定位格架防勾掛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

雷濤++彭園++陳杰++谷明非

摘 要：定位格架是燃料組件中的重要部件之一，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)除考慮熱工水力性能及結(jié)構(gòu)力學(xué)性能外，還應(yīng)保證有利于燃料組件的正常裝卸料操作。堆芯中相鄰燃料組件之間橫向間隙較小，為保證燃料組件的裝卸料操作順利，通常在格架外圍設(shè)計(jì)導(dǎo)向結(jié)構(gòu)以避免發(fā)生勾掛損傷。本文主要針對(duì)商用電站燃料組件裝卸料過(guò)程中定位格架發(fā)生勾掛損傷的現(xiàn)象，從定位格架結(jié)構(gòu)上分析其發(fā)生勾掛的原因，并采用三維建模軟件（UG）模擬格架相對(duì)運(yùn)動(dòng)的配合狀態(tài)，指導(dǎo)格架導(dǎo)向結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。研究表明，現(xiàn)有AFA3G格架導(dǎo)向結(jié)構(gòu)具有一定的導(dǎo)向作用，但在極限配合狀態(tài)下仍存在因咬合而出現(xiàn)的勾掛問(wèn)題。本文提出限制外圍燃料棒位移、外條帶上部設(shè)置連續(xù)導(dǎo)向翼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路，通過(guò)三維模擬以及試驗(yàn)驗(yàn)證，表明該設(shè)計(jì)能夠有效降低格架的勾掛風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)鍵詞：定位格架 勾掛 導(dǎo)向翼

中圖分類(lèi)號(hào)：TL2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）06（c）-0031-02

定位格架是燃料組件的關(guān)鍵部件之一，其主要功能一方面是夾持定位燃料棒以維持合理的棒間距，為冷卻劑提供合適的棒束流道；通過(guò)攪混翼實(shí)現(xiàn)對(duì)流體的攪混作用，提高燃料組件的熱工水力性能。另一方面，由于堆芯內(nèi)相鄰組件間隙僅約1 mm，對(duì)于長(zhǎng)度接近4000 mm燃料組件裝卸期間操作，如何防止燃料組件定位格架之間發(fā)生勾掛，是定位格架設(shè)計(jì)中需要關(guān)注的重要問(wèn)題。

該文主要針對(duì)目前商用電站在燃料組件裝卸料期間發(fā)生的定位格架外條帶損傷問(wèn)題，分析了勾掛發(fā)生的原因，采用三維模擬的方式模擬勾掛現(xiàn)象，反饋并指導(dǎo)格架外圍導(dǎo)向翼的外形結(jié)構(gòu)和布置設(shè)計(jì)，有針對(duì)性的增設(shè)導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，減小組件間由于橫向干涉而導(dǎo)致的勾掛風(fēng)險(xiǎn)，從而設(shè)計(jì)出導(dǎo)向功能良好，具有防勾掛能力的新型定位格架。

1 定位格架的勾掛現(xiàn)象

目前國(guó)內(nèi)商用大型電站所采用的燃料組件基本均為法國(guó)AFA3G燃料組件，該型燃料組件在設(shè)計(jì)中在格架外條帶結(jié)構(gòu)上設(shè)置了一定數(shù)量的導(dǎo)向翼，具有一定的導(dǎo)向能力。2008年，在嶺澳核電站換料過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)一組燃料組件格架外條帶導(dǎo)向翼不整齊，后在乏燃料水池使用水下攝像頭探視，確認(rèn)第四層格架第二面E焊縫下部?jī)蓚€(gè)半導(dǎo)向翼向上卷起。為此，又對(duì)水池中的其他組件進(jìn)行水下電視檢查，先后共發(fā)現(xiàn)多組燃料組件的外條帶有不同程度的損傷。（見(jiàn)圖1）

同時(shí)，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，法國(guó)使用AFA3G燃料組件的電站多次換料大修受到格架損壞的影響，其中使用14英尺活性段燃料的電站受影響比例更大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，對(duì)于14英尺電站，受影響的大修中，有63%是與燃料組件格架損壞相關(guān)；對(duì)于12英尺電站，受影響的大修中，有15%是與燃料組件格架損壞相關(guān)。

