定位格架防勾挂结构设计研究

雷涛++彭园++陈杰++谷明非

摘 要：定位格架是燃料组件中的重要部件之一，其结构设计除考虑热工水力性能及结构力学性能外，还应保证有利于燃料组件的正常装卸料操作。堆芯中相邻燃料组件之间横向间隙较小，为保证燃料组件的装卸料操作顺利，通常在格架外围设计导向结构以避免发生勾挂损伤。本文主要针对商用电站燃料组件装卸料过程中定位格架发生勾挂损伤的现象，从定位格架结构上分析其发生勾挂的原因，并采用三维建模软件（UG）模拟格架相对运动的配合状态，指导格架导向结构的设计。研究表明，现有AFA3G格架导向结构具有一定的导向作用，但在极限配合状态下仍存在因咬合而出现的勾挂问题。本文提出限制外围燃料棒位移、外条带上部设置连续导向翼结构的设计思路，通过三维模拟以及试验验证，表明该设计能够有效降低格架的勾挂风险。

关键词：定位格架 勾挂 导向翼

中图分类号：TL2 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）06（c）-0031-02

定位格架是燃料组件的关键部件之一，其主要功能一方面是夹持定位燃料棒以维持合理的棒间距，为冷却剂提供合适的棒束流道；通过搅混翼实现对流体的搅混作用，提高燃料组件的热工水力性能。另一方面，由于堆芯内相邻组件间隙仅约1 mm，对于长度接近4000 mm燃料组件装卸期间操作，如何防止燃料组件定位格架之间发生勾挂，是定位格架设计中需要关注的重要问题。

该文主要针对目前商用电站在燃料组件装卸料期间发生的定位格架外条带损伤问题，分析了勾挂发生的原因，采用三维模拟的方式模拟勾挂现象，反馈并指导格架外围导向翼的外形结构和布置设计，有针对性的增设导向结构，减小组件间由于横向干涉而导致的勾挂风险，从而设计出导向功能良好，具有防勾挂能力的新型定位格架。

1 定位格架的勾挂现象

目前国内商用大型电站所采用的燃料组件基本均为法国AFA3G燃料组件，该型燃料组件在设计中在格架外条带结构上设置了一定数量的导向翼，具有一定的导向能力。2008年，在岭澳核电站换料过程中，发现一组燃料组件格架外条带导向翼不整齐，后在乏燃料水池使用水下摄像头探视，确认第四层格架第二面E焊缝下部两个半导向翼向上卷起。为此，又对水池中的其他组件进行水下电视检查，先后共发现多组燃料组件的外条带有不同程度的损伤。（见图1）

同时，统计数据显示，法国使用AFA3G燃料组件的电站多次换料大修受到格架损坏的影响，其中使用14英尺活性段燃料的电站受影响比例更大。据统计，对于14英尺电站，受影响的大修中，有63%是与燃料组件格架损坏相关；对于12英尺电站，受影响的大修中，有15%是与燃料组件格架损坏相关。

2 定位格架勾挂原因分析

目前使用的AFA3G定位格架（以下简称AFA3G格架）为了便于燃料组件在堆芯的装卸操作，在其外条带的上下端均设置有导向翼。其结构特征是外条带上端两相邻导向翼间的距离为25.19 mm，包含了2个燃料棒栅距；外条带下端导向翼之间的距离为12.595 mm（燃料棒栅距）。该种设计考虑了燃料组件在绝大部分情况下的防勾挂性能，但在某种极限情况下（相邻燃料组件相互压靠的位移达到最大值，且燃料组件发生1/2栅距的横向错位），燃料组件轴向位移时可能会引起与相邻燃料组件的定位格架发生勾挂，如图2所示。而在实际使用中，由于燃料组件的弯曲、定位格架外条带导向翼的变形等因素，导致燃料组件在装卸料时发生勾挂的几率增加。

图3中采用UG建立AFA3G外条带典型的上下导向翼模型，模拟发生横向干涉以及偏移1/2栅距情况下格架间配合状态，从图中可见，在此状态下，上下导向翼咬合即发生干涉。

3 防勾挂结构设计

从对AFA3G格架发生勾挂原因分析来看，主要的影响因素为格架间的相互配合状态。配合状态分为横向干涉和相对错位，横向干涉影响了格架间相互侵入所产生的位移量，而相对错位影响了导向翼之间的相对位置关系。

3.1 格架横向干涉的设计

初始安装状态相邻格架间保持约1 mm间隙，装卸过程由于组件变形或其他因素，间隙可能闭合，甚至由于格架挤压相邻组件燃料棒向内移动导致间隙为负值，即发生一定干涉。法国AFA3G格架为限制燃料棒在此种情况下的位移量，在外围栅元弹簧内部设置了限位凸起，以约束向内侧的位移量。但该种设计存在的缺点是并不能约束燃料棒受挤压后发生倾斜，一定程度上增加了位移量导致横向干涉增加。对于上述问题，通过改变限位凸起的位置，取消弹簧内侧限位凸起，在格架栅元上下两端设计一定高度的限为凸起，可以起到限制燃料棒横向位移的功能。

