核燃料组件氧化膜检测装置及其柔顺测量方法
2020-12-15王经天周文林
吴 玉, 万 媛, 王经天, 王 哲, 周文林
(1.中广核研究院有限公司, 深圳 518031; 2.河北工业大学材料科学与工程学院, 天津 300130;3.河北工业大学机械工程学院, 天津 300130)
近年来,随着社会经济的不断进步发展,能源消耗量急剧攀升,导致全球能源短缺问题愈发凸显,而以高效清洁著称的核能为能源短缺问题提供了一种有效解决途径。因此,如何解决并提高电站装机容量已成为目前的热点[1-3]。由若干燃料棒排列组成的核燃料组件作为核电站核心部件,因长期处于高温、高压、高辐照等复杂多变核环境下,各向随机变形燃料棒的锆合金包壳表面极易发生氧化现象,严重影响着核电站的安全高效运营[4-5]。因此,鉴于核燃料组件自身的高危属性,研制出一款组件氧化膜高精度检测装置,探究装置柔顺测量原理至关重要。
目前,针对核燃料组件氧化膜厚度检测装置的研究已取得初步进展,学者们普遍利用啜吸技术[6]、超声技术[7]和涡流技术[8-9]研制检测设备。其中啜吸检测与超声检测均只能判断包壳是否已经发生破损,而涡流检测可直接在线定量测量出氧化膜厚度,实现对组件包壳氧化破损的预防。故涡流检测法最有效直接,但需对组件进行接触式测量,测量过程中可能存在一定风险,且检测精度受对中程度制约。现阶段检测装置尚存在涡流检测端与被检表面适应性差的问题,难以有效保证检测安全与检测精度。
针对现有检测装置的不足,研制出一款核燃料组件氧化膜检测装置,并提出柔顺测量方法。通过借鉴胡克铰构型机理,提出自适应对中机构,实现涡流检测端被动自适应各向异性变形下的核燃料组件被检表面,以完成核燃料组件膜厚的高精度检测。同时基于装置自身结构及各传感检测信息,建立力控模型,以解决高危核燃料组件的柔顺检测问题。针对检测装置的各项检测性能,建立模拟实验平台,并开展系列相关性能测试实验。
1 组件氧化膜检测装置
核燃料组件氧化膜厚度柔顺检测装置具体结构如图1所示。
1为外固定架;2为LVDT传感器;3为动平台;4为丝杆;5为压力传感器;6为弹簧;7为涡流探头;8为曲面轮;9为外支架;10为内支架;11为内固定架;12为驱动电机;A为自适应对中部件;B为柔顺测量部件;C为混联检测部件
1.1 自适应对中部件
自适应对中部件布置于检测部件前端,主要配合串并混联机构使用,通过借鉴胡克铰构型机理[10],以实现其4自由度对中适应。具体构型原理如图2所示。利用内固定架与内支架、外支架与内支架间配置的两正交铰接转动副,实现柔性测量部件绕y轴与z轴的转动适应;利用外固定架与外支架间配置的球面副,实现绕x轴的转动与移动。因此,在曲面轮与燃料棒接触过程中,鉴于各向异性变形下被检表面,曲面轮将会与其产生相对滑移,辅以自适应对中部件的4自由度被动调整,可实现柔顺测量部件与燃料棒的自适应对中。
图2 自适应对中部件构型原理
1.2 柔顺测量部件
柔顺测量部件布置于检测装置前端,旨在保证装置与燃料棒表面接触过程中接触力与测量力的柔顺可控。装置在移载平台的作用下,曲面轮与被检表面接触并发生滑移,通过检测部件内各LVDT传感器自身具备的弹性阻尼,实现测量机构的柔顺自适应对中调整;待自适应对完成后,驱动电机开始工作,同丝杆配合外固定架内表面的花键槽,实现涡流探头的进给运动,同时在内部弹簧与压力传感器的配合作用下,完成涡流探头与被检表面的柔性接触,测量过程如图3所示。
l0和l0-Δ0分别为膜厚待测状态与膜厚测量状态下丝杠后端法兰盘与涡流探头固定座间的距离;l1和l1+Δ1分别为膜厚待测状态与膜厚测量状态下动平台与涡流探头固定座间的距离
图4 串并混联部件
1.3 混联检测部件
串并混联检测部件设置于检测装置内部,旨在监测动平台与静平台间相对位姿,进而通过动平台的位姿获取燃料棒被检点相对于静平台的位置,混联部件具体结构如图4所示。通过将串联机构作为典型4-SPS并联机构内支链的结构排布形式[11-12],组成4自由度(1T3R)混联机构。利用串联机构内各杆长关系来解算动平台与定平台间位姿,以解决机构间位置解算问题。
2 装置柔顺测量方法
由于核燃料组件为核电站高危核心部件,因此检测装置作为直接接触测量的外部设备,其检测安全性、可靠性将直接影响着核电正常运营。为此,基于装置自身结构及各传感器测量数据,建立装置检测过程中力控模型,并提出柔顺测量方法,通过动态监测装置接触力(曲面轮与燃料棒自适应贴合过程中产生的作用力)与测量力(涡流探头与燃料棒表面对中过程中产生的作用力),以控制装置的柔性进给,实现核燃料组件的柔顺检测。
由于装置的整体受力情况较为复杂,为便于接触力与测量力的分析计算,将并联机构与动平台合称为测量主体。由于接触力与测量力均作用于测量主体上,将测量主体作为主要分析对象。而串联机构仅为测量主体提供了相对独立的作用,因此对串联机构进行单独分析。为便于解算,建立串联机构空间机构简图并标定各构件参数,如图5所示。
