乏燃料组件燃料棒更换装置抓爪结构的数值分析和试验研究

侯 硕，刘青松，余 冰，韩克平，李文龙，彭祥阳

(1.中广核研究院有限公司 广东深圳518124； 2.华中科技大学数字制造装备与技术国家重点实验室 湖北武汉430074)



乏燃料组件燃料棒更换装置抓爪结构的数值分析和试验研究

侯 硕1，刘青松1，余 冰1，韩克平2，李文龙2，彭祥阳1

(1.中广核研究院有限公司 广东深圳518124； 2.华中科技大学数字制造装备与技术国家重点实验室 湖北武汉430074)

燃料组件是核电站核反应堆的关键设备之一，涉及燃料组件的维修特别是乏燃料组件破损棒更换维修属于高风险作业。本文主要针对乏燃料组件燃料棒更换装置的核心零件燃料棒抓爪的结构进行研究，通过结构力学分析得到抓爪较优壁厚数值，然后通过有限元计算抓爪的强度固化结构参数，最终进行抓爪试制，并通过抓爪试验台模拟抓爪的实际工况对抓爪进行性能测定，确保抓爪满足使用要求。

乏燃料组件；燃料棒；抓爪；数值分析；试验

燃料组件是核电站核反应堆的关键设备之一，经过多年的发展，压水堆核电站燃料组件的制造质量和运行可靠性已经达到了较高的水平，燃料组件破损概率很低，甚至许多堆芯燃料在个别循环周期内实现了燃料零破损[1, 2]。但是，燃料破损仍是不可能完全避免的，燃料组件在运行过程中还是会发生个别燃料棒泄漏或格架损坏现象。为了提高燃料组件利用率和核电站的经济性以及降低受损燃料组件贮存、后处理的难度，需要对受损组件进行修复，燃料棒弹性抓爪就是破损组件修复设备的关键零件[3]。燃料棒更换装置抓爪能否按照预定设计顺利打开和锁紧并保证足够的强度，将关系到换棒工作能否顺利完成，并且由于抓爪所操作的燃料棒均为乏燃料组件棒，有的甚至为破损棒，因此需在屏蔽水下操作，属于较高风险作业，因此燃料棒抓爪的可靠性备受关注。

在燃料组件完整性的检测和修复的研究中，李田[4]通过监测燃料组件包壳的运行状况，及时发现、修复或更换了破损燃料组件；深秋平[5]介绍了反应堆燃料组件修复装置构成以及检修方法；Naohiro Nakamura[6]通过三维非线性有限元模型分析了土壤的结构变化行为，通过对地基的运动等进行评估，建立了更准确的地震概率安全评价方法；谭忠文[7]以吊车组合结构为例，给出核电站这类大型组合结构的抗震分析方法；ZHANG Zheng-ming[8]结合理论分析动态液体加载和结构有限元分析方法，解决了液体存储容器的抗震设计；张凤林[9]设计安装了燃料组件破损检查装置，并进行了校核模拟实验和正式检查。本文主要针对燃料棒更换装置中的抓爪进行研究，通过结构静力学与有限元分析相结合的方法对抓爪结构进行了优化。

