基于振動方式的燃料棒自動裝管工藝研究

阮 航

（海裝沈陽局，遼寧 沈陽 110000）

0 引言

燃料芯塊進(jìn)入包殼管是壓水堆燃料組件燃料棒生產(chǎn)過程中的一項重要工序。目前，通用的燃料芯塊裝管方法有人工推進(jìn)裝管、傾斜式裝管、水平振動式裝管和轉(zhuǎn)鼓預(yù)裝式裝管[1]。在實際工程應(yīng)用上采用人工推進(jìn)方法最為常見，但該方法存在裝管效率較慢、燃料芯塊易碰損、難以保證裝管質(zhì)量等缺點(diǎn)。為提高燃料芯塊裝管過程的穩(wěn)定性和可靠性，考慮采用振動非推力方式使芯塊自動裝入包殼管中。

通過研制燃料棒自動裝管裝裝置，開展燃料芯塊自動入包殼管的工藝研究，分析震動方式對燃料芯塊外觀、包殼管管口及包殼管表面的影響，通過調(diào)節(jié)裝置震動頻率和傾斜角度等參數(shù)，掌握燃料棒自動裝管工藝[2]。并對實驗過程中出現(xiàn)的燃料芯塊在包殼管口易翻轉(zhuǎn)的問題進(jìn)行了改進(jìn)優(yōu)化，進(jìn)一步提高了裝管過程的穩(wěn)定性和可靠性。

1 裝置工作原理

燃料棒自動裝管裝置由振動臺、前后3只壓空氣囊（料盤下方對稱2只，待裝管下方1只）、左右兩側(cè)振動電機(jī)、底部支撐座、燃料芯塊預(yù)排長料盤、振動機(jī)構(gòu)、護(hù)管夾持裝置、推管機(jī)構(gòu)等部分組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。自動裝管裝置工作原理為通過置于振動臺左右兩側(cè)的交流伺服振動電機(jī)驅(qū)動偏心輪按固定頻率轉(zhuǎn)動，利用底部壓空氣囊的彈性，驅(qū)動震動臺產(chǎn)生上下方向固定頻率的振動。待裝入包殼管的燃料芯塊受到震動和傾斜角度的影響，自動進(jìn)入包殼管中。燃料棒自動裝管裝置配置了控制工作箱，由嵌入式工業(yè)控制器和2套交流伺服電機(jī)驅(qū)動器及1組送料方向控制電磁閥租場，從而控制震動臺的振動頻率及轉(zhuǎn)動方向。

圖1 燃料棒自動裝管裝置示意圖

燃料芯塊自動裝管過程如下。將25根包殼管放在裝管平臺V型槽內(nèi)，位置如圖2所示，推管機(jī)構(gòu)動作將待裝管推到導(dǎo)向孔中，壓板下降，壓住包殼管下端位置，護(hù)管夾持下落，固定待裝管從而保證待裝管與震動臺同步。燃料芯塊采用人工上下料方式，保證上下料時的芯塊預(yù)排長。料盤放置于震動臺上，將燃料芯塊逐槽推入裝管平臺的型槽內(nèi)進(jìn)行預(yù)先排長，重復(fù)上下料盤及預(yù)排長的動作，確保裝入包殼管內(nèi)的燃料芯塊長度滿足相關(guān)要求，通過控制工作箱開啟震動臺振動，將預(yù)排長的燃料芯塊通過振動方式自動裝入包殼管中，重復(fù)上下料盤、預(yù)排長及振動步驟，使燃料芯塊全部進(jìn)入包殼管中，裝管完成后，抬起壓板和護(hù)管加持裝置，包殼管退出導(dǎo)向孔，將25根包殼管移出裝管平臺，完成25根棒的裝料[3]。

圖2 空管的固定位置

裝管過程中為了消除振動臺在其他方向的振動，該裝置將2部交流伺服電機(jī)與偏心輪布置于振動臺的左右兩側(cè)，工作時左右兩側(cè)偏心輪反向同步旋轉(zhuǎn)，從而避免振動臺在其他方向產(chǎn)生振動。此外，自動裝管裝置可改變偏心輪轉(zhuǎn)動方向，當(dāng)需要從燃料棒中取出燃料芯塊或需要調(diào)整燃料棒裝入芯塊長度時，可通過改變振動方向使芯塊自動排出。

