核燃料组件直线度、垂直度垫片矫正返修分析

马 帅，盛国福，胡耀峰，冯 亮

(中广核铀业发展有限公司，广东 阳江 529941)

核燃料组件是核反应堆运行的核心组成部分，其质量直接关系到核电厂的运行安全和经济效益[1-2]。由于核燃料组件造价成本极高，当出现新组件产品质量不合格时，通常首要的做法是在产品技术条件允许的情况下开展组件返修[1]。

核燃料组件直线度、垂直度是衡量一组燃料组件产品质量好坏的关键指标，对组件能否在反应堆堆芯内实现顺利装卸和定位、控制棒下插、象限功率弯曲等具有十分重要的影响[3]。常见的燃料组件外形返修方式包括组件下管座修磨、组件检查仪施力矫正、组件拉棒机垫片矫正等3种方式[1,2,4]，其中前两种方式需借助专用设备或专用功能，而第3种方式方法简单、操作灵活、应用性更高。

本文在一组直线度和垂直度均不合格的模拟燃料组件上开展垫片返修试验，验证此种方法在组件直线度、垂直度返修上的可靠性。

1 试验条件

试验条件包含1组模拟燃料组件(12英尺17×17方形结构)、组件拉棒机、组件检查仪、垫片。返修前模拟组件不合格尺寸如下，直线度测量值详见表1，超差方位如图1所示。

1)直线度超差，组件向Y+弯曲；

2)垂直度超差，Y方向：-3.15 mm(技术要求±3.00 mm以内)，组件向Y方向倾斜。

表1 返修前燃料组件直线度数据

图1 组件外形检测俯视图Fig.1 The vertical view for FA dimension testing

2 试验过程

2.1 直线度返修

2.1.1 返修方法

选取合适厚度的垫片放置于组件拉棒机格架固定夹持框处(直线度偏差较大的格架)，组件弯曲一侧朝下，夹紧邻近格架的夹持框。

垫片厚度的选择依据直线度测量值与许可偏差的比较，可适当选取较厚的垫片，放置时长4～12 h。

2.1.2 返修操作

本次返修试验共操作4次，垫片使用如表2所示。

1)在第3、4、5、6层格架夹持框的水平固定支撑面处，分别加1.5 mm的垫片，将组件弯曲侧朝下；用3 N·m的力矩夹紧1、2、7、8层格架夹持框，静置4 h；

2)在第一次直线度返修的基础上，保持第3、6层格架夹持框垫片厚度不变，分别增加第4、5层格架夹持框垫片厚度至2 mm、1.7 mm，将组件弯曲侧朝下；用3 N·m的力矩夹紧第1、2、7、8层格架夹持框，静置6 h；

3)在第二次直线度返修的基础上，保持第3、6层格架夹持框垫片厚度不变，分别增加第4、5格架夹持框垫片厚度至2.3 mm、1.8 mm，将组件弯曲侧朝下；用3 N·m的力矩夹紧第1、2、7、8层格架夹持框，静置6 h；

4)在第三次直线度返修的基础上，分别增加第3、4、5、6格架夹持框垫片厚度至2.2 mm、2.5 mm、2.2 mm、2.1 mm，将组件弯曲侧朝下；用3 N·m的力矩夹紧第1、2、7、8层格架夹持框，静置6 h。

2.1.3 返修结果

每次返修结束后，对组件外形尺寸进行组件检查仪测量，4次返修后的直线度如表3所示。

表2 燃料组件直线度返修试验垫片使用

表3 燃料组件直线度返修试验测量值

返修后的组件直线度测量值变化，如图2所示。

图2 燃料组件返修后直线度测量值比较Fig.2 The straightness comparison after FA repairing

通过分析比较图2组件返修后直线度测量值变化，可以发现：

采用加垫片的方式，对组件直线度矫正效果较好，垫片应布置在直线度偏差较大的格架位置，组件弯曲侧朝下，夹紧邻近位置的格架；

直线度矫正时，垫片厚度的选取可依据直线度测量值与许可偏差的差值，可适当选取较厚的垫片(<2.5 mm)；放置较短时间(4 h左右)，即可发生较为明显的改善；

当直线度矫正到许可偏差1/2以内时，继续增加垫片厚度，直线度的矫正效果已不明显。

2.1.4 结果分析

由于组件的格架和燃料棒都选用中子吸收少的锆合金软性金属材料，同时组件长度较长、格架位置间隔较大，组件在整体上是较为柔性的，因而将组件弯曲一侧水平放置后，组件在自身重力作用下会自动矫直，矫正效果会非常明显。

