一種深孔內壁邵氏硬度測量裝置

周 潔

上海電氣核電集團有限公司 上海 201306

1 設計背景

邵氏硬度計廣泛應用于機械制造、冶金、化工、建材等行業的計量檢測及科研生產,對成品和半成品的硬度性能測定具有結構簡單、使用方便、型小體輕、讀數直觀等特點,既可以隨身攜帶手持測量,也可以安裝在配套生產的同型號定荷架上進行測量。由于邵氏硬度計只能對被測樣塊表面進行硬度測量,因此使用范圍存在一定局限性。在石墨反應堆退役的相關技術科研項目中,現有邵氏硬度計無法對反應堆內石墨塊直徑小于100 mm的內孔壁硬度進行專項檢測,從而難以確定石墨反應堆退役項目的具體技術工藝路線。

上世紀早期,很多的核反應堆是以石墨塊作為慢化劑和反射層的生產堆,大部分已經關閉運行等待退役治理。目前,國內外科研機構正在抓緊開展石墨堆退役準備工作所需的技術開發和工程研究。在反應堆運行期間,石墨塊中會積累一些放射性核素,尤其是碳-14。因此,石墨塊從反應堆卸出后,通常被劃分為中等放射性廢物。

石墨堆的退役拆除問題十分復雜,需要充分了解石墨經輻照后的特性。通過測定石墨塊的硬度數值來直觀地反映出退役石墨的硬度特性,以便確定適合的石墨回取方法。我國某退役石墨堆由石墨塊、石墨套管堆疊而成,上下石墨塊的連接靠端面的凹凸口楔合連接,形成垂直的石墨孔道,孔道中放置石墨棒。由于石墨反應堆的堆疊結構,因此只能對石墨孔道內壁進行硬度測量來研究石墨塊的輻射損傷情況。

由于石墨塊的內孔壁直徑一般不大于70 mm,而目前的邵氏硬度計最小外形尺寸已經大于這一數值,因此無法將邵氏硬度計塞進孔內進行硬度測量,需要開發一種特殊的邵氏硬度測量裝置,以便進入深孔內壁進行硬度測量。

2 測量原理

邵氏硬度計測量的基本原理為在彈簧試驗力作用下,將一定形狀和硬度的鋼制壓針,垂直壓入試樣表面,當壓足平面與試樣表面緊密貼合時,測量壓針相對壓足平面的伸出長度,經換算得到邵氏硬度。通過測量壓針的伸長量,即可計算出相應的邵氏硬度HA,關系式為:

H=100-l/0.025

(1)

式中:H為邵氏硬度HA;l為壓針伸出長度,mm。

由式(1)可知,邵氏硬度與壓針伸長量有關。

根據邵氏硬度計的使用原理可知,邵氏硬度屬于壓入硬度,即通過測量一定形狀的壓針在一定條件下壓入被測物體表面的深度,換算為一定的硬度進行表示。壓入深度值與材料的彈性模量、塑性變形及黏彈性有關。邵氏硬度計的彈簧力隨被測物體硬度值不同而不同,當壓針壓入被測物體時,彈簧受到壓縮產生彈簧力。被測物體表面反作用于壓針的力越大,壓針壓入被測物體表面的深度就越小。相反,試樣硬度越低,反作用于壓針的力越小,壓針壓入試樣表面的深度就越大。

3 工作原理

根據以上測量原理,筆者研制出一種專用于深孔內壁的邵氏硬度測量裝置,實物如圖1所示。

圖1 邵氏硬度測量裝置實物

邵氏硬度測量裝置能夠進入直徑小于70 mm的深孔,進行邵氏硬度測量,并將測得的硬度數值輸出至外部數顯表中。邵氏硬度測量裝置通過外部動力拖拽,自身在重力作用下沿著測量對象的孔道內下降。通過內置于邵氏硬度測量裝置頭部的攝像頭,實時反饋被測物體孔道內部情況。通過計米器計量,并反饋下降高度,到達指定高度后,停止下放動作。邵氏硬度測量裝置的頂部設置有氣缸作為探測裝置的動力執行元件,通過控制設置在氣缸外部的控制按鈕進行硬度測量。氣缸在壓縮空氣的驅動下垂直動作,隨即邵氏硬度測量裝置的前后凸塊及頂針等部件橫向移動,后凸塊和前凸板先接觸被測物體孔道。隨著進一步動作,頂針扎入被測物體孔道內壁,從而使彈簧發生一定壓縮量的變化。通過傳感器測量這一變化值,達到測量硬度的目的。通過綜合線纜中的信號線纜向外部傳輸硬度值,通過外部數顯表顯示。測量結束后,通過外部動力拖拽,將邵氏硬度測量裝置從被測物體孔道中提出。

4 結構特點

邵氏硬度測量裝置由鋼外殼、法蘭環、氣缸頭部固定法蘭、夾板、頂針外板(含頂針、彈簧)、前凸板、前凸塊(含彈簧)、后凸塊(含彈簧)、斜口、配重、攝像頭、微距傳感器、氣缸、綜合線纜等組成。

