拉棒中斷現(xiàn)象對(duì)燃料棒表面劃傷深度的影響研究

亢方亮

海軍裝備部，陜西 西安 710000

1 燃料棒概述

在反應(yīng)堆正常運(yùn)行中，燃料棒棒體結(jié)構(gòu)應(yīng)保持完整性，并將核燃料的裂變產(chǎn)物始終包容在內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)核能的安全有效利用。一座壓水反應(yīng)堆有成千上萬支燃料棒，這些燃料棒是核反應(yīng)堆內(nèi)實(shí)現(xiàn)核能利用的核心部件。

從結(jié)構(gòu)上來講，燃料棒是通過拉棒過程被組裝成為燃料組件的一部分。組裝后，受燃料組件格架柵元?jiǎng)偼购蛫A持彈簧的橫向作用，燃料棒豎立在燃料組件的下管座上。從燃料組件的設(shè)計(jì)要求來看，燃料組件格架柵元內(nèi)的剛凸和夾持彈簧與燃料棒之間有一定橫向夾持力的作用，使得燃料棒在燃料組件內(nèi)不會(huì)輕易軸向竄動(dòng)（比如在燃料組件運(yùn)輸中或反應(yīng)堆運(yùn)行初期）。在實(shí)施拉棒過程時(shí)，上述橫向夾持力以格架柵元?jiǎng)偼购蛫A持彈簧與燃料棒之間存在摩擦力的形式體現(xiàn)出來。拉棒后，燃料棒棒體表面總是不可避免地會(huì)有可見的拉棒劃傷。通常，基于滿足反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)材料的綜合性能要求，燃料棒棒體材料的硬度遠(yuǎn)小于定位格架剛凸及夾持彈簧的硬度，導(dǎo)致拉棒劃傷主要集中在燃料棒棒體表面，而定位格架剛凸和夾持彈簧沒有被劃傷的現(xiàn)象。在工程實(shí)際中，為節(jié)省材料及提高換熱效果，燃料棒包殼往往采用薄壁管。為滿足燃料棒全壽命期內(nèi)的完整性要求，燃料棒棒體的表面劃傷深度應(yīng)按相關(guān)質(zhì)量要求嚴(yán)格控制。

正常拉棒時(shí)，燃料棒棒體表面劃傷深度是能夠滿足相應(yīng)控制要求的。但在某工程燃料組件正常拉棒過程中，因機(jī)器故障出現(xiàn)拉棒中斷現(xiàn)象，經(jīng)檢查修復(fù)，恢復(fù)拉棒過程。為了解該中斷現(xiàn)象是否會(huì)導(dǎo)致燃料棒棒體表面劃傷深度的明顯加深，并且受拉棒中斷現(xiàn)象影響的燃料棒棒體表面劃傷深度是否仍然能夠較好地滿足相應(yīng)質(zhì)量控制要求，文章開展了拉棒中斷現(xiàn)象對(duì)燃料棒表面劃傷深度的影響試驗(yàn)研究及分析。

2 試驗(yàn)準(zhǔn)備

（1）經(jīng)檢驗(yàn)合格的燃料組件骨架，主要特性為骨架中各格架柵元位置度正確，柵元?jiǎng)偼古c對(duì)應(yīng)夾持彈簧所形成的夾持力在技術(shù)要求范圍內(nèi)。（2）棒體表面質(zhì)量完好的燃料棒若干。（3）專用拉棒機(jī)，指能夠?qū)崿F(xiàn)拉棒速度可調(diào)節(jié)的燃料組件生產(chǎn)專用拉棒機(jī)。（4）檢測用的專用顯微鏡，指能夠準(zhǔn)確檢測出精度為微米級(jí)的燃料棒表面劃傷深度的顯微鏡。（5）其他輔助工器具。

3 試驗(yàn)方案

3.1 總體要求

采用工程現(xiàn)有的拉棒系統(tǒng)，按規(guī)定的拉棒程序拉棒，開展兩次拉棒試驗(yàn)。每次拉棒試驗(yàn)，選取燃料組件骨架的四層格架柵元為試驗(yàn)研究對(duì)象，拉棒過程均采用工作許可的拉棒速度。在具體試驗(yàn)時(shí)，以從下向上數(shù)第一、中間、倒數(shù)第二、倒數(shù)第一層格架柵元為試驗(yàn)研究對(duì)象。

