AFA 3G燃料組件制造技術(shù)研究

邱衛(wèi)衛(wèi) 王敏

摘要：在社會(huì)經(jīng)濟(jì)不斷進(jìn)步與發(fā)展過(guò)程中，新型材料的出現(xiàn)為各行各業(yè)發(fā)展帶來(lái)了機(jī)遇與挑戰(zhàn)。其中，AFA 3G的運(yùn)用有效提高了核電產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)性，為核電企業(yè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展提供了有力保障?；诖?，本文將重點(diǎn)圍繞AFA 3G燃料組件制造技術(shù)加以研究，以供參考。

關(guān)鍵詞：AFA 3G燃料；組件制造；技術(shù)分析

當(dāng)前，我國(guó)多數(shù)核電站開(kāi)始借助AFA 3G提高技術(shù)質(zhì)量。然而，由于此類燃料組件在使用過(guò)程中破損率較高，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)燃料組件損傷及破損狀況，不利于技術(shù)大范圍運(yùn)用。由此可見(jiàn)，圍繞AFA 3G燃料組件制造技術(shù)加以分析尤為關(guān)鍵，是保障核電企業(yè)技術(shù)運(yùn)用經(jīng)濟(jì)性的重要研究?jī)?nèi)容。

一、AFA 3G燃料組件分析

AFA 3G燃料組件是指在原有2G技術(shù)形式中添加了優(yōu)化后的高燃耗組件，是一種基于AFA 2G優(yōu)化升級(jí)的技術(shù)形式。在AFA 3G組件中，技術(shù)人員在傳統(tǒng)的燃料棒包殼管中添加合金物質(zhì)，并進(jìn)一步增加組件的長(zhǎng)度。此外，系統(tǒng)導(dǎo)向管參數(shù)大小發(fā)生改變，原有的焊接形式也轉(zhuǎn)變?yōu)槊浗蛹夹g(shù)。與此同時(shí)，在AFA 2G組件中燃料棒的技術(shù)形式采用相同富集度的方式加以處理，而在優(yōu)化之后的組件中則增設(shè)了不同的其他組件，并在結(jié)構(gòu)中安裝了3層的格架架構(gòu)，此種制造技術(shù)的優(yōu)化進(jìn)一步提升了組件的使用效果。

二、當(dāng)前AFA 3G燃料組件制造技術(shù)分析

（一）燃料棒組裝與焊接

為強(qiáng)化AFA 3G燃料組件的制造生產(chǎn)效果，技術(shù)人員對(duì)原有的AFA 2G設(shè)計(jì)與生產(chǎn)體系進(jìn)行細(xì)致分析，并圍繞壓塞機(jī)等設(shè)備開(kāi)展了系統(tǒng)優(yōu)化，以此滿足組件生產(chǎn)需求。在具體工作中主要存在以下兩個(gè)技術(shù)難點(diǎn)：

1.制造過(guò)程中氣脹問(wèn)題的研究與處理

在傳統(tǒng)的AFA 2G技術(shù)中，燃料棒主要是以Zr-4為主要原材料，此種材料具備一定的使用性能，但是極易受到損壞。為此，在AFA 3G技術(shù)中新運(yùn)用了M5合金材料，此種材料的抗腐蝕性能更強(qiáng)。主要是以焊接形式組裝，如激光、電子束等技術(shù)形式。為有效解決此種材料焊接后的運(yùn)用問(wèn)題，工作人員對(duì)制造開(kāi)展系統(tǒng)的鑒定工作，然而鑒定結(jié)果顯示燃料棒底部存在嚴(yán)重的氣脹問(wèn)題，從參數(shù)指標(biāo)來(lái)看，甚至達(dá)到30%左右。在針對(duì)氣脹原因開(kāi)展分析過(guò)程中，技術(shù)人員認(rèn)為是此類合金材料的硬度和強(qiáng)度不夠，以至于極易出現(xiàn)無(wú)效腔狀態(tài)。在此種環(huán)境下，焊縫的整體冷卻效果較差，為保障冷卻作用滿足現(xiàn)實(shí)需求，包殼管便會(huì)加快收縮，從而堵死氣體正常的釋放通道，導(dǎo)致在焊縫區(qū)域周圍產(chǎn)生明顯的氣脹。根據(jù)目前相關(guān)研究，若想解決氣脹問(wèn)題，便要在制造環(huán)節(jié)縮短焊接時(shí)間，同時(shí)增大電子束，以此在確保焊接效果的同時(shí)防止零件熱量較高產(chǎn)生膨脹問(wèn)題。