綜合線纜主要包括為氣缸提供動力的氣管、位移傳感器的信號線纜、供電線纜、攝像頭的供電線、信號傳輸網線等,通過熱縮套管套成一股總線,便于外部動力進行纏繞和收放線。邵氏硬度測量裝置結構如圖2所示。

圖2 邵氏硬度測量裝置結構

邵氏硬度測量裝置通過外部動力拖拽,自身在重力作用下沿著被測量物體孔道內下降,通過內置在頭部的攝像頭實時反饋被測物體孔道內部情況,到達要求高度后停止下放動作。通過操控氣缸外部的控制按鈕進行硬度測量。氣缸外部控制按鈕按下后,電磁閥通電,壓縮空氣驅動氣缸動作。氣缸帶動斜口垂直運動,通過前凸塊和后凸塊將作用力轉換為橫向移動。

未測量時如圖3所示,黃色后凸塊和灰色前凸塊都在彈簧作用下向中心方向靠攏,整體呈收縮狀態。

圖3 未測量時

按下硬度測量按鈕后,氣缸動作,后凸塊和前凸塊先接觸被測物體孔道,如圖4所示。

圖4 后凸塊和前凸塊接觸孔道

隨著進一步動作,頂針扎入被測量物體孔道內部,同時彈簧發生一定壓縮量的變化。通過微距傳感器測量這一變化值,達到測量硬度的目的。通過綜合線纜中的信號線纜向外部傳輸硬度值,通過數顯表顯示。測量時如圖5所示。

圖5 測量時

測量結束后,經外部動力的拖拽,將邵氏硬度測量裝置從被測物體孔道內提出。

5 試驗驗證

5.1 試驗原理

為了驗證邵氏硬度測量裝置的功能滿足設計要求,將其和經過標定的邵氏硬度計對同一測量點進行硬度測量,對比兩者的測量結果,測量偏差度不超過5%為合格。

由于邵氏硬度測量裝置的設計是對孔道內壁進行測量,而邵氏硬度計僅可對外壁進行測量,因此為了達到測量標準的一致性,利用輔助工裝對邵氏硬度測量裝置進行固定,實現對石墨塊外壁的硬度測量。輔助工裝如圖6所示。

圖6 輔助工裝

5.2 試驗內容

(1) 應用邵氏硬度測量裝置對石墨塊外壁進行硬度測量。

(2) 使用標定過的邵氏硬度計對石墨塊外壁進行硬度測量。

(3) 對比上述兩種測量方式的硬度測量結果,偏差度應不超過5%。

5.3 邵氏硬度測量裝置測量

(1) 將邵氏硬度測量裝置放入石墨塊外壁與輔助工裝的空隙中。

(2) 按下操作臺自鎖按鈕,氣缸伸出,邵氏硬度測量裝置前后凸塊整體頂出,數顯表顯示穩定后,記錄測量結果。

(3) 再次按下操作臺自鎖按鈕,氣缸縮回,邵氏硬度測量裝置前后凸塊整體離開石墨塊外壁,數顯表顯示值歸零。

(4) 在石墨塊外壁隨機選取直徑10 mm范圍內五個位置點位進行邵氏硬度HA測量,分別記錄結果。

(5) 重復上述步驟,記錄三組數據,見表1。

表1 邵氏硬度測量裝置測量數據

5.4 硬度計測量

同樣,在邵氏硬度測量裝置附近直徑10 mm范圍內隨機選取五個位置點,使用邵氏硬度計進行邵氏硬度HA測量,分別記錄結果。

重復上述步驟,記錄三組數據,見表2。

表2 硬度計測量數據

5.5 結果對比

對三組分別通過邵氏硬度測量裝置和邵氏硬度計測量結果的平均值進行對比,每組數據誤差在±5%以內即為合格。

對上述測量結果進行對比,誤差值均在±5%以內,滿足試驗要求,證明筆者研制的邵氏硬度測量裝置適用于對邵氏硬度HA在100以內的樣件進行邵氏硬度測量。

6 模擬測試

模擬測試是為了驗證邵氏硬度測量裝置對石墨孔道內壁的檢測能力。由于內壁結構的局限性,無法使用邵氏硬度計進行對比測量,因此只做功能性驗證。

將邵氏硬度測量裝置的探針放入石墨砌體孔道內部,如圖7所示。按下操作臺的測量按鈕進行測量,觀察數顯表顯示數值。在測量點附近10 mm高度范圍內重復測量五次,根據現場情況選取垂直方向的不同測量點。邵氏硬度HA測量結果見表3。

圖7 實物測量

表3 實物測量結果

7 結束語

筆者研制的深孔內壁邵氏硬度測量裝置能滿足石墨反應堆退役項目所需的邵氏硬度測量要求,經對比標準邵氏硬度計測量數值,測量誤差均在標準允許范圍內。邵氏硬度測量裝置能夠深入樣件孔內進行內壁部位的邵氏硬度測量,還可以推廣應用于相同尺寸范圍內其它材質樣件的內壁,進行邵氏硬度測量。