2 定位格架勾掛原因分析

目前使用的AFA3G定位格架（以下簡(jiǎn)稱(chēng)AFA3G格架）為了便于燃料組件在堆芯的裝卸操作，在其外條帶的上下端均設(shè)置有導(dǎo)向翼。其結(jié)構(gòu)特征是外條帶上端兩相鄰導(dǎo)向翼間的距離為25.19 mm，包含了2個(gè)燃料棒柵距；外條帶下端導(dǎo)向翼之間的距離為12.595 mm（燃料棒柵距）。該種設(shè)計(jì)考慮了燃料組件在絕大部分情況下的防勾掛性能，但在某種極限情況下（相鄰燃料組件相互壓靠的位移達(dá)到最大值，且燃料組件發(fā)生1/2柵距的橫向錯(cuò)位），燃料組件軸向位移時(shí)可能會(huì)引起與相鄰燃料組件的定位格架發(fā)生勾掛，如圖2所示。而在實(shí)際使用中，由于燃料組件的彎曲、定位格架外條帶導(dǎo)向翼的變形等因素，導(dǎo)致燃料組件在裝卸料時(shí)發(fā)生勾掛的幾率增加。

圖3中采用UG建立AFA3G外條帶典型的上下導(dǎo)向翼模型，模擬發(fā)生橫向干涉以及偏移1/2柵距情況下格架間配合狀態(tài)，從圖中可見(jiàn)，在此狀態(tài)下，上下導(dǎo)向翼咬合即發(fā)生干涉。

3 防勾掛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

從對(duì)AFA3G格架發(fā)生勾掛原因分析來(lái)看，主要的影響因素為格架間的相互配合狀態(tài)。配合狀態(tài)分為橫向干涉和相對(duì)錯(cuò)位，橫向干涉影響了格架間相互侵入所產(chǎn)生的位移量，而相對(duì)錯(cuò)位影響了導(dǎo)向翼之間的相對(duì)位置關(guān)系。

3.1 格架橫向干涉的設(shè)計(jì)

初始安裝狀態(tài)相鄰格架間保持約1 mm間隙，裝卸過(guò)程由于組件變形或其他因素，間隙可能閉合，甚至由于格架擠壓相鄰組件燃料棒向內(nèi)移動(dòng)導(dǎo)致間隙為負(fù)值，即發(fā)生一定干涉。法國(guó)AFA3G格架為限制燃料棒在此種情況下的位移量，在外圍柵元彈簧內(nèi)部設(shè)置了限位凸起，以約束向內(nèi)側(cè)的位移量。但該種設(shè)計(jì)存在的缺點(diǎn)是并不能約束燃料棒受擠壓后發(fā)生傾斜，一定程度上增加了位移量導(dǎo)致橫向干涉增加。對(duì)于上述問(wèn)題，通過(guò)改變限位凸起的位置，取消彈簧內(nèi)側(cè)限位凸起，在格架柵元上下兩端設(shè)計(jì)一定高度的限為凸起，可以起到限制燃料棒橫向位移的功能。

3.2 外部導(dǎo)向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

從AFA3G勾掛原因及模擬勾掛過(guò)程發(fā)現(xiàn)，勾掛的根本原因是上下導(dǎo)向翼沒(méi)有能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)導(dǎo)向，在不發(fā)生或較小錯(cuò)位情況下上下導(dǎo)向翼之間滿足連續(xù)導(dǎo)向的要求，但在錯(cuò)位1/2柵距時(shí)，再加上格架之間產(chǎn)生橫向干涉，上下導(dǎo)向翼將互相咬合，燃料組件吊裝操作中，當(dāng)遇到此類(lèi)配合狀態(tài)，將不可避免出現(xiàn)格架勾掛。因此，格架防勾掛設(shè)計(jì)要求上下導(dǎo)向翼具有連續(xù)導(dǎo)向能力，避免出現(xiàn)導(dǎo)向翼之間的咬合問(wèn)題。

3.2.1 導(dǎo)向結(jié)構(gòu)連續(xù)布置研究

AFA3G格架外條帶上導(dǎo)向翼之間間隔25.19 mm，下導(dǎo)向翼之間間隔為12.595 mm，不能實(shí)現(xiàn)相鄰柵元間的連續(xù)導(dǎo)向作用。通過(guò)加密上導(dǎo)向翼，實(shí)現(xiàn)每個(gè)柵元均布置有導(dǎo)向翼，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)導(dǎo)向。但同時(shí)，加密導(dǎo)向翼布置后，將一定程度上減小邊柵元的冷卻劑流通面積，影響外圍的水力特性。為保證格架熱工水力性能的相容性，加密導(dǎo)向翼后邊柵元的流通面積應(yīng)與原格架相近。從圖4可見(jiàn)，采用連續(xù)導(dǎo)向后，即使在錯(cuò)位了1/2柵距時(shí)，導(dǎo)向翼之間仍能夠?qū)蚨话l(fā)生咬合干涉。