2.堵孔焊腐蝕試樣不達(dá)標(biāo)

在AFA 3G燃料組件制造過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)樣品腐蝕測(cè)試之后產(chǎn)生白色產(chǎn)物的情況。這是因?yàn)樵谇捌谠嚇又圃斓倪^(guò)程中充氦不達(dá)標(biāo)，以至于在焊接時(shí)受到環(huán)境影響而難以達(dá)標(biāo)。此情況也間接說(shuō)明焊室環(huán)境的質(zhì)量直接會(huì)影響焊接的抗腐蝕性能，在后續(xù)制造過(guò)程中應(yīng)該強(qiáng)化對(duì)焊室清潔度的關(guān)注，避免這類問(wèn)題出現(xiàn)。

（二）燃料組件骨架安裝與焊接

1.工裝設(shè)計(jì)

AFA 3G骨架相比于過(guò)去的設(shè)計(jì)取消了上管座的設(shè)置，在結(jié)構(gòu)中增設(shè)了3層半跨距攪渾格架并在原有組件的基礎(chǔ)上運(yùn)用了厚度加大的導(dǎo)向管，導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)尺寸出現(xiàn)了明顯變化，此后續(xù)應(yīng)針對(duì)骨架組裝等工序開(kāi)展重新設(shè)計(jì)，例如，配套零件裝置等，以此滿足骨架生產(chǎn)需求。

2.骨架點(diǎn)焊

原有的AFA 2G導(dǎo)向管在使用過(guò)程中極易出現(xiàn)損毀，而在AFA 3G導(dǎo)向管中增加了外壁的厚度，因此，在后續(xù)骨架焊接過(guò)程中需要調(diào)整焊接的參數(shù)信息。結(jié)合目前實(shí)際來(lái)看，厚度差異較大，在點(diǎn)焊過(guò)程中極易出現(xiàn)不完全焊接的狀況。為此，技術(shù)人員開(kāi)展了技術(shù)試驗(yàn)，最終認(rèn)為可借助熔核技術(shù)強(qiáng)化點(diǎn)焊的質(zhì)量效果。

3.骨架導(dǎo)管以及其他零件焊接

在AFA 3G燃料組件制造生產(chǎn)中，組件組裝等工序需要在骨架結(jié)構(gòu)焊接完成之后開(kāi)展，因此，后續(xù)脹接位置的精準(zhǔn)度、變形量的管控效果等因素都會(huì)直接對(duì)產(chǎn)品的制造效果產(chǎn)生影響。與其他工序相比，導(dǎo)向管的脹接處理技術(shù)對(duì)專業(yè)度和經(jīng)驗(yàn)度的要求較高，技術(shù)人員在前期精準(zhǔn)的完成工裝調(diào)試操作。為此，后續(xù)技術(shù)人員對(duì)脹接操作進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化，將原有的平臺(tái)更改為脹接平臺(tái)，并開(kāi)展工裝優(yōu)化，從源頭上提高工裝的安裝質(zhì)量。數(shù)據(jù)分析顯示，在此種技術(shù)處理背景下，組件安裝的誤差可被控制在0.05mm范圍內(nèi)，且所有的零件尺寸以及參數(shù)信息都能滿足脹接技術(shù)運(yùn)用的實(shí)際需求，可有效保障AFA 3G骨架制造水準(zhǔn)。