1 设计输入

1.1 抓爪典型的工作过程

抓棒过程示意如图1所示。

工位一：芯杆接触燃料棒头部；

工位二：抓爪就位，此时抓头位于燃料棒颈部位置；

工位三：锁紧套筒向下，使抓爪向内收缩，并保持抓爪对燃料棒头部的有效夹持。

最后抓爪将燃料棒从燃料组件中抽出，反向操作即为插棒过程。

图1 抓棒过程示意图Fig.1 The process diagram of grabbing the rods

1.2 抓爪的形态要素

为了使抓爪可以完成以上工艺过程，抓爪一般设计成如图2所示形态。根据其结构功能特点，其特征要素主要包括以下几个方面：开瓣长度、数量、间隙(或瓣宽度)以及厚度。

图2 抓爪结构图Fig.2 Structure of the gripper

1.3 设计要求

抓爪的设计需满足其使用环境的接口要求、强度要求、弹性要求以及制造要求，具体如下：

1) 为了保证通过性要求，抓爪及锁紧套筒任何部位不允许超过燃料棒的外部轮廓尺寸，并且要考虑抓棒过程的偏差适应性。

2) 抓爪的开瓣数量一般为双数，同时不能太小，数量太小弹性较差，也不能太大，数量太大制造困难。

3) 爪瓣长度一般存在上限值，超过上限值后热处理后会出现明显的散瓣现象，尺寸精度稳定性差。

4) 抓爪的正常工作载荷为50kg，要求具有5倍的安全系数。因此抓爪必须采用特种钢，除耐弱酸腐蚀外，还应具有较高的强度。

5) 爪瓣间隙的设定除了具有较好的力学性能外，还要考虑确保锁紧套筒可以落下，同时考虑制造因素，因此爪瓣间隙应该在一定数值的范围内。

2 结构回弹特性的数值分析

为了研究燃料棒抓爪结构对爪瓣回弹性能的影响，通过采用结构静力学进行数学建模并对燃料棒抓爪结构进行定性分析，最后在MATLAB环境下对模型进行求解与仿真计算，用理论方法得到抓爪结构对其回弹性能的影响。

2.1 数学建模分析

将燃料棒单个抓爪简化成悬臂梁模型，梁的长度为l、宽度为a、厚度为b。由于抓爪的弹性特性受到根部作用的影响，所以取悬臂梁根部截面三点A、A′、A″处的单元应力进行分析，如图4所示，显然A点为危险点。根据结构静力学理论可以得到A点的应力公式：

(1)

图3 抓爪简化结构示意图Fig.3 Schematic of the simplified structure of the gripper

图4 应力单元状态示意图Fig.4 Schematic of the stress state of the unit bod

在单元体上选取任一与σx成α角度的方向，该方向上的正应力以拉为正、压为负；切应力以绕单元体内任一点有顺时针旋转的力矩为正，反之为负。设该方向上对应的截面为dA，厚度设为单位1。则根据该方向和其法向的平衡方程和切应力互等定理，可以整理为：

(2)

对于弹性抓爪，最大正应力和切应力应分别小于许用正应力σp和许用切应力τp，又τp=(0.5～0.7)σp，故最大正应力和切应力应该满足

(3)

(4)

(5)

式中，F1为阻力；yb为压缩量；l、a、b分别为爪瓣的长度、宽度和厚度。

分析上式可以得出：增大爪瓣的长度和宽度(即减小爪瓣间隙)，抓爪的最大应力将减小，从而有利于弹性抓爪的回弹性。

由于抓爪爪瓣厚度所处情况复杂，这里令σmax、b为变量，其余参数为定量，构造函数，通过MATLAB编程求解出σmax的最小值为：

(6)

对应最优弹性抓爪厚度b0为：

其中Δ值为：

(7)

2.2 仿真模拟分析

通过MATLAB建模分析，得到的仿真曲线如图5所示。

图5 σmax与b曲线图Fig.5 The curves of the σmax and b

得到的数值结果如下：

分析上式得出如下结论，抓爪爪瓣厚度的最优数值为0.81mm，函数σmax以0.81为分界点，左侧为单调递减函数，右侧为单调递增函数。

3 抓爪参数固化和产品试制

通过SolidWorks建立抓爪优化后的三维模型，并且使用单个爪瓣进行等效分析，如图6所示。针对固化参数的抓爪进行5倍工作载荷的有限元分析，采用表1中的数据在ANSYS有限元软件中进行参数设置和网格划分，最终的分析结果如图7所示。

