数纤维材料中间的 弹簧加载金属片组成，当力矩需求超过给定力矩值时，金属板开始滑 落到纤维材料上，但力矩减小时金属板再次啮合。这些装置为施加到 部件上旋转力提供了一种有效、非电子的限制方式，并且由于它们的 简便性及耐辐射损害性，已在热室中成功使用。

6、制动器

制动器为要求快速停止和保持电源的应用提供立即制动。当电源关闭 时某些制动装置啮合并保持载荷，当电源再次施加时，制动装置自动 开启。当电源夹在离合器与制动装置之间时，其他类型制动裝置组合 了带制动器的离合器及载荷关闭和开启装置。

制动机制设计应把用于安全的失效一安全特性包括在内，并且以保护 设备和任何操作程序。这可以通过电源关闭时要求制动装置啮合或启 动得以实现。如果出现电源损耗，制动装置启动并停止运行。

由于制动装置具有与电机相似的性能，因此它们可以在热室内长时间 运行。然而，在诸如氩气之类的惰性气体环境中，差的热传输特性导 致制动装置变热，这就会导致容量减小。

五、制造、安装及运行要求

1、热室和密封箱室要求

箱室内工艺设备没有固定要求的应在资料单明确；有固定要求的，内 部工艺设备由参研单位提供安装地板，参研单位单位负责该安装地板 与密封箱室内部底部设置的20mm后安装底板通过螺栓连接，螺栓规格 暂定M16。

在密封箱室侧板和顶板上、在密封箱室外部与其有连接关系的设备， 以及各专业所需的仪表、探头、摄像头等的安装基础要求应明确位置、尺寸、连接型式，并考虑安装与检测所需的空间。

2、润滑

可在滑动面与旋转表面之间采用润滑剂以减少摩擦，降低磨损、移出热量，阻 挡外部污染，和防止腐蚀。一般不建议室内涂覆润滑剂，而求润滑的部件应在 装入热室前进行润滑。在某些情况下，低速轴承可在无润滑的情况下提供足够 的设计寿命。

受限测试显示全氟聚醚润滑剂不会留下肉眼可见的残留物，具有很好的高温性 能及耐辐射性。

经验表明由带添加剂的烷基芳香烃类润滑油制成的润滑有提供最佳的辐射性能

。

当规定了在热室中使用润滑剂时，卖方在制造时将轴承涂以润滑剂。否则，在 使用前，必须在业主车间对轴承进行拆卸、清洗和进行重新润滑处理。

六、包装、运输要求

编制包装、运输大纲提交用户确认，大纲内容能符合相关行业标准。

在进行详细设计之前，充分调研本工程的运输条件，保证运输的可行性，以免出现设备无法运抵现场的情况。

完全负责设备运输到指定地点，因供货或运输原因造成的设备损坏免费维修或更换。

设备包装包括设备所有部件、备品备件、消耗品及专用工具，不同品种部件应分类包装，并提供完整的装箱清单和必需的资料。运输和贮存过程中要采取有效措施进行保护和加固，防止设备有任何损坏或变形。

所有易磨损零件应易于接近，便于检查、拆卸和更换，应明确主要部件的质保期限，在质保期内正常使用发生的部件损坏应免费维修和更换。

设备应提供完善的售后维修，保修期根据采购合同确定，但应包括至少12个月的免费保修期。

结语：

核工业装备的设计是材料科学、精密制造与安全工程的深度融合。每一处耐腐蚀焊缝的打磨、每一台抗辐射电机的选型，每一份第三方检测报告，都在为核能的安全利用构筑技术长城。在“双碳”目标推动核能发展的今天，这些严谨至微的设计原则，正式中国核工业迈向高安全、稿标准发展的坚实底气。