（三）燃料組件組裝

AFA 3G組裝技術(shù)與之前的技術(shù)形式并無(wú)明顯差別，但是外形尺寸方面變化較大，以至于下管座的尺寸更小，需要重新根據(jù)框架結(jié)構(gòu)完成設(shè)計(jì)優(yōu)化。在具體操作中，技術(shù)人員需要針對(duì)AFA 3G中的上下管座情況重新規(guī)劃螺釘?shù)倪\(yùn)用，以此滿足脹形裝置的實(shí)際需求。然而，在此方面也存在部分技術(shù)難點(diǎn)。一方面，套筒螺釘經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)“咬死”狀態(tài)。在安裝上管座過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)異常“咬死”現(xiàn)象，即使涂抹了潤(rùn)滑劑，后續(xù)也很難完成高精準(zhǔn)度的脹接操作，依舊會(huì)在外力影響下導(dǎo)致套筒螺釘出現(xiàn)“咬死”狀況。為此，技術(shù)人員對(duì)套筒螺釘開(kāi)展技術(shù)優(yōu)化，對(duì)裝配方面進(jìn)行更改與完善，有效降低此種情況發(fā)生。另一方面，AFA 3G技術(shù)運(yùn)用中由于前期套筒螺釘出現(xiàn)異?！耙馈鼻闆r，以至于后續(xù)裙邊破裂的發(fā)生概率進(jìn)一步提升。產(chǎn)生此情況的關(guān)鍵因素在于AFA 3G技術(shù)中的裙邊厚度更小，且材料的變形量更小，而脹形的速度卻更快，若是依舊采用原有技術(shù)中的參數(shù)指標(biāo)，很容易導(dǎo)致裙邊材料在受力作用下出現(xiàn)破裂狀況。目前，技術(shù)人員經(jīng)過(guò)多次研究發(fā)現(xiàn)，若是受力在10MPa以下，則此時(shí)的結(jié)構(gòu)既能夠滿足脹形需求，也不會(huì)產(chǎn)生破裂狀況，這也為后續(xù)技術(shù)優(yōu)化提供了借鑒與技術(shù)支持。

三、AFA 3G燃料組件制造難點(diǎn)以及處理方式

（一）技術(shù)難點(diǎn)

AFA 3G燃料組件在制造過(guò)程中主要包括零部件生產(chǎn)及組件組裝，其中燃料棒制造主要運(yùn)用M5合金材料，在操作中最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)是上下端塞的焊接、加工和后續(xù)處理，這也是AFA 3G生產(chǎn)中的核心管控區(qū)域，是影響生產(chǎn)質(zhì)量的直接因素。與此同時(shí)，導(dǎo)向管的運(yùn)用也是AFA 3G生產(chǎn)中的重要優(yōu)化體現(xiàn)。此種導(dǎo)向管屬于變內(nèi)徑的技術(shù)形式，因此，在點(diǎn)焊過(guò)程中難度較高，熔核經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)十分不規(guī)則的狀況，以至于難以滿足技術(shù)需求。

（二）處理措施

1.積極借鑒國(guó)內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)

為有效解決AFA 3G燃料組件生產(chǎn)中存在的不足，技術(shù)人員應(yīng)該加大對(duì)以下內(nèi)容的重視：第一，在引入技術(shù)過(guò)程中盡可能地挑選成熟的技術(shù)形式。第二，強(qiáng)化生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)的質(zhì)量管控效果，加大對(duì)AFA 3G制造難點(diǎn)的研究，尋求有效的解決方式。第三，運(yùn)用現(xiàn)有技術(shù)形式實(shí)現(xiàn)工藝創(chuàng)新。在具體工作中要求在使用AFA 3G之前應(yīng)綜合運(yùn)用國(guó)內(nèi)外技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，詳細(xì)分析現(xiàn)有技術(shù)材料以及文件數(shù)據(jù)內(nèi)容，然后通過(guò)組織專題會(huì)議的方式討論并掌握AFA 3G技術(shù)關(guān)鍵。此外，需派遣專家人員完成技術(shù)學(xué)習(xí)，并制定詳細(xì)的技術(shù)引入計(jì)劃書，利用專家學(xué)習(xí)與交流的方式確保后續(xù)制造生產(chǎn)質(zhì)量。

2.強(qiáng)化質(zhì)量管控工作

AFA 3G燃料組件生產(chǎn)之前，工作人員應(yīng)該圍繞技術(shù)條件及圖紙等信息數(shù)據(jù)編制完善的技術(shù)文件，包括技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)運(yùn)用規(guī)范信息等，并結(jié)合國(guó)內(nèi)外專家提出的建議，對(duì)不適合運(yùn)用在AFA 3G中的部件加以創(chuàng)新與優(yōu)化。此外，制造生產(chǎn)人員均要參與質(zhì)量教育工作，深入分析可能存在的問(wèn)題及產(chǎn)生原因，以此使工作人員在面對(duì)問(wèn)題時(shí)有責(zé)任心，科學(xué)完成技術(shù)運(yùn)用及制造監(jiān)督管控。

