CN107044895B - 乏燃料格架与组件地震试验时碰撞力测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及乏燃料格架与组件地震试验中碰撞力测试装置、方法，以及调整、安装精度检查装置。乏燃料贮存格架是核燃料循环中的核心设备，在地震时乏燃料组件与格架之间发生复杂的碰撞，需要通过试验验证。试验的重点、难点是动态碰撞力的测量。测试条件苛刻、边界条件复杂，测试装置的形式、刚度、安装精度对试验结果影响较大，目前无相关资料和经验借鉴。为此创新了测试方法、测量装置和配套的调整、检查装置。该装置主要思想是在主要的可能碰撞点开孔、安装力传感器短梁，将碰撞力直接传导到两只力传感器上，碰撞力为两只力传感器的合力，整体装置的刚度、边界条件与原结构一致。并设计了用于调整、检查安装间隙的装置。

Description

乏燃料格架与组件地震试验时碰撞力测试方法

技术领域

本发明属于核电设备抗震试验领域，涉及乏燃料格架与组件地震试验中碰撞力测试方法，以及附带的调整、安装精度检查装置。

背景技术

乏燃料贮存格架是核燃料循环中的核心设备，广泛应用于乏燃料在堆贮存、中间离堆贮存以及后处理厂贮存。乏燃料贮存格架位于辅助厂房乏燃料水池内，水池内壁设有不锈钢覆面。典型的乏燃料贮存格架顶部都设有导向口，底部分别有4个或8个可以调节水平高度的调整螺杆。各乏燃料贮存格架均为自由站立，调整螺杆居中放置于垫板上。调整螺杆、垫板及水池之间均可相对自由滑移。

乏燃料贮存格架为抗震I类设备，其设计应满足在地震载荷作用下保持结构完整性和执行安全功能能力。乏燃料贮存格架在各种环境载荷和异常载荷（例如地震）的作用下，使燃料组件能够保持安全的形状。

为解决核电站厂内乏燃料贮存能力美国等国家开发了自由式的密集型乏燃料贮存格架。由于整体试验件质量很大，还需考虑水动力效应，对试验设备要求较高，试验难度较大，因此乏燃料贮存格架抗震试验国外开展得较少。2012年，日本三菱重工发表会议论文表明其近期在空气和水中开展了单个燃料贮存格架1:1模型的地震试验，并开展了分析工作。 由于乏燃料贮存格架数量众多，贮存格架内含大量燃料组件，抗震问题牵涉流固耦合和非线性碰撞问题，目前占有一半乏燃料贮存格架市场的美国Holtec公司仍使用经典的梁单元模拟和分析。具体分析参数和细节均为各国际公司保密内容，如Holtec公司开发了专用软件，作为其自主知识产权加以保护。

由于地震反应分析涉及燃料组件与贮存格架贮存腔之间的碰撞，以及流固耦合作用，具有强非线性因素。而且计算参数无法完全确定，因此有必要对乏燃料贮存格架试验件进行地震试验，获得贮存格架地震反应试验数据，对贮存格架抗震分析模型及方法进行验证和修正。而地震试验中的重点、难点是燃料组件与贮存格架贮存腔之间的动态载荷（碰撞力）的测量，试验过程中燃料组件浸没在去离子水中，空间狭小，碰撞点多而且无法预测，试验测试装置和安装形式对原有结构的刚度、碰撞边界条件影响较大，因此试验难度较大。目前尚无相关资料和经验借鉴，为此创新了测试方法，并设计了动态载荷的测量装置和配套的调整、检查装置，在试验中取得了较好的效果。

发明内容

本发明的目的是测量燃料组件与贮存格架贮存腔在地震时的相互碰撞力，包含动态载荷测试方法，测量装置，安装间隙调整、精度检查装置。具体包括：

碰撞力测量点的选择主要以最可能发生碰撞的位置，如上管座、下管座、搅混格架、中间格架位置等，且主要集中在中上部高程。

贮存格架贮存腔的开孔，以燃料组件上的中间格架围板的大小尺寸为依据在贮存腔上对应位置开孔，并在开孔周围焊接对接用的对接支座。

由力传感器短梁将碰撞力传导至两只力传感器上，最终通过力传感器底板、螺栓传导至贮存格架本体；单个测点的碰撞力为两只力传感器响应时程的叠加。

尽量减小碰撞力的测量装置对原有碰撞条件的改变，如局部刚度等；可以通过调整装置零件的厚度尺寸等调整。

测量碰撞力的装置对加工精度、安装精度要求较高。试验中通过环形垫片、矩形垫片调整安装间隙，调整的依据由精度检查装置通过实际测量计算出。

精度检查装置主要利用激光位移传感器测量力传感器短梁与贮存格架贮存腔内壁的高程差，激光位移信号在力传感器短梁与贮存格架贮存腔内壁交界处会发生信号跳跃，信号跳跃差代表了高程差。具体测量时，需要将激光位移传感器固定在一滑动装置上，该滑动装置能够在贮存格架贮存腔内壁沿直线滑动，且能适应贮存腔内壁加工精度差异。