垫片布置在直线度偏差较大的格架位置，未放置垫片的格架位置与平台留有间隙，组件在自身重力作用下，未放置垫片的格架间隙会逐渐找平，从而达到直线度矫正的目的；应避免垫片厚度过大，否则会出现组件朝另一侧反向弯曲的情况出现。

组件平放后，较短时间内直线度就会发生变化，但回弹也会较为厉害，一般要大于4 h以上；放置时间越久，越不容易回弹，矫正效果越好，以6～12 h为宜。

2.2 垂直度返修

2.2.1 返修方法

选取合适厚度的垫片放置于靠近组件上管座的两层格架夹持框位置，组件倾斜侧朝下，夹紧邻近格架的夹持框；鉴于采用垫片矫正垂直度的效果不明显，可适当选取较厚的垫片(≥2.5 mm)，放置时间4～12 h。

2.2.2 返修操作

撤掉组件直线度矫正时的第3、4、5、6层格架夹持框垫片，在第7、8层格架夹持框水平固定面处分别加2.5 mm、3.0 mm垫片，将组件倾斜侧朝下；用3 N·m的力矩夹紧邻近第5、6层格架夹持框，静置6 h。垫片使用如表4所示。

表4 燃料组件垂直度返修试验垫片厚度

2.2.3 返修分析

返修结束后，对组件外形尺寸进行组件检查仪测量，返修后的数据如表5所示。

表5 燃料组件返修试验垂直度测量值

5次返修(4次直线度返修、1次垂直度返修)后的垂直度测量值变化，如图3所示。

图3 燃料组件返修后垂直度测量值比较Fig.3 The perpendicularity comparison after FA repairing

分析图3组件返修后的垂直度变化，可知：

直线度矫正时，会对组件垂直度产生微小变化，但整体影响不大。

垂直度矫正时，垫片应布置在上管座邻近的格架位置，组件倾斜侧朝下，夹紧邻近位置的格架，邻近格架受力作用下移，可实现垂直度矫正的目的。

2.2.4 结果分析

直线度矫正的作用主要是将组件各个格架尽可能维持在一条直线上，而组件直线度与垂直度关联性弱。因此在矫正直线度时，组件垂直度变化微小，或无变化。

组件垂直度不合格主要是组件朝某一侧发生倾斜，将倾斜一侧朝下，垫高上管座邻近的格架，其余位置的格架在组件自身重力的作用下，下管座与上管座的中心线会逐渐朝下管座的垂直方向找正，从而达到垂直度矫正的目的。

同样，组件垂直度矫正时间不宜过短，时间过短组件回弹则达不到矫正的目的；时间越久，越不容易回弹，矫正效果越好，一般以6～12 h为宜。

3 结论

通过在一组12英尺、17×17方形模拟燃料组件上开展垫片返修试验，分析研究了不同垫片厚度下组件直线度、垂直度的变化趋势，结果表明：

1)采用加垫片的方式，对组件的直线度、垂直度进行返修操作可行；且较短时间(4 h左右)内，即可发生明显的改善；

2)开展组件直线度、垂直度矫正时，垫片布置位置有差别；直线度矫正时，垫片应布置在直线度偏差较大的格架位置，组件弯曲侧朝下；垂直度矫正时，垫片应布置在上管座邻近的格架位置，组件倾斜侧朝下；

3)当组件直线度矫正到许可偏差1/2以内时，继续增加垫片厚度，直线度的矫正效果已不明显；

4)组件直线度矫正时，组件垂直度不会产生较大影响，垂直度变化较小。