每次拉棒試驗(yàn)后，應(yīng)確保對(duì)試驗(yàn)棒的信息進(jìn)行正確跟蹤，主要有試驗(yàn)次別、燃料棒號(hào)、格架柵元層號(hào)及順序號(hào)等。在從燃料組件格架柵元中拉出每層的所有試驗(yàn)燃料棒時(shí)，應(yīng)緩慢勻速，不允許造成棒的明顯彎曲。采用專用顯微鏡對(duì)燃料棒的棒體表面劃傷深度進(jìn)行檢測，將測得的每支棒的棒體最深劃傷深度作為該支棒劃傷深度的有效數(shù)據(jù)（考慮到應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注燃料棒表面最嚴(yán)重的劃傷深度，文章中不區(qū)分格架剛凸和夾持彈簧兩種接觸形式對(duì)燃料棒表面造成的劃傷，也不區(qū)分劃傷的具體位置）。

對(duì)兩次試驗(yàn)的格架相同層號(hào)柵元中檢測出的最深劃傷深度有效數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)（為避免骨架翻轉(zhuǎn)前后格架同一柵元兩次參與拉棒試驗(yàn)劃傷深度數(shù)據(jù)的分析，舍去兩次拉棒試驗(yàn)中交叉重復(fù)的格架柵元所對(duì)應(yīng)的燃料棒劃傷深度數(shù)據(jù)）；分析討論拉棒中斷現(xiàn)象對(duì)燃料棒表面劃傷的影響；最終得出控制拉棒劃傷的建議及拉棒中斷現(xiàn)象對(duì)拉棒劃傷深度影響的結(jié)論。

3.2 試驗(yàn)方案一

將燃料組件骨架正常放置于拉棒平臺(tái)，預(yù)先在燃料棒全長的1/5、2/5、3/5、4/5處做人工標(biāo)記，當(dāng)該標(biāo)記處分別到達(dá)某層格架內(nèi)部大約與格架剛凸或彈簧接觸處時(shí)手動(dòng)中斷拉棒過程，以模擬拉棒中斷現(xiàn)象。中斷現(xiàn)象后，再繼續(xù)拉棒過程，直至該層的燃料棒被完全拉入燃料組件柵元，并最終將燃料棒拉出燃料組件，對(duì)棒體劃傷深度數(shù)據(jù)實(shí)施檢測。每層棒的拉棒中斷現(xiàn)象出現(xiàn)四次后，完成該層的拉棒試驗(yàn)。依次開展選定的后續(xù)三層格架柵元（中間層、倒數(shù)第二層和倒數(shù)第一層）的燃料棒拉棒中斷現(xiàn)象試驗(yàn)。

3.3 試驗(yàn)方案二

將所用燃料組件骨架順時(shí)針翻轉(zhuǎn)90°，拉棒時(shí)不中斷拉棒過程，分別完成格架第一層、中間層、倒數(shù)第二層、倒數(shù)第一層共4層格架柵元的拉棒過程，拉棒過程每層中斷4次，并最終將試驗(yàn)棒拉出格架柵元，對(duì)棒體劃傷深度數(shù)據(jù)實(shí)施檢測。

4 試驗(yàn)及數(shù)據(jù)檢測比對(duì)

按上述試驗(yàn)方案完成兩次試驗(yàn)。試驗(yàn)后，對(duì)所有試驗(yàn)燃料棒體的劃傷采用專用顯微鏡進(jìn)行檢測，得出每支試驗(yàn)燃料棒的劃傷數(shù)據(jù)（劃傷寬度和深度最大值）。通常，目視可看出，拉棒中斷現(xiàn)象對(duì)燃料棒表面劃傷寬度的影響很小，并且劃傷深度比寬度更直接地關(guān)系著燃料棒體的安全可靠性。因此，文章不對(duì)拉棒劃傷寬度贅述，而是以棒體的劃傷深度為研究對(duì)象，著重對(duì)兩次試驗(yàn)同層格架柵元對(duì)應(yīng)的棒體劃傷深度最大值數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)分析。

檢測的數(shù)據(jù)顯示，在將燃料棒拉入格架的第一層?xùn)旁^程中，模擬拉棒中斷現(xiàn)象后，棒體的劃傷深度最大值均略大于不中斷拉棒時(shí)棒體表面的劃傷深度最大值。并且，模擬拉棒中斷后棒體劃傷深度的最大值所對(duì)應(yīng)棒體的具體位置就是曾經(jīng)的拉棒中斷處，即對(duì)于格架第一層?xùn)旁?，出現(xiàn)拉棒中斷現(xiàn)象時(shí)，燃料棒棒體劃傷深度最大值數(shù)據(jù)相對(duì)略大。