3.將AFA 3G燃料生產(chǎn)作為核心開(kāi)展工作

制造團(tuán)隊(duì)需要定期開(kāi)展工作會(huì)議，圍繞AFA 3G制造技術(shù)的引入加以研究，并以此為核心確保技術(shù)運(yùn)用及部件改造優(yōu)化的科學(xué)性與合理性。例如，在工裝分析的過(guò)程中，便需要針對(duì)圖紙等信息加以分析。與此同時(shí)，工程師應(yīng)與制造人員開(kāi)展分析，制定詳細(xì)的組裝和制造生產(chǎn)規(guī)劃方案，以此避免問(wèn)題的出現(xiàn)。

4.充分運(yùn)用現(xiàn)有技術(shù)條件

為保障制造安裝的效果能夠滿足現(xiàn)實(shí)需求，工作人員應(yīng)該針對(duì)AFA 3G燃料棒焊接及上下管座安裝等工序的重點(diǎn)環(huán)節(jié)加以確認(rèn)，并通過(guò)電子束焊接測(cè)試的研究，確認(rèn)焊接管控重點(diǎn)。例如，在導(dǎo)向管脹接過(guò)程中便可多次開(kāi)展測(cè)試工作，以此解決導(dǎo)向管與套管脹接過(guò)程中的平整度問(wèn)題，確保其滿足0.15mm以內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)需求。

四、AFA 3G燃料組件制造質(zhì)量?jī)?yōu)化中的技術(shù)運(yùn)用

（一）制造優(yōu)化經(jīng)驗(yàn)

一方面，要以宏觀角度完成職責(zé)規(guī)劃，在制造過(guò)程中需圍繞總目標(biāo)來(lái)生產(chǎn)，確保各方人員科學(xué)完成工作任務(wù)。另一方面，AFA 3G組件制造的過(guò)程中涉及諸多專業(yè)技術(shù)，需要各部門通力合作，確保技術(shù)運(yùn)用的科學(xué)性。此外，應(yīng)做好現(xiàn)場(chǎng)規(guī)劃協(xié)調(diào)工作，在保障總目標(biāo)設(shè)定的同時(shí)在合同中添加具體的節(jié)點(diǎn)計(jì)劃，包括節(jié)點(diǎn)驗(yàn)收等信息，確保制造流程的科學(xué)性，保障制造質(zhì)量。

（二）AFA 3G燃料組件拆解修復(fù)技術(shù)分析

目前，AFA 3G燃料組件在使用過(guò)程中較常見(jiàn)的問(wèn)題是燃料棒的損壞。燃料棒作為主體結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部分，一旦出現(xiàn)損壞，技術(shù)人員要及時(shí)完成破損組件的更換和修復(fù)工作。其中，修復(fù)工作最為常見(jiàn)，能夠有效減少資源浪費(fèi)，保障成本管控質(zhì)量。

1.原理

過(guò)去，技術(shù)人員運(yùn)用不銹鋼材質(zhì)的燃料棒完成組件的更換和修復(fù)。在具體工作中，技術(shù)人員會(huì)對(duì)破損組件進(jìn)行結(jié)構(gòu)拆解，然后加以存儲(chǔ)，并將新的燃料棒安裝在目標(biāo)區(qū)域。啞棒的材料類型較多，每種形式在使用中的優(yōu)劣情況也有所差異，其中不銹鋼材質(zhì)的材料使用最為普遍，可降低對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)的影響，確保企業(yè)的經(jīng)濟(jì)性。

2.技術(shù)過(guò)程

本文將以17×17型號(hào)的燃料組件（圖1）作為分析對(duì)象，該組件包括骨架以及上下管座和燃料棒等。其中，骨架中設(shè)有11格架、導(dǎo)向管以及上下管座。