ΣOc为固连于定平台中心的参考坐标系;ΣOd为设置于动平台中心的检测坐标系;l1、l2、l3、l4为串联杆机构中各杆件的长度;θ1、θ2、θ3、θ4为各杆件的偏移角;b1、b2、b3、b4为连接点间的距离;b5为定平台与内固定架前端检测基准面间的距离
2.1 串联部分力学分析
串联机构的受力状态如图6所示。定义ΣO2为固连在测量主体上的空间直角坐标系,其x2、y2、z2轴方向如图6所示,其中z2轴方向为测量主体法线方向。为便于简化计算,将旋转关节看作一质点M,设置中间变量Fm为串联机构在外部作用力下的内力。
图6 串联构力学分析图
为求串联机构对测量主体的作用力,基于力的可传递性及分解与合成原理,依据机构几何参数,利用中间变量Fm,可列出串联机构所受的各外部作用力间平衡方程为
(1)
(2)
至此,基于力的相互作用,通过串联机构中力的传导机制可等效换算出串联机构对测量主体的作用力F5和F6。为便于后面的测量主体力学分析,求出F5、F6沿z2轴方向的分力为
(3)
2.2 主体部分力学分析
为便于分析计算,求出静平台施加的作用力F1、F2、F3、F4沿测量主体法线方向(z2轴方向)的分力为
Fiz=kl(Li-L′i)cosυi,i=1,2,3,4
(4)
式(4)中:kl为并联杆件上各LVDT的弹性模量,N/mm2;L′i为并联杆初始杆长,mm;Li为并联杆变化后杆长,mm;υi为并联机构各杆件轴线与z2轴的空间夹角,可通过装置空间几何参数解算得到。
(5)
(6)
图7 测量主体力学分析图
2.3 柔顺测量原理
至此,基于装置自身结构及各传感器测量数据,通过力学分析,建立了装置检测过程中力控模型,并提出柔顺测量策略。通过动态监测曲面轮与燃料棒间的接触力,以控制移载平台驱动装置的柔性进给,通过动态监涡流探头与燃料棒间的测量力,以控制驱动电机进给量,实现探头的柔性测量,从而解决了高危核燃料组件的柔顺检测问题。
3 装置模拟测试实验
鉴于燃料棒处于复杂多变恶劣核环境下,难以现场对其开展氧化膜厚度测量实验,故为验证检测装置的性能,搭建了装置模拟测试实验平台,如图8所示。
图8 测试实验平台
实验平台包括检测装置、测试软件、模拟燃料棒样件(镀锆金属棒)、信号采集处理模块、移载平台和可调固定座。检测装置为模拟测试平台的核心,固联安装于移载平台上,以通过移载平台进给运动完成模拟样件被检点膜厚与初始坐标数据的获取,利用信号采集处理模块将装置内各传感信息进行处理并传输到上位机测试软件内界面显示,实现模拟样件单点的检测。同时配合可调固定座,调节模拟样件运动,实现对模拟样件整体膜厚的检测。针对模拟样件膜厚的检测,以模拟样件底部为原点建立实验坐标系。实验过程采用等距定点检测法,通过定点检测获取数据,并将其与标定好的模拟样件膜厚数据进行对比分析,以系统验证装置的性能。
3.1 柔顺性能实验
鉴于核燃料组件的高危属性,研制具备优异柔顺性能的检测装置对保障核电安全运营极为重要。为此,基于模拟测试试验平台,验证装置检测过程中接触力与测量力的可控性,以完成装置柔顺性能测试实验。
图9 装置各向受力状态
3.2 膜厚测量实验
针对核燃料组件氧化膜厚度测量,装置利用涡流探头与被检表面接触测量以获取探头与锆合金包壳间距离,从而实现膜厚检测。鉴于实际检测环境下涡流探头与被检表面难以实现完全贴合,极大影响着膜厚检测精度。为此,设置自适应对中部件以实现涡流探头与被检表面紧密贴合,提高探头对中度。为验证自适应对中部件的效果与装置膜厚检测性能,通过固定/释放自适应对中部件,以完成未对中状态测量与对中状态测量对比测试实验,如图10所示。图10(a)为自适应对中部件固定,即对自适应机构各自由度做出限制,使装置不具备被动自适应对中特性的前提下,利用等距定点检测法获取的组件氧化膜厚度分布数据。图10(b)为自适应对中部件解绑,即装置具备被动自适应对中特性状态下,利用相同方法获取的组件氧化膜厚度分布数据。
图10 氧化膜厚度对比
4 结论
针对核燃料组件氧化膜厚度检测需求,研制了一款核燃料组件氧化膜柔顺检测装置,并开展了系列相关测试实验,得出以下结论。
(1) 检测装置通过引入自适应对中部件、柔顺测量部件与混联检测部件,实现了核燃料组件膜厚的高精度测量,解决了装置对中难、柔顺性较低、精度不足等突出问题,提高了核燃料组件的检测精度与检测效率。
(2)检测装置配置柔顺测量部件,在此基础上建立力控模型,并提出柔顺测量方法,通过动态监测装置接触力与测量力,以控制装置的柔性进给,解决核燃料组件的柔顺检测问题,提高了核燃料组件的检测安全。
(3)装置模拟测试实验结果表明,检测装置能够满足组件氧化膜厚度检测精度要求,且其柔顺检测性能具备核电领域安全应用技术条件。