吳 玉, 萬 媛, 王經(jīng)天, 王 哲, 周文林
(1.中廣核研究院有限公司, 深圳 518031; 2.河北工業(yè)大學材料科學與工程學院, 天津 300130;3.河北工業(yè)大學機械工程學院, 天津 300130)
近年來,隨著社會經(jīng)濟的不斷進步發(fā)展,能源消耗量急劇攀升,導致全球能源短缺問題愈發(fā)凸顯,而以高效清潔著稱的核能為能源短缺問題提供了一種有效解決途徑。因此,如何解決并提高電站裝機容量已成為目前的熱點[1-3]。由若干燃料棒排列組成的核燃料組件作為核電站核心部件,因長期處于高溫、高壓、高輻照等復雜多變核環(huán)境下,各向隨機變形燃料棒的鋯合金包殼表面極易發(fā)生氧化現(xiàn)象,嚴重影響著核電站的安全高效運營[4-5]。因此,鑒于核燃料組件自身的高危屬性,研制出一款組件氧化膜高精度檢測裝置,探究裝置柔順測量原理至關重要。
目前,針對核燃料組件氧化膜厚度檢測裝置的研究已取得初步進展,學者們普遍利用啜吸技術[6]、超聲技術[7]和渦流技術[8-9]研制檢測設備。其中啜吸檢測與超聲檢測均只能判斷包殼是否已經(jīng)發(fā)生破損,而渦流檢測可直接在線定量測量出氧化膜厚度,實現(xiàn)對組件包殼氧化破損的預防。故渦流檢測法最有效直接,但需對組件進行接觸式測量,測量過程中可能存在一定風險,且檢測精度受對中程度制約?,F(xiàn)階段檢測裝置尚存在渦流檢測端與被檢表面適應性差的問題,難以有效保證檢測安全與檢測精度。
針對現(xiàn)有檢測裝置的不足,研制出一款核燃料組件氧化膜檢測裝置,并提出柔順測量方法。通過借鑒胡克鉸構型機理,提出自適應對中機構,實現(xiàn)渦流檢測端被動自適應各向異性變形下的核燃料組件被檢表面,以完成核燃料組件膜厚的高精度檢測。同時基于裝置自身結構及各傳感檢測信息,建立力控模型,以解決高危核燃料組件的柔順檢測問題。針對檢測裝置的各項檢測性能,建立模擬實驗平臺,并開展系列相關性能測試實驗。
核燃料組件氧化膜厚度柔順檢測裝置具體結構如圖1所示。
1為外固定架;2為LVDT傳感器;3為動平臺;4為絲桿;5為壓力傳感器;6為彈簧;7為渦流探頭;8為曲面輪;9為外支架;10為內(nèi)支架;11為內(nèi)固定架;12為驅動電機;A為自適應對中部件;B為柔順測量部件;C為混聯(lián)檢測部件
自適應對中部件布置于檢測部件前端,主要配合串并混聯(lián)機構使用,通過借鑒胡克鉸構型機理[10],以實現(xiàn)其4自由度對中適應。具體構型原理如圖2所示。利用內(nèi)固定架與內(nèi)支架、外支架與內(nèi)支架間配置的兩正交鉸接轉動副,實現(xiàn)柔性測量部件繞y軸與z軸的轉動適應;利用外固定架與外支架間配置的球面副,實現(xiàn)繞x軸的轉動與移動。因此,在曲面輪與燃料棒接觸過程中,鑒于各向異性變形下被檢表面,曲面輪將會與其產(chǎn)生相對滑移,輔以自適應對中部件的4自由度被動調(diào)整,可實現(xiàn)柔順測量部件與燃料棒的自適應對中。
圖2 自適應對中部件構型原理
柔順測量部件布置于檢測裝置前端,旨在保證裝置與燃料棒表面接觸過程中接觸力與測量力的柔順可控。裝置在移載平臺的作用下,曲面輪與被檢表面接觸并發(fā)生滑移,通過檢測部件內(nèi)各LVDT傳感器自身具備的彈性阻尼,實現(xiàn)測量機構的柔順自適應對中調(diào)整;待自適應對完成后,驅動電機開始工作,同絲桿配合外固定架內(nèi)表面的花鍵槽,實現(xiàn)渦流探頭的進給運動,同時在內(nèi)部彈簧與壓力傳感器的配合作用下,完成渦流探頭與被檢表面的柔性接觸,測量過程如圖3所示。