附图说明

图1为1×9型贮存格架；

图2为3×3型贮存格架；

图3为3×3型贮存格架测碰撞力的测点位置；

图4为1×9型贮存格架测碰撞力的测点位置；

图5为力传感器对接支座；

图6为贮存腔上的开孔示意图；

图7为力传感器短梁；

图8为力传感器底板；

图9为碰撞力测量装置安装示意图；

图10为碰撞力测量装置的剖面图；

图11为调整间隙用环形垫片；

图12为调整间隙用矩形垫片；

图13为安装间隙检查装置；

图14为安装间隙检查装置俯视图；

图中标号如下：

1—围板；2—对接支座 ；3—格架本体；4—预紧螺栓；5—力传感器短梁；6—力传感器底板；7—压电晶体力传感器；8—环形垫片；9—矩形垫片；10—上顶板；11—牛眼滑动铰；12—立柱；13—下底板；14—出线孔；15—吊环；16—激光位移传感器；17—微距摄像头；18—LED灯；19—激光位移传感器信号线；20—LED电源线；21—微距摄像头信号线；22—固定立柱的螺母；23—激光射线；

具体实施方式

以某核电站为例，其典型的乏燃料贮存格架主要由：1台I区乏燃料贮存格架A，3台I区乏燃料贮存格架B，3台II区乏燃料贮存格架A，1台II区乏燃料贮存格架B组成。如果以真实的贮存格架做试验，则其重量、尺寸均超出现有的试验条件。为此选择贮存格架的特征子结构（外围支撑、边界条件与原型一致）做试验，共选取了1×9型和3×3型的贮存格架试验件，见图1和图2。燃料组件试验件分为模拟燃料组件和等效燃料组件，其中模拟燃料组件以铅块代替燃料棒内部的芯块，其它特征与真实燃料组件完全相同。等效燃料组件采用多组总重、重心位置、刚度与真实燃料组件相同的钢结构模拟件。

试验包括单腔试验和多腔试验。在单腔试验中：乏燃料贮存格架试验件分别采用3×3型和1×9型的贮存格架试验件。贮存格架试验件底部通过螺栓固定在地震台上，在正中间的贮存腔内放置模拟燃料组件。进行动力特性探查试验和SSE地震试验。

多腔试验：乏燃料贮存格架试验件分别采用3×3型和1×9型的贮存格架试验件。贮存格架试验件底部通过螺栓固定在地震台上。在正中间的贮存腔内放置模拟燃料组件，在其余贮存腔内按试验组合的要求放置相应数量的等效燃料组件。进行动力特性探查试验和SSE地震试验。

在两种试验方案中，均采集试验过程中的动态载荷，对应的测点布置如图3和图4所示，每次试验中均测试7个点的碰撞力。

(1) 力传感器安装装置结构说明

根据燃料组件的结构形式，以上管座位置为例，在乏燃料贮存格架相应位置开孔。附带的13毫米厚的围板1也需要相应的开槽，并在外围焊接对接用的对接支座2（孔板上预留对接的螺纹孔），贮存腔上的开孔参见图5。

传感器安装零件包括力传感器短梁5、力传感器底板6、对接支座2（焊接在贮存腔开孔处），具体如图5、6、7、8。力传感器底板上预留了两个传感器的安装孔位，每个孔位安装一只防水型压电晶体力传感器7，传感器安装示意图参见图9，其剖面图为图10，其中环形垫片8和矩形垫片9由试验测量决定。

(2) 碰撞力测点位置选择

在每次试验中，力传感器共布置7个测点，每个测点安装两只力传感器（有一定的预紧力）。

测点F1～F4：测试燃料组件上部与贮存腔之间的动态载荷。力传感器安装在贮存腔上，安装高度与料组件的上管座对应。参见图3、4。

测点F5～F7：测试模拟燃料组件上部、中部、下部与贮存腔之间的动态载荷。传感器安装在存腔上，高度与模拟燃料组件的中上部（3/4位置处）、中部（1/2高度位置）、底部（距离底板50mm高）上的格架位置相对应。