3.2 外部导向结构设计

从AFA3G勾挂原因及模拟勾挂过程发现，勾挂的根本原因是上下导向翼没有能够实现连续导向，在不发生或较小错位情况下上下导向翼之间满足连续导向的要求，但在错位1/2栅距时，再加上格架之间产生横向干涉，上下导向翼将互相咬合，燃料组件吊装操作中，当遇到此类配合状态，将不可避免出现格架勾挂。因此，格架防勾挂设计要求上下导向翼具有连续导向能力，避免出现导向翼之间的咬合问题。

3.2.1 导向结构连续布置研究

AFA3G格架外条带上导向翼之间间隔25.19 mm，下导向翼之间间隔为12.595 mm，不能实现相邻栅元间的连续导向作用。通过加密上导向翼，实现每个栅元均布置有导向翼，可实现连续导向。但同时，加密导向翼布置后，将一定程度上减小边栅元的冷却剂流通面积，影响外围的水力特性。为保证格架热工水力性能的相容性，加密导向翼后边栅元的流通面积应与原格架相近。从图4可见，采用连续导向后，即使在错位了1/2栅距时，导向翼之间仍能够导向而不发生咬合干涉。

3.2.2 导向翼结构尺寸

连续布置导向翼缩小了导向翼间距离，实现了连续导向，但仍需合理的结构设计才能避免极限情况下勾挂问题。

首先确定相邻格架间可发生的最大横向干涉。相邻组件两格架在高度方向互相错开，外条带挤压相邻组件燃料棒，将其压靠在内条带的限位凸起位置上。按照现有堆芯相邻组件中心距离215.04 mm，组件外形尺寸213.7 mm，则相邻组件之间间隙为1.3 mm；综合考虑刚凸高度、外条带厚度以及弹簧压缩量，可确定格架的最大横向干涉量。

导向翼的高度应能保证当格架发生最大干涉之后，导向翼不会插入相邻格架导向翼的间隙，即导向翼弯折后在水平面上的投影距离应大于相邻格架的最大干涉量。根据理论计算，相邻格架产生干涉的最大横向位移为3.1 mm，其干涉量为横向位移减去原有间隙，导向翼在平面的投影距离应超过该干涉量，考虑可能的制造公差以及弯折半径等确定合适的导向翼结构尺寸。

4 防勾挂设计验证及试验验证

对于格架的防勾挂设计验证，首先采用UG建模的方式，建立外条带典型的导向翼结构并模拟各类配合状态，模拟的结果表明在各类配合状态下，新的防勾挂设计均能实现连续导向，避免勾挂发生。

勾挂模拟试验中，采用两只格架沿轴向相对运动以模拟燃料组件的装卸过程，试验过程考虑了可能的各种配合关系，试验结果表明两只AFA3G格架在错位1/2栅距情况下导向翼发生咬合现象，在保护力限值范围内无法移动，这种现象与之前的设计分析一致。同时两只新设计防勾挂格架在相似的配合状态下几乎观察不到导向翼咬合现象，在设定的横向作用力下两只格架彼此能够顺利滑过（见图5），表明设计与试验吻合良好。在试验中，新设计格架也出现过保护力超过限值（900 N）的情况（见图6），但调整格架及装置后重新试验又能顺利通过（见图7）。因此，反馈于结构设计，还应考虑制造公差以及安装公差等因素对格架防勾挂性能的影响。

5 结语

该文从岭澳电站发生的格架损伤问题出发，研究了类似的AFA3G格架勾挂损伤问题，从结构设计角度出发，分析了格架产生勾挂的各类可能原因，针对AFA3G格架在勾挂性能方面存在的问题，提出了改进设计措施。设计过程中采用UG模型模拟的方法研究了各类配合状态下的干涉情况。研究表明，采用导向翼加密布置、限制燃料棒的横向位移距离等设计，可以实现格架间连续导向作用，降低了组件装卸料期间格架发生勾挂的风险。

参考文献

[1] 姚溥.法国AFA燃料组件定位格架结构和性能[J].国外核动力，1996（4）：1-3.

[2] 朱关仁，刘承新.国外高性能燃料组件设计[J].核电工程与技术，2000，13（1）：13-27.

