核燃料組件直線度、垂直度墊片矯正返修分析

馬 帥，盛國(guó)福，胡耀峰，馮 亮

(中廣核鈾業(yè)發(fā)展有限公司，廣東 陽(yáng)江 529941)

核燃料組件是核反應(yīng)堆運(yùn)行的核心組成部分，其質(zhì)量直接關(guān)系到核電廠的運(yùn)行安全和經(jīng)濟(jì)效益[1-2]。由于核燃料組件造價(jià)成本極高，當(dāng)出現(xiàn)新組件產(chǎn)品質(zhì)量不合格時(shí)，通常首要的做法是在產(chǎn)品技術(shù)條件允許的情況下開展組件返修[1]。

核燃料組件直線度、垂直度是衡量一組燃料組件產(chǎn)品質(zhì)量好壞的關(guān)鍵指標(biāo)，對(duì)組件能否在反應(yīng)堆堆芯內(nèi)實(shí)現(xiàn)順利裝卸和定位、控制棒下插、象限功率彎曲等具有十分重要的影響[3]。常見的燃料組件外形返修方式包括組件下管座修磨、組件檢查儀施力矯正、組件拉棒機(jī)墊片矯正等3種方式[1,2,4]，其中前兩種方式需借助專用設(shè)備或?qū)Ｓ霉δ埽?種方式方法簡(jiǎn)單、操作靈活、應(yīng)用性更高。

本文在一組直線度和垂直度均不合格的模擬燃料組件上開展墊片返修試驗(yàn)，驗(yàn)證此種方法在組件直線度、垂直度返修上的可靠性。

1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)條件包含1組模擬燃料組件(12英尺17×17方形結(jié)構(gòu))、組件拉棒機(jī)、組件檢查儀、墊片。返修前模擬組件不合格尺寸如下，直線度測(cè)量值詳見表1，超差方位如圖1所示。

1)直線度超差，組件向Y+彎曲；

2)垂直度超差，Y方向：-3.15 mm(技術(shù)要求±3.00 mm以內(nèi))，組件向Y方向傾斜。

表1 返修前燃料組件直線度數(shù)據(jù)

圖1 組件外形檢測(cè)俯視圖Fig.1 The vertical view for FA dimension testing

2 試驗(yàn)過程

2.1 直線度返修

2.1.1 返修方法

選取合適厚度的墊片放置于組件拉棒機(jī)格架固定夾持框處(直線度偏差較大的格架)，組件彎曲一側(cè)朝下，夾緊鄰近格架的夾持框。

墊片厚度的選擇依據(jù)直線度測(cè)量值與許可偏差的比較，可適當(dāng)選取較厚的墊片，放置時(shí)長(zhǎng)4～12 h。

2.1.2 返修操作

本次返修試驗(yàn)共操作4次，墊片使用如表2所示。

1)在第3、4、5、6層格架夾持框的水平固定支撐面處，分別加1.5 mm的墊片，將組件彎曲側(cè)朝下；用3 N·m的力矩夾緊1、2、7、8層格架夾持框，靜置4 h；

2)在第一次直線度返修的基礎(chǔ)上，保持第3、6層格架夾持框墊片厚度不變，分別增加第4、5層格架夾持框墊片厚度至2 mm、1.7 mm，將組件彎曲側(cè)朝下；用3 N·m的力矩夾緊第1、2、7、8層格架夾持框，靜置6 h；

3)在第二次直線度返修的基礎(chǔ)上，保持第3、6層格架夾持框墊片厚度不變，分別增加第4、5格架夾持框墊片厚度至2.3 mm、1.8 mm，將組件彎曲側(cè)朝下；用3 N·m的力矩夾緊第1、2、7、8層格架夾持框，靜置6 h；

4)在第三次直線度返修的基礎(chǔ)上，分別增加第3、4、5、6格架夾持框墊片厚度至2.2 mm、2.5 mm、2.2 mm、2.1 mm，將組件彎曲側(cè)朝下；用3 N·m的力矩夾緊第1、2、7、8層格架夾持框，靜置6 h。

2.1.3 返修結(jié)果

每次返修結(jié)束后，對(duì)組件外形尺寸進(jìn)行組件檢查儀測(cè)量，4次返修后的直線度如表3所示。

表2 燃料組件直線度返修試驗(yàn)墊片使用

表3 燃料組件直線度返修試驗(yàn)測(cè)量值

返修后的組件直線度測(cè)量值變化，如圖2所示。

圖2 燃料組件返修后直線度測(cè)量值比較Fig.2 The straightness comparison after FA repairing

通過分析比較圖2組件返修后直線度測(cè)量值變化，可以發(fā)現(xiàn)：

采用加墊片的方式，對(duì)組件直線度矯正效果較好，墊片應(yīng)布置在直線度偏差較大的格架位置，組件彎曲側(cè)朝下，夾緊鄰近位置的格架；

直線度矯正時(shí)，墊片厚度的選取可依據(jù)直線度測(cè)量值與許可偏差的差值，可適當(dāng)選取較厚的墊片(<2.5 mm)；放置較短時(shí)間(4 h左右)，即可發(fā)生較為明顯的改善；