(3) 力传感器安装间隙调节

由于接触间隙对动态载荷影响显著，并且考虑到实际燃料组件、乏燃料贮存格架的加工精度、运输影响、安装中的误差等因素，设计了一批不同厚度的环、垫片，用于调整安装间隙（厚度规格可以有多种，根据实际加工、安装情况定，本次试验中共计采取了5种厚度规格）。实际每个测点需要的垫片数量由实测数据得出，调整的依据为力传感器短梁与贮存格架内腔壁尽量处在一个平面，并由力传感器安装间隙检查装置检验。垫片如下图11、12所示。

(4) 力传感器安装间隙检查

在实际安装过程中，由于空间狭小、实际加工精度、安装精度等因素，造成实际力传感器的短梁与燃料组件间的间隙不确定程度较大，而地震考核工况中动态载荷对间隙大小较为敏感，为此设计了测量间隙的专用装置（参见图13～14）。该装置由上顶板10、立柱12、下底板13、吊环15构成了主要的受力框架，在上顶板、下底板四边各安装了2只滑动的牛眼滑动铰（共计16只牛眼滑动铰）。此装置由吊环15控制在贮存格架内腔（放置燃料组件的空腔）无间隙地滑动（牛眼球铰可以伸缩，抵消了格架内壁不平整的因素），16只滑动的牛眼滑动铰滑动路线（由牛眼滑动铰的安装位置决定）需要避开贮存腔内壁的开孔。测量装置安装了两只激光位移传感器16，激光传感器的光路23照射在力传感器短梁的宽度范围里，在本装置沿内壁滑动时，测出力传感器短梁与内壁的高程差（激光位移传感器的数据被实时采集，在经过力传感器短梁与贮存格架腔内壁开孔位置时，位移信号发生跳跃，该跳跃值即为力传感器短梁与内壁的高程差，可采用线性拟合等给出综合的结果）。该装置上还设置了LED灯、微距摄像仪等设备，用于检查、核实安装情况。

Claims (1)

1.一种乏燃料格架与组件地震试验时碰撞力测试方法，其特征在于，具有乏燃料贮存格架试验件和燃料组件试验件，所述燃料组件试验件分为模拟燃料组件和等效燃料组件，所述模拟燃料组件以铅块代替燃料棒内部的芯块，其它特征与真实燃料组件完全相同，所述等效燃料组件采用多组总重、重心位置、刚度与真实燃料组件相同的钢结构模拟件；碰撞力测量装置包括力传感器短梁、力传感器底板及对接支座，所述力传感器底板上预留了两个所述力传感器的安装孔位，每个所述安装孔位安装一只防水型压电晶体力传感器，单个测点的碰撞力为两只所述力传感器响应时程的叠加，所述力传感器的安装精度由5种不同厚度的环、垫片调整；所述测试方法包括单腔试验和多腔试验，在所述单腔试验中，所述乏燃料贮存格架试验件分别采用3×3型和1×9型的贮存格架试验件，所述贮存格架试验件底部通过螺栓固定在地震台上，在正中间的贮存腔内放置所述模拟燃料组件，进行动力特性探查试验和SSE地震试验；在所述多腔试验中，所述乏燃料贮存格架试验件分别采用3×3型和1×9型的贮存格架试验件，所述贮存格架试验件底部通过螺栓固定在地震台上，在正中间的贮存腔内放置所述模拟燃料组件，在其余贮存腔内按试验组合的要求放置相应数量的所述等效燃料组件，进行动力特性探查试验和SSE地震试验；在两种试验方案中，均采集试验过程中的碰撞力，共布置7个测点，每个测点安装两只所述力传感器，测点F1～F4用于测试燃料组件上部与贮存腔之间的碰撞力，所述力传感器安装在贮存腔上，安装高度与燃料组件的上管座对应；测点F5～F7用于测试模拟燃料组件上部、中部、下部与贮存腔之间的碰撞力；所述力传感器安装在贮存腔上，高度与模拟燃料组件的中上部、中部、底部上的格架位置相对应；安装间隙检查装置由上顶板、立柱、下底板、牛眼滑动铰、吊环、激光位移传感器、LED灯、微距摄像仪构成，所述上顶板、所述下底板四边各安装了2只滑动的牛眼滑动铰，所述安装间隙检查装置由所述吊环控制在贮存腔无间隙地滑动，所述牛眼滑动铰滑动路线需要避开贮存腔内壁的开孔，所述安装间隙检查装置安装了两只激光位移传感器，所述激光位移传感器的光路照射在力传感器短梁的宽度范围里，在所述安装间隙检查装置沿内壁滑动时，所述激光位移传感器的数据被实时采集，在经过所述力传感器短梁与所述贮存腔内壁开孔位置时，位移信号发生跳跃，该跳跃值即为力传感器短梁与贮存腔壁的高程差。