燃料棒自動裝管裝置的電氣控制部分如圖3所示，用于控制左右2臺伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向與轉(zhuǎn)速，利用交流伺服電機(jī)自帶的旋轉(zhuǎn)編碼器，控制左右偏心輪反向轉(zhuǎn)動過程中始終保持左右對稱，從而保證左右偏心輪同步轉(zhuǎn)動，進(jìn)一步消除水平方向的振動。電氣控制部分通過控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)振動頻率。

圖3 電氣控制圖

2 工藝試驗研究

前期，已經(jīng)完成了燃料棒自動裝管裝置的研制，工藝試驗即在該裝置上進(jìn)行，經(jīng)過之前對裝置的操作了解，確定主要影響燃料芯塊進(jìn)入包殼管效率和裝管質(zhì)量的參數(shù)為振動頻率F和振動方向與包殼管軸向夾角θ，該試驗主要探究尋找適合該裝置的振動頻率F和振動方向與包殼管軸向的夾角θ的數(shù)值范圍，在前期驗證非推力振動式燃料棒自動裝管技術(shù)的可行性的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步為后續(xù)該裝置投入生產(chǎn)線批量使用奠定基礎(chǔ)。

通過開展燃料芯塊自動裝管試驗研究，比較不同自動裝管工藝條件下燃料芯塊進(jìn)入包殼管的效率、燃料芯塊完整性以及包殼管管口及表面劃傷等情況，并對自動裝管后的芯塊外觀質(zhì)量和承載力進(jìn)行檢查和檢測[4]。針對上述目標(biāo)搭建試驗平臺，準(zhǔn)備試驗材料和工裝，選用足量的燃料芯塊和預(yù)壓下端塞的燃料棒包殼管若干，檢查加工和檢測工具完備和有效期。

工藝試驗的試驗路徑分為參數(shù)范圍摸索試驗和驗證試驗2個部分，參數(shù)范圍摸索包括振動頻率摸索試驗和夾角范圍摸索試驗，首先通過摸索試驗確定振動頻率和夾角的有效范圍，其次通過驗證試驗選取參數(shù)范圍邊界，驗證參數(shù)范圍有效性，確定平穩(wěn)、無跳動的裝管工作參數(shù)范圍。

2.1 參數(shù)范圍摸索試驗

2.1.1 自動裝管參數(shù)范圍

根據(jù)研制的燃料棒自動裝管裝置特性，其振動頻率和振動方向與包殼管軸向夾角θ的可調(diào)整范圍是固定的，結(jié)合該型號燃料芯塊和包殼管的物理質(zhì)量特性，采用交叉試驗法進(jìn)行參數(shù)范圍摸索試驗[5]，確定適合該型號燃料芯塊裝管的參數(shù)范圍，模式試驗過程中，首先控制振動方向和包殼管軸向夾角θ和振動頻率F從高到低逐漸調(diào)整，應(yīng)用小批量試驗用的燃料芯塊和包殼管，進(jìn)行振動裝管試驗，觀察在對應(yīng)的夾角和頻率下，燃料芯塊能否順利進(jìn)入包殼管中。如此循環(huán)，不斷調(diào)整夾角θ和振動頻率F參數(shù)，初步得到燃料芯塊能夠振動進(jìn)入包殼管中的參數(shù)范圍，參數(shù)范圍如表1所示。

表1 燃料棒自動裝管裝置參數(shù)摸索范圍

2.1.2 頻率試驗

根據(jù)前序過程摸索的振動頻率F和夾角θ參數(shù)范圍，選取夾角θ中值35°為固定參數(shù)，在頻率范圍內(nèi)分別設(shè)置5個不同的振動頻率進(jìn)行頻率試驗，按照Z1-1至Z1-25的式樣編號對25只包殼管進(jìn)行編號，分5次按照15Hz、17Hz、20Hz、23Hz、25Hz頻率數(shù)值進(jìn)行裝管試驗，每組頻率進(jìn)行5支包殼管的裝管，在預(yù)裝料盤中排列500mm長的燃料芯塊，觀察記錄燃料芯塊在振動前進(jìn)過程中的運(yùn)動狀態(tài)，記錄芯塊前進(jìn)500mm所需的時間，改變不同的振動頻率并重復(fù)進(jìn)行試驗，每次試驗前均對待裝的燃料芯塊和包殼管表面進(jìn)行目視檢驗，確認(rèn)無缺陷存在，測量結(jié)果如表2所示。