l0和l0-Δ0分別為膜厚待測狀態(tài)與膜厚測量狀態(tài)下絲杠后端法蘭盤與渦流探頭固定座間的距離;l1和l1+Δ1分別為膜厚待測狀態(tài)與膜厚測量狀態(tài)下動平臺與渦流探頭固定座間的距離
圖4 串并混聯(lián)部件
串并混聯(lián)檢測部件設置于檢測裝置內(nèi)部,旨在監(jiān)測動平臺與靜平臺間相對位姿,進而通過動平臺的位姿獲取燃料棒被檢點相對于靜平臺的位置,混聯(lián)部件具體結構如圖4所示。通過將串聯(lián)機構作為典型4-SPS并聯(lián)機構內(nèi)支鏈的結構排布形式[11-12],組成4自由度(1T3R)混聯(lián)機構。利用串聯(lián)機構內(nèi)各桿長關系來解算動平臺與定平臺間位姿,以解決機構間位置解算問題。
由于核燃料組件為核電站高危核心部件,因此檢測裝置作為直接接觸測量的外部設備,其檢測安全性、可靠性將直接影響著核電正常運營。為此,基于裝置自身結構及各傳感器測量數(shù)據(jù),建立裝置檢測過程中力控模型,并提出柔順測量方法,通過動態(tài)監(jiān)測裝置接觸力(曲面輪與燃料棒自適應貼合過程中產(chǎn)生的作用力)與測量力(渦流探頭與燃料棒表面對中過程中產(chǎn)生的作用力),以控制裝置的柔性進給,實現(xiàn)核燃料組件的柔順檢測。
由于裝置的整體受力情況較為復雜,為便于接觸力與測量力的分析計算,將并聯(lián)機構與動平臺合稱為測量主體。由于接觸力與測量力均作用于測量主體上,將測量主體作為主要分析對象。而串聯(lián)機構僅為測量主體提供了相對獨立的作用,因此對串聯(lián)機構進行單獨分析。為便于解算,建立串聯(lián)機構空間機構簡圖并標定各構件參數(shù),如圖5所示。
ΣOc為固連于定平臺中心的參考坐標系;ΣOd為設置于動平臺中心的檢測坐標系;l1、l2、l3、l4為串聯(lián)桿機構中各桿件的長度;θ1、θ2、θ3、θ4為各桿件的偏移角;b1、b2、b3、b4為連接點間的距離;b5為定平臺與內(nèi)固定架前端檢測基準面間的距離
串聯(lián)機構的受力狀態(tài)如圖6所示。定義ΣO2為固連在測量主體上的空間直角坐標系,其x2、y2、z2軸方向如圖6所示,其中z2軸方向為測量主體法線方向。為便于簡化計算,將旋轉關節(jié)看作一質(zhì)點M,設置中間變量Fm為串聯(lián)機構在外部作用力下的內(nèi)力。
圖6 串聯(lián)構力學分析圖
為求串聯(lián)機構對測量主體的作用力,基于力的可傳遞性及分解與合成原理,依據(jù)機構幾何參數(shù),利用中間變量Fm,可列出串聯(lián)機構所受的各外部作用力間平衡方程為
(1)
(2)
至此,基于力的相互作用,通過串聯(lián)機構中力的傳導機制可等效換算出串聯(lián)機構對測量主體的作用力F5和F6。為便于后面的測量主體力學分析,求出F5、F6沿z2軸方向的分力為
(3)
為便于分析計算,求出靜平臺施加的作用力F1、F2、F3、F4沿測量主體法線方向(z2軸方向)的分力為
Fiz=kl(Li-L′i)cosυi,i=1,2,3,4
(4)
式(4)中:kl為并聯(lián)桿件上各LVDT的彈性模量,N/mm2;L′i為并聯(lián)桿初始桿長,mm;Li為并聯(lián)桿變化后桿長,mm;υi為并聯(lián)機構各桿件軸線與z2軸的空間夾角,可通過裝置空間幾何參數(shù)解算得到。