图6 抓爪三维模型Fig.6 Three-dimensional model of the gripper

序号参数数值1材料632不锈钢2弹性模量1.99×10113泊松比0.3054摩擦系数0.015单元类型四面体单元6燃料棒质量50kg7安全系数5

图7 抓头位置应力分布图Fig.7 Stress distribution map of head position of the gripper

分析显示，应力集中位置位于抓头轮廓变化区域，最大应力值1460MPa，分布范围较小。据此判断，按照此设计，抓爪在5倍工作载荷下不会发生断裂现象。同时，根据以上参数试制燃料棒抓爪如图2所示。

4 试验验证

4.1 试验内容

1) 模拟抓放燃料棒的实际工作过程对抓爪的功能进行验证。

2) 极限(5倍工作载荷)载荷试验。

4.2 试验装置

参考抓爪的工作过程对试验装置进行设计，基本功能试验的功能原理如下(见图8)：

1) 试验台具有微量水平和垂直调整的功能，用以满足对中和偏差模拟的要求；

2) 气缸1可使锁紧套筒和抓爪模拟体向上(远离燃料棒或者带着燃料棒上升)或者向下运动(靠近燃料棒或者带着燃料棒下降)；

3) 气缸2可使锁紧套筒模拟体向上(打开抓爪)或者向下(抓紧燃料棒)运动；

4) 燃料棒模拟体设置有可调配重，满足摩擦力模拟要求；

5) 试验装置采用PLC控制，并且可以实现手动和自动功能。

图8 基本功能试验装置功能原理示意图Fig.8 Schematic of function test device

极限载荷试验装置较为简单，限于篇幅，不再赘述，主要是通过套筒将抓爪锁死，而后逐级增加砝码的方式进行验证。

4.3 试验结果

1) 经过2000次抓爪的基本功能试验，抓爪尺寸稳定，抓爪头部经液体渗透检验，无裂纹。

2) 抓爪在5倍工作载荷下10分钟内未出现拉脱现象，抓爪头部经液体渗透检验，无裂纹。

5 结语

本文主要根据燃料棒更换的工艺过程对燃料棒抓爪进行初步设计，然后根据应用软件的数值仿真对抓爪的主要参数进行优化，最终试制抓爪并通过试验验证。结果表明，研制的抓爪满足功能要求。

[1] 邓浚献, 赵希卷, 叶晓丽, 等.压水堆燃料的检测, 修复和重组[J].原子核物理评论, 1999, 2.

[2] 刘玉璞, 刘浩杰.压水堆核燃料破损探测系统研制[C]//全国第四届核反应堆用核仪器学术会议论文集.2005: 20-23.

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Numerical Analysis and Experimental Research on the Gripper Structure of the Replacement Device of the Spent Fuel Assemblies Fuel Rod

HOU Shuo1，LIU Qing-song1，YU Bing1，HAN Ke-ping2, LI Wen-long2，Peng Xiang-yang1

1.China Nuclear Power Technology Research Institute, Shenzhen of Guangdong Prov.518124, China; 2.State Key Laboratory of digital manufacturing equipment and technology, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan of Hubei Prov.430074, China;

Fuel assembly is one of the key equipment in nuclear power plant, and it is a high-risk operation for the maintenance of the fuel assemblies, especially when the replacement of the damaged rod of the spent fuel assemblies occurred.In this paper, the gripper structure of the replacement device of the spent fuel assemblies fuel rod was studied, and the optimal wall thickness of the gripper is obtained by structure statics analysis.After the strength of the gripper was verified through the finite element analysis, and then eventually followed by the trial production of the gripper.Through simulating the actual working condition of the gripper, the performance of the gripper was measured to ensure the gripper meets the requirement.

Spent fuel assembly; Fuel rod; Gripper; Numerical analysis; Test

2017-03-11

化工装备强化与本质安全湖北省重点实验室开放课题(2015KA04)，中央高校基本科研业务费资助(HUST：2015QN051，2015TS063)

侯 硕(1982—)，男，辽宁西丰县人，高级工程师，现从事核电机械工程方面研究

TL2

A

0258-0918(2017)03-0477-05