表2 頻率調(diào)整試驗

試驗完成后，將裝入包殼管的500mm燃料芯塊按照編號整齊地倒出排列在V型盤內(nèi)，不同包殼管倒出的燃料芯塊互相隔離并進(jìn)行標(biāo)識，按照技術(shù)指標(biāo)要求對倒出的燃料芯塊進(jìn)行目視檢驗，觀察是否有因振動裝管產(chǎn)生的裂紋、掉渣等缺陷，對包殼管管口和管體表面進(jìn)行目視檢查，觀察是否有磨損、劃痕等缺陷。通過檢驗人員檢驗，Z1-1至Z1-25式樣編號的燃料芯塊和包殼管無缺陷產(chǎn)生，滿足技術(shù)指標(biāo)要求。經(jīng)上述試驗驗證表明，在夾角θ為35°時，頻率15Hz~25Hz，燃料芯塊均可平穩(wěn)、無跳動地進(jìn)入包殼管內(nèi)，隨著振動頻率的增加，芯塊運(yùn)動速度逐漸加大，裝管所需時間變短，自動裝管工作的振動也相應(yīng)變大。

2.1.3 夾角試驗

根據(jù)前序過程摸索的振動頻率F和夾角θ參數(shù)范圍，選取振動頻率F中值20Hz，在夾角范圍內(nèi)分別設(shè)置5個不同的角度進(jìn)行夾角試驗，按照Z2-1至Z2-25的式樣編號對25只包殼管進(jìn)行編號，分5次按照24°、30°、35°、40°、46°角度進(jìn)行裝管試驗，每組角度進(jìn)行5只包殼管的裝管，在料盤中預(yù)排500mm長的燃料芯塊，觀察記錄燃料芯塊在振動前進(jìn)過程中的運(yùn)動狀態(tài)，記錄芯塊燃料前進(jìn)500mm所需的時間，改變不同角度并重復(fù)進(jìn)行試驗，同時在每次試驗前對待裝的芯塊和包殼管進(jìn)行目視檢驗，確認(rèn)無缺陷存在，測量結(jié)果如表3所示。與頻率試驗相同，將燃料芯塊按照編號整齊倒在V型盤內(nèi)并進(jìn)行隔離標(biāo)識，按照技術(shù)要求進(jìn)行目視檢驗，觀察是否有缺陷產(chǎn)生。通過檢驗人員檢驗，Z2-1至Z2-25式樣編號的燃料芯塊和包殼管無缺陷產(chǎn)生，滿足技術(shù)指標(biāo)要求。經(jīng)上述試驗驗證表明，在振動頻率為20Hz時，夾角24°~46°，燃料芯塊可進(jìn)入包殼管中，夾角為24°時，芯塊出現(xiàn)前后反復(fù)，夾角為46°時，芯塊前進(jìn)出現(xiàn)跳動，夾角30°~40°，燃料芯塊可平穩(wěn)、無跳動地前進(jìn)，且運(yùn)動速度較快，隨著夾角脫離該區(qū)間范圍后，芯塊運(yùn)動速度降低。

表3 夾角調(diào)整試驗

2.2 驗證試驗

根據(jù)前序頻率試驗和夾角試驗的試驗結(jié)果，優(yōu)選出燃料芯塊和包殼管外觀質(zhì)量較好狀態(tài)下的夾角θ和頻率F工藝參數(shù)范圍：當(dāng)振動頻率為15Hz時，燃料芯塊前進(jìn)速度最慢，且排列不整齊，振動頻率為25Hz時，燃料芯塊前進(jìn)速度最快，芯塊排列也較為整齊，但自動裝管裝置運(yùn)行的噪聲和振幅也相應(yīng)增加。為減少燃料芯塊受到振動影響的時間和強(qiáng)度，選取振動頻率為（20±3）Hz，夾角為（35±5）°進(jìn)行驗證試驗，并選取頻率F和夾角θ均為最小和最大值時進(jìn)行驗證，在試驗前對燃料芯塊和包殼管進(jìn)行目視檢驗，確認(rèn)狀態(tài)滿足技術(shù)要求。參數(shù)選取如表4所示。