首先确定相邻格架间可发生的最大横向干涉。相邻组件两格架在高度方向互相错开，外条带挤压相邻组件燃料棒，将其压靠在内条带的限位凸起位置上。按照现有堆芯相邻组件中心距离215.04 mm，组件外形尺寸213.7 mm，则相邻组件之间间隙为1.3 mm；综合考虑刚凸高度、外条带厚度以及弹簧压缩量，可确定格架的最大横向干涉量。

导向翼的高度应能保证当格架发生最大干涉之后，导向翼不会插入相邻格架导向翼的间隙，即导向翼弯折后在水平面上的投影距离应大于相邻格架的最大干涉量。根据理论计算，相邻格架产生干涉的最大横向位移为3.1 mm，其干涉量为横向位移减去原有间隙，导向翼在平面的投影距离应超过该干涉量，考虑可能的制造公差以及弯折半径等确定合适的导向翼结构尺寸。

4 防勾挂设计验证及试验验证

对于格架的防勾挂设计验证，首先采用UG建模的方式，建立外条带典型的导向翼结构并模拟各类配合状态，模拟的结果表明在各类配合状态下，新的防勾挂设计均能实现连续导向，避免勾挂发生。

勾挂模拟试验中，采用两只格架沿轴向相对运动以模拟燃料组件的装卸过程，试验过程考虑了可能的各种配合关系，试验结果表明两只AFA3G格架在错位1/2栅距情况下导向翼发生咬合现象，在保护力限值范围内无法移动，这种现象与之前的设计分析一致。同时两只新设计防勾挂格架在相似的配合状态下几乎观察不到导向翼咬合现象，在设定的横向作用力下两只格架彼此能够顺利滑过（见图5），表明设计与试验吻合良好。在试验中，新设计格架也出现过保护力超过限值（900 N）的情况（见图6），但调整格架及装置后重新试验又能顺利通过（见图7）。因此，反馈于结构设计，还应考虑制造公差以及安装公差等因素对格架防勾挂性能的影响。

5 结语

该文从岭澳电站发生的格架损伤问题出发，研究了类似的AFA3G格架勾挂损伤问题，从结构设计角度出发，分析了格架产生勾挂的各类可能原因，针对AFA3G格架在勾挂性能方面存在的问题，提出了改进设计措施。设计过程中采用UG模型模拟的方法研究了各类配合状态下的干涉情况。研究表明，采用导向翼加密布置、限制燃料棒的横向位移距离等设计，可以实现格架间连续导向作用，降低了组件装卸料期间格架发生勾挂的风险。

参考文献

[1] 姚溥.法国AFA燃料组件定位格架结构和性能[J].国外核动力，1996（4）：1-3.

[2] 朱关仁，刘承新.国外高性能燃料组件设计[J].核电工程与技术，2000，13（1）：13-27.

首先确定相邻格架间可发生的最大横向干涉。相邻组件两格架在高度方向互相错开，外条带挤压相邻组件燃料棒，将其压靠在内条带的限位凸起位置上。按照现有堆芯相邻组件中心距离215.04 mm，组件外形尺寸213.7 mm，则相邻组件之间间隙为1.3 mm；综合考虑刚凸高度、外条带厚度以及弹簧压缩量，可确定格架的最大横向干涉量。

导向翼的高度应能保证当格架发生最大干涉之后，导向翼不会插入相邻格架导向翼的间隙，即导向翼弯折后在水平面上的投影距离应大于相邻格架的最大干涉量。根据理论计算，相邻格架产生干涉的最大横向位移为3.1 mm，其干涉量为横向位移减去原有间隙，导向翼在平面的投影距离应超过该干涉量，考虑可能的制造公差以及弯折半径等确定合适的导向翼结构尺寸。

4 防勾挂设计验证及试验验证

对于格架的防勾挂设计验证，首先采用UG建模的方式，建立外条带典型的导向翼结构并模拟各类配合状态，模拟的结果表明在各类配合状态下，新的防勾挂设计均能实现连续导向，避免勾挂发生。

勾挂模拟试验中，采用两只格架沿轴向相对运动以模拟燃料组件的装卸过程，试验过程考虑了可能的各种配合关系，试验结果表明两只AFA3G格架在错位1/2栅距情况下导向翼发生咬合现象，在保护力限值范围内无法移动，这种现象与之前的设计分析一致。同时两只新设计防勾挂格架在相似的配合状态下几乎观察不到导向翼咬合现象，在设定的横向作用力下两只格架彼此能够顺利滑过（见图5），表明设计与试验吻合良好。在试验中，新设计格架也出现过保护力超过限值（900 N）的情况（见图6），但调整格架及装置后重新试验又能顺利通过（见图7）。因此，反馈于结构设计，还应考虑制造公差以及安装公差等因素对格架防勾挂性能的影响。

5 结语

该文从岭澳电站发生的格架损伤问题出发，研究了类似的AFA3G格架勾挂损伤问题，从结构设计角度出发，分析了格架产生勾挂的各类可能原因，针对AFA3G格架在勾挂性能方面存在的问题，提出了改进设计措施。设计过程中采用UG模型模拟的方法研究了各类配合状态下的干涉情况。研究表明，采用导向翼加密布置、限制燃料棒的横向位移距离等设计，可以实现格架间连续导向作用，降低了组件装卸料期间格架发生勾挂的风险。

参考文献

[1] 姚溥.法国AFA燃料组件定位格架结构和性能[J].国外核动力，1996（4）：1-3.

[2] 朱关仁，刘承新.国外高性能燃料组件设计[J].核电工程与技术，2000，13（1）：13-27.