3.2.2 導(dǎo)向翼結(jié)構(gòu)尺寸

連續(xù)布置導(dǎo)向翼縮小了導(dǎo)向翼間距離，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)導(dǎo)向，但仍需合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)才能避免極限情況下勾掛問(wèn)題。

首先確定相鄰格架間可發(fā)生的最大橫向干涉。相鄰組件兩格架在高度方向互相錯(cuò)開(kāi)，外條帶擠壓相鄰組件燃料棒，將其壓靠在內(nèi)條帶的限位凸起位置上。按照現(xiàn)有堆芯相鄰組件中心距離215.04 mm，組件外形尺寸213.7 mm，則相鄰組件之間間隙為1.3 mm；綜合考慮剛凸高度、外條帶厚度以及彈簧壓縮量，可確定格架的最大橫向干涉量。

導(dǎo)向翼的高度應(yīng)能保證當(dāng)格架發(fā)生最大干涉之后，導(dǎo)向翼不會(huì)插入相鄰格架導(dǎo)向翼的間隙，即導(dǎo)向翼彎折后在水平面上的投影距離應(yīng)大于相鄰格架的最大干涉量。根據(jù)理論計(jì)算，相鄰格架產(chǎn)生干涉的最大橫向位移為3.1 mm，其干涉量為橫向位移減去原有間隙，導(dǎo)向翼在平面的投影距離應(yīng)超過(guò)該干涉量，考慮可能的制造公差以及彎折半徑等確定合適的導(dǎo)向翼結(jié)構(gòu)尺寸。

4 防勾掛設(shè)計(jì)驗(yàn)證及試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)于格架的防勾掛設(shè)計(jì)驗(yàn)證，首先采用UG建模的方式，建立外條帶典型的導(dǎo)向翼結(jié)構(gòu)并模擬各類(lèi)配合狀態(tài)，模擬的結(jié)果表明在各類(lèi)配合狀態(tài)下，新的防勾掛設(shè)計(jì)均能實(shí)現(xiàn)連續(xù)導(dǎo)向，避免勾掛發(fā)生。

勾掛模擬試驗(yàn)中，采用兩只格架沿軸向相對(duì)運(yùn)動(dòng)以模擬燃料組件的裝卸過(guò)程，試驗(yàn)過(guò)程考慮了可能的各種配合關(guān)系，試驗(yàn)結(jié)果表明兩只AFA3G格架在錯(cuò)位1/2柵距情況下導(dǎo)向翼發(fā)生咬合現(xiàn)象，在保護(hù)力限值范圍內(nèi)無(wú)法移動(dòng)，這種現(xiàn)象與之前的設(shè)計(jì)分析一致。同時(shí)兩只新設(shè)計(jì)防勾掛格架在相似的配合狀態(tài)下幾乎觀察不到導(dǎo)向翼咬合現(xiàn)象，在設(shè)定的橫向作用力下兩只格架彼此能夠順利滑過(guò)（見(jiàn)圖5），表明設(shè)計(jì)與試驗(yàn)吻合良好。在試驗(yàn)中，新設(shè)計(jì)格架也出現(xiàn)過(guò)保護(hù)力超過(guò)限值（900 N）的情況（見(jiàn)圖6），但調(diào)整格架及裝置后重新試驗(yàn)又能順利通過(guò)（見(jiàn)圖7）。因此，反饋于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，還應(yīng)考慮制造公差以及安裝公差等因素對(duì)格架防勾掛性能的影響。

5 結(jié)語(yǔ)

該文從嶺澳電站發(fā)生的格架損傷問(wèn)題出發(fā)，研究了類(lèi)似的AFA3G格架勾掛損傷問(wèn)題，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度出發(fā)，分析了格架產(chǎn)生勾掛的各類(lèi)可能原因，針對(duì)AFA3G格架在勾掛性能方面存在的問(wèn)題，提出了改進(jìn)設(shè)計(jì)措施。設(shè)計(jì)過(guò)程中采用UG模型模擬的方法研究了各類(lèi)配合狀態(tài)下的干涉情況。研究表明，采用導(dǎo)向翼加密布置、限制燃料棒的橫向位移距離等設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)格架間連續(xù)導(dǎo)向作用，降低了組件裝卸料期間格架發(fā)生勾掛的風(fēng)險(xiǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 姚溥.法國(guó)AFA燃料組件定位格架結(jié)構(gòu)和性能[J].國(guó)外核動(dòng)力，1996（4）：1-3.