(5)
(6)
圖7 測量主體力學分析圖
至此,基于裝置自身結構及各傳感器測量數(shù)據(jù),通過力學分析,建立了裝置檢測過程中力控模型,并提出柔順測量策略。通過動態(tài)監(jiān)測曲面輪與燃料棒間的接觸力,以控制移載平臺驅動裝置的柔性進給,通過動態(tài)監(jiān)渦流探頭與燃料棒間的測量力,以控制驅動電機進給量,實現(xiàn)探頭的柔性測量,從而解決了高危核燃料組件的柔順檢測問題。
鑒于燃料棒處于復雜多變惡劣核環(huán)境下,難以現(xiàn)場對其開展氧化膜厚度測量實驗,故為驗證檢測裝置的性能,搭建了裝置模擬測試實驗平臺,如圖8所示。
圖8 測試實驗平臺
實驗平臺包括檢測裝置、測試軟件、模擬燃料棒樣件(鍍鋯金屬棒)、信號采集處理模塊、移載平臺和可調(diào)固定座。檢測裝置為模擬測試平臺的核心,固聯(lián)安裝于移載平臺上,以通過移載平臺進給運動完成模擬樣件被檢點膜厚與初始坐標數(shù)據(jù)的獲取,利用信號采集處理模塊將裝置內(nèi)各傳感信息進行處理并傳輸?shù)缴衔粰C測試軟件內(nèi)界面顯示,實現(xiàn)模擬樣件單點的檢測。同時配合可調(diào)固定座,調(diào)節(jié)模擬樣件運動,實現(xiàn)對模擬樣件整體膜厚的檢測。針對模擬樣件膜厚的檢測,以模擬樣件底部為原點建立實驗坐標系。實驗過程采用等距定點檢測法,通過定點檢測獲取數(shù)據(jù),并將其與標定好的模擬樣件膜厚數(shù)據(jù)進行對比分析,以系統(tǒng)驗證裝置的性能。
鑒于核燃料組件的高危屬性,研制具備優(yōu)異柔順性能的檢測裝置對保障核電安全運營極為重要。為此,基于模擬測試試驗平臺,驗證裝置檢測過程中接觸力與測量力的可控性,以完成裝置柔順性能測試實驗。
圖9 裝置各向受力狀態(tài)
針對核燃料組件氧化膜厚度測量,裝置利用渦流探頭與被檢表面接觸測量以獲取探頭與鋯合金包殼間距離,從而實現(xiàn)膜厚檢測。鑒于實際檢測環(huán)境下渦流探頭與被檢表面難以實現(xiàn)完全貼合,極大影響著膜厚檢測精度。為此,設置自適應對中部件以實現(xiàn)渦流探頭與被檢表面緊密貼合,提高探頭對中度。為驗證自適應對中部件的效果與裝置膜厚檢測性能,通過固定/釋放自適應對中部件,以完成未對中狀態(tài)測量與對中狀態(tài)測量對比測試實驗,如圖10所示。圖10(a)為自適應對中部件固定,即對自適應機構各自由度做出限制,使裝置不具備被動自適應對中特性的前提下,利用等距定點檢測法獲取的組件氧化膜厚度分布數(shù)據(jù)。圖10(b)為自適應對中部件解綁,即裝置具備被動自適應對中特性狀態(tài)下,利用相同方法獲取的組件氧化膜厚度分布數(shù)據(jù)。
圖10 氧化膜厚度對比
針對核燃料組件氧化膜厚度檢測需求,研制了一款核燃料組件氧化膜柔順檢測裝置,并開展了系列相關測試實驗,得出以下結論。
(1) 檢測裝置通過引入自適應對中部件、柔順測量部件與混聯(lián)檢測部件,實現(xiàn)了核燃料組件膜厚的高精度測量,解決了裝置對中難、柔順性較低、精度不足等突出問題,提高了核燃料組件的檢測精度與檢測效率。
(2)檢測裝置配置柔順測量部件,在此基礎上建立力控模型,并提出柔順測量方法,通過動態(tài)監(jiān)測裝置接觸力與測量力,以控制裝置的柔性進給,解決核燃料組件的柔順檢測問題,提高了核燃料組件的檢測安全。
(3)裝置模擬測試實驗結果表明,檢測裝置能夠滿足組件氧化膜厚度檢測精度要求,且其柔順檢測性能具備核電領域安全應用技術條件。