當(dāng)直線度矯正到許可偏差1/2以內(nèi)時(shí)，繼續(xù)增加墊片厚度，直線度的矯正效果已不明顯。

2.1.4 結(jié)果分析

由于組件的格架和燃料棒都選用中子吸收少的鋯合金軟性金屬材料，同時(shí)組件長(zhǎng)度較長(zhǎng)、格架位置間隔較大，組件在整體上是較為柔性的，因而將組件彎曲一側(cè)水平放置后，組件在自身重力作用下會(huì)自動(dòng)矯直，矯正效果會(huì)非常明顯。

墊片布置在直線度偏差較大的格架位置，未放置墊片的格架位置與平臺(tái)留有間隙，組件在自身重力作用下，未放置墊片的格架間隙會(huì)逐漸找平，從而達(dá)到直線度矯正的目的；應(yīng)避免墊片厚度過大，否則會(huì)出現(xiàn)組件朝另一側(cè)反向彎曲的情況出現(xiàn)。

組件平放后，較短時(shí)間內(nèi)直線度就會(huì)發(fā)生變化，但回彈也會(huì)較為厲害，一般要大于4 h以上；放置時(shí)間越久，越不容易回彈，矯正效果越好，以6～12 h為宜。

2.2 垂直度返修

2.2.1 返修方法

選取合適厚度的墊片放置于靠近組件上管座的兩層格架夾持框位置，組件傾斜側(cè)朝下，夾緊鄰近格架的夾持框；鑒于采用墊片矯正垂直度的效果不明顯，可適當(dāng)選取較厚的墊片(≥2.5 mm)，放置時(shí)間4～12 h。

2.2.2 返修操作

撤掉組件直線度矯正時(shí)的第3、4、5、6層格架夾持框墊片，在第7、8層格架夾持框水平固定面處分別加2.5 mm、3.0 mm墊片，將組件傾斜側(cè)朝下；用3 N·m的力矩夾緊鄰近第5、6層格架夾持框，靜置6 h。墊片使用如表4所示。

表4 燃料組件垂直度返修試驗(yàn)墊片厚度

2.2.3 返修分析

返修結(jié)束后，對(duì)組件外形尺寸進(jìn)行組件檢查儀測(cè)量，返修后的數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 燃料組件返修試驗(yàn)垂直度測(cè)量值

5次返修(4次直線度返修、1次垂直度返修)后的垂直度測(cè)量值變化，如圖3所示。

圖3 燃料組件返修后垂直度測(cè)量值比較Fig.3 The perpendicularity comparison after FA repairing

分析圖3組件返修后的垂直度變化，可知：

直線度矯正時(shí)，會(huì)對(duì)組件垂直度產(chǎn)生微小變化，但整體影響不大。

垂直度矯正時(shí)，墊片應(yīng)布置在上管座鄰近的格架位置，組件傾斜側(cè)朝下，夾緊鄰近位置的格架，鄰近格架受力作用下移，可實(shí)現(xiàn)垂直度矯正的目的。

2.2.4 結(jié)果分析

直線度矯正的作用主要是將組件各個(gè)格架盡可能維持在一條直線上，而組件直線度與垂直度關(guān)聯(lián)性弱。因此在矯正直線度時(shí)，組件垂直度變化微小，或無(wú)變化。

組件垂直度不合格主要是組件朝某一側(cè)發(fā)生傾斜，將傾斜一側(cè)朝下，墊高上管座鄰近的格架，其余位置的格架在組件自身重力的作用下，下管座與上管座的中心線會(huì)逐漸朝下管座的垂直方向找正，從而達(dá)到垂直度矯正的目的。

同樣，組件垂直度矯正時(shí)間不宜過短，時(shí)間過短組件回彈則達(dá)不到矯正的目的；時(shí)間越久，越不容易回彈，矯正效果越好，一般以6～12 h為宜。

3 結(jié)論

通過在一組12英尺、17×17方形模擬燃料組件上開展墊片返修試驗(yàn)，分析研究了不同墊片厚度下組件直線度、垂直度的變化趨勢(shì)，結(jié)果表明：

1)采用加墊片的方式，對(duì)組件的直線度、垂直度進(jìn)行返修操作可行；且較短時(shí)間(4 h左右)內(nèi)，即可發(fā)生明顯的改善；

2)開展組件直線度、垂直度矯正時(shí)，墊片布置位置有差別；直線度矯正時(shí)，墊片應(yīng)布置在直線度偏差較大的格架位置，組件彎曲側(cè)朝下；垂直度矯正時(shí)，墊片應(yīng)布置在上管座鄰近的格架位置，組件傾斜側(cè)朝下；

3)當(dāng)組件直線度矯正到許可偏差1/2以內(nèi)時(shí)，繼續(xù)增加墊片厚度，直線度的矯正效果已不明顯；

4)組件直線度矯正時(shí)，組件垂直度不會(huì)產(chǎn)生較大影響，垂直度變化較小。