[2] 朱關(guān)仁，劉承新.國(guó)外高性能燃料組件設(shè)計(jì)[J].核電工程與技術(shù)，2000，13（1）：13-27.

首先確定相鄰格架間可發(fā)生的最大橫向干涉。相鄰組件兩格架在高度方向互相錯(cuò)開(kāi)，外條帶擠壓相鄰組件燃料棒，將其壓靠在內(nèi)條帶的限位凸起位置上。按照現(xiàn)有堆芯相鄰組件中心距離215.04 mm，組件外形尺寸213.7 mm，則相鄰組件之間間隙為1.3 mm；綜合考慮剛凸高度、外條帶厚度以及彈簧壓縮量，可確定格架的最大橫向干涉量。

導(dǎo)向翼的高度應(yīng)能保證當(dāng)格架發(fā)生最大干涉之后，導(dǎo)向翼不會(huì)插入相鄰格架導(dǎo)向翼的間隙，即導(dǎo)向翼彎折后在水平面上的投影距離應(yīng)大于相鄰格架的最大干涉量。根據(jù)理論計(jì)算，相鄰格架產(chǎn)生干涉的最大橫向位移為3.1 mm，其干涉量為橫向位移減去原有間隙，導(dǎo)向翼在平面的投影距離應(yīng)超過(guò)該干涉量，考慮可能的制造公差以及彎折半徑等確定合適的導(dǎo)向翼結(jié)構(gòu)尺寸。

4 防勾掛設(shè)計(jì)驗(yàn)證及試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)于格架的防勾掛設(shè)計(jì)驗(yàn)證，首先采用UG建模的方式，建立外條帶典型的導(dǎo)向翼結(jié)構(gòu)并模擬各類(lèi)配合狀態(tài)，模擬的結(jié)果表明在各類(lèi)配合狀態(tài)下，新的防勾掛設(shè)計(jì)均能實(shí)現(xiàn)連續(xù)導(dǎo)向，避免勾掛發(fā)生。

勾掛模擬試驗(yàn)中，采用兩只格架沿軸向相對(duì)運(yùn)動(dòng)以模擬燃料組件的裝卸過(guò)程，試驗(yàn)過(guò)程考慮了可能的各種配合關(guān)系，試驗(yàn)結(jié)果表明兩只AFA3G格架在錯(cuò)位1/2柵距情況下導(dǎo)向翼發(fā)生咬合現(xiàn)象，在保護(hù)力限值范圍內(nèi)無(wú)法移動(dòng)，這種現(xiàn)象與之前的設(shè)計(jì)分析一致。同時(shí)兩只新設(shè)計(jì)防勾掛格架在相似的配合狀態(tài)下幾乎觀察不到導(dǎo)向翼咬合現(xiàn)象，在設(shè)定的橫向作用力下兩只格架彼此能夠順利滑過(guò)（見(jiàn)圖5），表明設(shè)計(jì)與試驗(yàn)吻合良好。在試驗(yàn)中，新設(shè)計(jì)格架也出現(xiàn)過(guò)保護(hù)力超過(guò)限值（900 N）的情況（見(jiàn)圖6），但調(diào)整格架及裝置后重新試驗(yàn)又能順利通過(guò)（見(jiàn)圖7）。因此，反饋于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，還應(yīng)考慮制造公差以及安裝公差等因素對(duì)格架防勾掛性能的影響。

5 結(jié)語(yǔ)

該文從嶺澳電站發(fā)生的格架損傷問(wèn)題出發(fā)，研究了類(lèi)似的AFA3G格架勾掛損傷問(wèn)題，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度出發(fā)，分析了格架產(chǎn)生勾掛的各類(lèi)可能原因，針對(duì)AFA3G格架在勾掛性能方面存在的問(wèn)題，提出了改進(jìn)設(shè)計(jì)措施。設(shè)計(jì)過(guò)程中采用UG模型模擬的方法研究了各類(lèi)配合狀態(tài)下的干涉情況。研究表明，采用導(dǎo)向翼加密布置、限制燃料棒的橫向位移距離等設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)格架間連續(xù)導(dǎo)向作用，降低了組件裝卸料期間格架發(fā)生勾掛的風(fēng)險(xiǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 姚溥.法國(guó)AFA燃料組件定位格架結(jié)構(gòu)和性能[J].國(guó)外核動(dòng)力，1996（4）：1-3.