表4 燃料棒自動裝管工裝參數(shù)表

使用燃料棒自動裝管裝置按照表5中的工藝參數(shù)分2次開展驗證試驗，獲得燃料芯塊前進(jìn)速度數(shù)據(jù)，運(yùn)動狀態(tài)如表5所示。

表5 芯塊前進(jìn)速度表

試驗完成后，對試驗所裝入芯塊的包殼管進(jìn)行管口清潔，按照燃料棒制造流程完成燃料棒生產(chǎn)的全部工序，并進(jìn)行下列檢驗項目的驗證，驗證結(jié)果如表6所示。1）對裝管后的燃料棒進(jìn)行X光全長透照，檢查內(nèi)部燃料芯塊是否存在掉渣等缺陷，經(jīng)檢驗滿足指標(biāo)要求；2）對裝管后的燃料棒進(jìn)行表面檢查，主要檢查自動裝管裝置與燃料棒的夾持位置是否有劃傷、磕碰等缺陷，經(jīng)檢驗，燃料棒表面質(zhì)量滿足指標(biāo)要求；3）對裝管后的燃料棒進(jìn)行切頭倒管，燃料芯塊按先后順序整齊地排列在V型盤內(nèi)，標(biāo)識清楚。檢查燃料芯塊外觀，是否有裂紋和碎屑出現(xiàn)，經(jīng)檢查滿足指標(biāo)要求；4）取位于燃料棒兩端和中間位置的芯塊各12塊送檢測部門做承載力試驗，檢測結(jié)果滿足指標(biāo)要求。

表6 驗證試驗結(jié)果

3 優(yōu)化設(shè)計

燃料棒自動裝管裝置的研制，能夠使芯塊平穩(wěn)、無跳動地裝入包殼管中，但在試驗過程中也存在芯塊出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)、包殼管定位不準(zhǔn)確引起的燃料芯塊卡在包殼管口的現(xiàn)象，針對現(xiàn)有裝置的和工藝方法，制定了以下改進(jìn)措施。1）燃料芯塊在V型盤振動進(jìn)入包殼管過程中，通過通道時少部分產(chǎn)生芯塊翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象，導(dǎo)致燃料芯塊堵住通道，影響后續(xù)燃料芯塊自動進(jìn)入包殼管。改進(jìn)措施：在芯塊裝入過程中設(shè)置防芯塊串位裝置，將通道改進(jìn)為錐形通道，適量擴(kuò)大通道直徑，芯塊翻轉(zhuǎn)、堵塞的現(xiàn)象大大降低。2）包殼管在連接通道工裝時依靠振動裝置的尾部頂緊下端塞，使管口與工裝連接，在試驗過程中，出現(xiàn)管口與通道對中性較差，芯塊在通過通道后與包殼管管口磕碰，影響裝管效率和芯塊質(zhì)量。改進(jìn)措施：配置通過按棒徑設(shè)計導(dǎo)向過規(guī)，連接包殼管和通道，實現(xiàn)芯塊進(jìn)入空管的過渡與銜接。3）通過驗證試驗表明，夾角為40°振動頻率為23Hz時，燃料芯塊的前進(jìn)速度明顯優(yōu)于夾角為30°振動頻率為17Hz時，現(xiàn)階段試驗的完成，有效保證了振動裝管時，燃料芯塊平穩(wěn)、無跳動的參數(shù)范圍，但是未摸索出裝管效率最高的工藝參數(shù)。改進(jìn)措施：繼續(xù)針對參數(shù)范圍開展驗證試驗，進(jìn)一步縮小參數(shù)范圍。

4 結(jié)論

該文介紹了燃料棒自動裝管裝置的工作原理和試驗獲得的工藝參數(shù)，燃料棒自動裝管裝置在設(shè)置振動頻率（20±3）Hz和振動方向與包殼管軸向的夾角（35±5）°參數(shù)范圍內(nèi)，燃料芯塊能平穩(wěn)、無跳動地振動進(jìn)入包殼管中，自動裝管后的芯塊外觀質(zhì)量和承載力滿足技術(shù)指標(biāo)要求，經(jīng)試驗，自動裝管速度可以達(dá)到約70支/h；經(jīng)過上述試驗和驗證得出的各項參數(shù)能夠初步保證以振動的方式將燃料芯塊裝入包殼管中。