在后續(xù)技術(shù)修復(fù)過(guò)程中應(yīng)該按照以下步驟操作：首先，在拆卸結(jié)構(gòu)之前需要對(duì)外觀加以檢查，確認(rèn)各區(qū)域沒(méi)有多余異物，且螺釘?shù)炔牧喜淮嬖趤G失等情況。然后，便可開(kāi)展上管座拆除工作。先用工具完成區(qū)域固定，之后在水下監(jiān)控技術(shù)的運(yùn)用下，拆卸結(jié)構(gòu)中的螺釘?shù)炔牧?，所有的拆卸材料?yīng)該按照要求放置在收集桶等標(biāo)準(zhǔn)位置。例如，將舊螺釘放置在容器內(nèi)，以此為后續(xù)的操作處理提供保障。運(yùn)用抓具去除結(jié)構(gòu)中的上管座，并將其放置在工具架上。其次，應(yīng)用工具開(kāi)展燃料棒區(qū)域定位，確保燃料棒區(qū)域不存在位移情況，然后取出燃料棒并按照拉拔力限值要求緩慢提升破損區(qū)域材料，直至完全抽離整體組件，將破損組件放置在儲(chǔ)存容器中。需要注意的是，在拔取過(guò)程中，不可以破壞周圍的結(jié)構(gòu)，要時(shí)刻關(guān)注燃料棒的表面情況，并做好外觀檢查。最后，在修復(fù)中關(guān)鍵的不銹鋼棒復(fù)原環(huán)節(jié)。在此過(guò)程中，需要運(yùn)用工序?qū)⒉讳P鋼材料放置在組件區(qū)域中，在安裝過(guò)程中要注意下端頭在進(jìn)入定位格柵之前，應(yīng)該運(yùn)用視頻監(jiān)控完成區(qū)域定位，并利用點(diǎn)動(dòng)的形式完成下降操作，直至其通過(guò)其他結(jié)構(gòu)，才能開(kāi)展后續(xù)的復(fù)原安裝。在上管座復(fù)原過(guò)程中，通過(guò)工具的使用，將上管座放置到燃料組件正上方，緩慢地移動(dòng)將其恢復(fù)到目標(biāo)區(qū)域，并運(yùn)用套筒螺釘進(jìn)行固定，完成脹形操作。在脹形完成后，要做常規(guī)檢查，確認(rèn)其滿足組件安裝要求。全部復(fù)原完成后，外觀檢查尤為關(guān)鍵，要確保沒(méi)有其他多余物質(zhì)，且螺釘安裝滿足精準(zhǔn)度需求。拆解修復(fù)技術(shù)的運(yùn)用可以有效保障資源管控效果，降低經(jīng)濟(jì)成本。為進(jìn)一步提高技術(shù)運(yùn)用質(zhì)量，降低風(fēng)險(xiǎn)因素影響，要求技術(shù)應(yīng)用全過(guò)程必須在水下完成，且應(yīng)時(shí)刻監(jiān)管參數(shù)數(shù)據(jù)，并運(yùn)用保守值作為核心開(kāi)展技術(shù)應(yīng)用，防止對(duì)其他部件產(chǎn)生影響。在完成后要根據(jù)現(xiàn)實(shí)與實(shí)際拉拔力數(shù)據(jù)的對(duì)比，分析組件狀態(tài)。具體要求拉拔力范圍應(yīng)該小于計(jì)算限值，這樣才能滿足技術(shù)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)?？偠灾瑢?duì)于核電站發(fā)展來(lái)講，AFA 3G燃料組件的制造效果尤為關(guān)鍵，在后期工作中必須加大對(duì)細(xì)節(jié)管控，科學(xué)自主研究，并綜合國(guó)內(nèi)外技術(shù)運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)，強(qiáng)化技術(shù)運(yùn)用，加強(qiáng)對(duì)制造關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的質(zhì)量管控，以此保證組件生產(chǎn)質(zhì)量。

五、結(jié)論

綜上所述，AFA 3G已經(jīng)成為核電站發(fā)展的重要燃料組件形式，為進(jìn)一步強(qiáng)化組件的運(yùn)用效果，延長(zhǎng)組件的使用壽命，減少運(yùn)用中的維修次數(shù)，要求相關(guān)人員應(yīng)強(qiáng)化組件制造水平，并結(jié)合實(shí)際運(yùn)用強(qiáng)化制造細(xì)節(jié)管控，以此確保燃料組件的性能效果，為相關(guān)產(chǎn)業(yè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展提供技術(shù)支持。

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