[2] 朱關(guān)仁，劉承新.國(guó)外高性能燃料組件設(shè)計(jì)[J].核電工程與技術(shù)，2000，13（1）：13-27.

首先確定相鄰格架間可發(fā)生的最大橫向干涉。相鄰組件兩格架在高度方向互相錯(cuò)開(kāi)，外條帶擠壓相鄰組件燃料棒，將其壓靠在內(nèi)條帶的限位凸起位置上。按照現(xiàn)有堆芯相鄰組件中心距離215.04 mm，組件外形尺寸213.7 mm，則相鄰組件之間間隙為1.3 mm；綜合考慮剛凸高度、外條帶厚度以及彈簧壓縮量，可確定格架的最大橫向干涉量。

導(dǎo)向翼的高度應(yīng)能保證當(dāng)格架發(fā)生最大干涉之后，導(dǎo)向翼不會(huì)插入相鄰格架導(dǎo)向翼的間隙，即導(dǎo)向翼彎折后在水平面上的投影距離應(yīng)大于相鄰格架的最大干涉量。根據(jù)理論計(jì)算，相鄰格架產(chǎn)生干涉的最大橫向位移為3.1 mm，其干涉量為橫向位移減去原有間隙，導(dǎo)向翼在平面的投影距離應(yīng)超過(guò)該干涉量，考慮可能的制造公差以及彎折半徑等確定合適的導(dǎo)向翼結(jié)構(gòu)尺寸。

4 防勾掛設(shè)計(jì)驗(yàn)證及試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)于格架的防勾掛設(shè)計(jì)驗(yàn)證，首先采用UG建模的方式，建立外條帶典型的導(dǎo)向翼結(jié)構(gòu)并模擬各類(lèi)配合狀態(tài)，模擬的結(jié)果表明在各類(lèi)配合狀態(tài)下，新的防勾掛設(shè)計(jì)均能實(shí)現(xiàn)連續(xù)導(dǎo)向，避免勾掛發(fā)生。

勾掛模擬試驗(yàn)中，采用兩只格架沿軸向相對(duì)運(yùn)動(dòng)以模擬燃料組件的裝卸過(guò)程，試驗(yàn)過(guò)程考慮了可能的各種配合關(guān)系，試驗(yàn)結(jié)果表明兩只AFA3G格架在錯(cuò)位1/2柵距情況下導(dǎo)向翼發(fā)生咬合現(xiàn)象，在保護(hù)力限值范圍內(nèi)無(wú)法移動(dòng)，這種現(xiàn)象與之前的設(shè)計(jì)分析一致。同時(shí)兩只新設(shè)計(jì)防勾掛格架在相似的配合狀態(tài)下幾乎觀察不到導(dǎo)向翼咬合現(xiàn)象，在設(shè)定的橫向作用力下兩只格架彼此能夠順利滑過(guò)（見(jiàn)圖5），表明設(shè)計(jì)與試驗(yàn)吻合良好。在試驗(yàn)中，新設(shè)計(jì)格架也出現(xiàn)過(guò)保護(hù)力超過(guò)限值（900 N）的情況（見(jiàn)圖6），但調(diào)整格架及裝置后重新試驗(yàn)又能順利通過(guò)（見(jiàn)圖7）。因此，反饋于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，還應(yīng)考慮制造公差以及安裝公差等因素對(duì)格架防勾掛性能的影響。

5 結(jié)語(yǔ)

該文從嶺澳電站發(fā)生的格架損傷問(wèn)題出發(fā)，研究了類(lèi)似的AFA3G格架勾掛損傷問(wèn)題，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度出發(fā)，分析了格架產(chǎn)生勾掛的各類(lèi)可能原因，針對(duì)AFA3G格架在勾掛性能方面存在的問(wèn)題，提出了改進(jìn)設(shè)計(jì)措施。設(shè)計(jì)過(guò)程中采用UG模型模擬的方法研究了各類(lèi)配合狀態(tài)下的干涉情況。研究表明，采用導(dǎo)向翼加密布置、限制燃料棒的橫向位移距離等設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)格架間連續(xù)導(dǎo)向作用，降低了組件裝卸料期間格架發(fā)生勾掛的風(fēng)險(xiǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 姚溥.法國(guó)AFA燃料組件定位格架結(jié)構(gòu)和性能[J].國(guó)外核動(dòng)力，1996（4）：1-3.

[2] 朱關(guān)仁，劉承新.國(guó)外高性能燃料組件設(shè)計(jì)[J].核電工程與技術(shù)，2000，13（1）：13-27.