依次開展兩次試驗(yàn)后續(xù)中間層、倒數(shù)第二層及倒數(shù)第一層格架柵元所對(duì)應(yīng)棒體表面劃傷深度最大值數(shù)據(jù)的檢測和比對(duì)。結(jié)果均顯示，出現(xiàn)拉棒中斷現(xiàn)象時(shí)，棒體劃傷深度的最大值數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)棒體的具體位置就是曾經(jīng)的拉棒中斷處，數(shù)據(jù)值也相對(duì)略大，且均遠(yuǎn)小于相應(yīng)的質(zhì)量控制要求。

5 分析及建議

當(dāng)發(fā)生機(jī)器故障、突發(fā)的停電及需要緊急暫停等情況時(shí)，均會(huì)出現(xiàn)拉棒中斷現(xiàn)象，這種拉棒中斷現(xiàn)象在拉棒過程中并不能完全避免。因此，拉棒中斷現(xiàn)象是拉棒過程中很可能隨時(shí)會(huì)出現(xiàn)的一種偶然現(xiàn)象。中斷后，恢復(fù)拉棒過程時(shí)，由于燃料棒從靜止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)到運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，受到的摩擦力也將由靜摩擦力轉(zhuǎn)為動(dòng)摩擦力。

從力學(xué)原理分析，由于靜摩擦力的峰值總是略大于動(dòng)摩擦力，燃料棒棒體所受的摩擦力將在中斷后繼續(xù)拉棒時(shí)的瞬間達(dá)到峰值，導(dǎo)致在燃料棒與格架剛凸或彈簧接觸處棒體表面劃傷深度會(huì)有所加深。若在中斷后能夠降低恢復(fù)拉棒時(shí)的速度，盡可能減小瞬時(shí)啟動(dòng)時(shí)的靜摩擦力，有利于減小燃料棒表面劃傷深度。

試驗(yàn)燃料棒棒體表面的實(shí)際劃傷深度的檢測結(jié)果也證實(shí)了這種情況，即出現(xiàn)拉棒中斷現(xiàn)象時(shí)，在棒體與格架剛凸或夾持彈簧的接觸處，其表面劃傷有相對(duì)明顯的頓挫痕跡，該位置燃料棒表面劃傷深度相對(duì)于附近劃傷處較深，可以說明靜摩擦力對(duì)燃料棒的表面劃傷深度的確是略有影響。但從檢測結(jié)果的進(jìn)一步比對(duì)來看，相對(duì)于不出現(xiàn)拉棒中斷現(xiàn)象，出現(xiàn)拉棒中斷現(xiàn)象時(shí)的劃傷深度最大值數(shù)據(jù)只是略有加深，并未顯示出有明顯的加深。

當(dāng)然，每支燃料棒拉棒劃傷深度也可能與格架柵元的柵元尺寸或夾持力的細(xì)微變化有關(guān)系。經(jīng)查看設(shè)計(jì)圖及測量實(shí)物尺寸，雖然每支格架的邊柵元和角柵元的尺寸略小，但由于夾持彈簧的存在，其格架柵元的夾持力檢測數(shù)據(jù)與其他柵元基本相同。因此，正常情況下，合格格架的不同柵元（夾持力檢測合格）所對(duì)應(yīng)燃料棒的劃傷深度最大值是不會(huì)有明顯差異的。雖然拉棒過程中，格架剛凸比夾持彈簧表現(xiàn)出的變形量更小，但從其對(duì)棒體產(chǎn)生的有效劃傷深度的比對(duì)來看是未有明顯差異的。通常，只要棒體未受到來自外界橫向外力的作用，那么在出現(xiàn)拉棒中斷現(xiàn)象時(shí)，燃料棒的棒體表面劃傷深度是不會(huì)出現(xiàn)明顯變化的。

對(duì)此，可采用以下兩條建議：（1）在拉棒過程中，減少拉棒中斷的次數(shù)，這對(duì)燃料棒表面劃傷深度的控制是有積極作用的；（2）中斷拉棒后，若降低恢復(fù)拉棒時(shí)的拉棒速度，可減小瞬時(shí)存在的靜摩擦力，這對(duì)減小燃料棒體表面劃傷的有效深度也是有貢獻(xiàn)的。

6 結(jié)論

綜合以上試驗(yàn)研究及分析，可以得出如下結(jié)論：（1）在正常拉棒過程中，盡量減少拉棒中斷現(xiàn)象的發(fā)生，并適當(dāng)降低拉棒的速度，對(duì)控制燃料棒棒體表面劃傷深度是有積極作用的；（2）拉棒中斷現(xiàn)象不會(huì)導(dǎo)致燃料棒棒體表面劃傷深度的明顯加深；受偶然拉棒中斷現(xiàn)象的影響，燃料棒棒體表面劃傷深度仍能夠很好地滿足相關(guān)質(zhì)量控制要求。