CN109346201A - 一种基于等效容积测量的核燃料组件内部变形检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于等效容积测量的核燃料组件内部变形检测装置，包括燃料棒形变检测机构、活塞杆推进机构和回转驱动机构；本装置结构小巧紧凑，在检测过程中无需对核燃料组件拆解，即可直接进入核燃料组件内部各燃料棒间狭小间隙，对其内部燃料棒进行变形检测；采用等效容积测量的变形检测原理，有效减小装置体积的同时，大幅提高了装置的灵敏度；可完成对360°范围内周边燃料棒的多点逐步检测，并同时获得燃料棒的直径及整体变形情况，检测范围全面；具备柔性接触与柔性测量性能，能够自适应各种变形下的燃料棒位姿，实现高温高辐照环境下对燃料棒变形的高精度检测。

Description

一种基于等效容积测量的核燃料组件内部变形检测装置

技术领域

本发明涉及核工业检测领域，具体为一种基于等效容积测量的核燃料组件内部变形检测装置。

背景技术

核电站是指通过适当的装置将核能转变成电能的设施。核电站以核反应堆来代替火电站的锅炉，以核燃料在核反应堆中发生特殊形式的“燃烧”产生热量，使核能转变成热能来加热水产生蒸汽。核燃料组件作为核电站的核心部件，主要由上下管座、格架、控制棒导向管和燃料棒组成，其中燃料棒直径通常介于9.3mm和9.7mm之间，长约4m，按15×15或17×17排列规格固定成束，且相邻燃料棒间间隔仅为3.3mm左右。核燃料组件工作在高温、高辐照的循环水中，受装配力及热应力等因素影响，燃料棒不可避免会产生局部变形，以致整个组件外形产生累积形变，严重时将会影响控制棒的正常插入，甚至危及反应堆的运行安全。因此，定期对核燃料组件变形量等关键参数开展高精度检测作业，已成为保障核电站安全运营的重要举措。

目前，针对核燃料组件变形等关键参数的检测，国内外已开展系统深入的研究工作，并取得丰硕成果，成功研发了多款典型检测设备，如申请号为201710486398.8的文献公开了一种现场对密集管束直径及氧化膜厚度进行测量的装置和方法，能够在现场直接对密集管束直径及氧化膜厚度进行测量，但其工作时需使用抓具将一组辐照样管束从组件中抓出，操作复杂，且可能使样管束产生二次变形，影响检测结果的准确性。申请号为201710395757.9的文献公开了一种乏燃料组件多功能检测设备，其检测模块通过自适应浮动平台与二自由度移载平台固定连接，可实现检测模块对燃料棒位姿的自适应调整，但由于自适应浮动平台柔性部件的引入，以致难以有效确定检测模块与移载平台间的相对位置，根本上限制了装置的检测精度，同时受结构限制该装置仅能实现对核燃料组件外围燃料棒的变形检测。申请号为201710395778.0的文献公开了一种燃料棒检测设备，可实现对燃料棒缺陷位置的准确检测，但该装置检测过程中需将核燃料组件拆解，逐根将燃料棒置于装置中单独检测，由于燃料组件拆解存在极高的安全隐患，同时拆解过程中可能导致燃料棒产生二次变形，以致该装置操作难度较高，作业风险较大。

综上所述，现有检测装置虽能初步实现对核燃料组件外围燃料棒变形量等关键参数的检测，但普遍存在设备结构复杂、安装不便、操作难度较高、作业风险较大、难以适应燃料棒局部变形、检测精度欠佳等突出问题，特别是针对核燃料组件内部燃料棒的变形检测，国内外尚无相关有效检测装置。因此，亟需研发一种相应的检测装置。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种基于等效容积测量的核燃料组件内部变形检测装置。

本发明解决所述技术问题的技术方案是，提供一种基于等效容积测量的核燃料组件内部变形检测装置，其特征在于该装置包括燃料棒形变检测机构、活塞杆推进机构和回转驱动机构；

所述燃料棒形变检测机构包括油缸轴、油缸盖、下活塞、检测探针和压缩弹簧；所述活塞杆推进机构包括上活塞、连接花键槽、花键法兰连接杆、丝杠螺母、下电机安装筒、丝杠轴减速机、推进驱动电机、下MR编码器和平键槽法兰；所述回转驱动机构包括插头、上电机罩、上MR编码器、回转驱动电机、减速机、主安装壳体、平键、上滚针轴承、下滚针轴承、端盖和气囊；

所述上电机罩下端通过法兰与主安装壳体连接，上端面开设气孔，用于对气囊充气；所述插头安装于上电机罩上端面；所述减速机固定于主安装壳体内，其输出轴通过平键与平键槽法兰连接；所述回转驱动电机与减速机固定连接，用于驱动燃料棒形变检测机构回转，以实现周边各燃料棒轮廓表面多点变形量的逐步检测；所述上MR编码器与回转驱动电机固定连接；所述主安装壳体下端面与端盖连接，上端面设置有用于对气囊充气的气孔并设置环形沟槽用于安装密封圈；所述气囊上部配置法兰，通过法兰与端盖连接，法兰内设置环形沟槽用于安装密封圈；端盖下端面设置环形沟槽用于安装密封圈；

所述下电机安装筒上端与平键槽法兰连接，上部外表面与上滚针轴承内圈配合，内部设置有用于对气囊充气的气孔；上滚针轴承的外圈与主安装壳体配合；所述丝杠轴减速机固定于下电机安装筒内部，其输出轴为丝杠，与丝杠螺母形成螺旋副；所述推进驱动电机与丝杠轴减速机固定连接，用于为检测探针的前后移动提供动力；所述下MR编码器与推进驱动电机固定连接；所述连接花键槽上端通过法兰与下电机安装筒连接，上部为圆形空腔，下部内表面开设花键槽，下部外表面与下滚针轴承的内圈配合，下端通过法兰与油缸轴的上端连接，下端面设置有环形沟槽用于安装密封圈，内部设置用于对气囊充气的气孔；下滚针轴承的外圈与主安装壳体配合；所述花键法兰连接杆通过花键安装于连接花键槽的花键槽内，形成移动副配合，上端面与丝杠螺母连接，下端为细长杆；所述上活塞上端连接于花键法兰连接杆的细长杆上，中部设置环形沟槽用于安装密封圈，下端为光滑平面与油缸轴内腔中的液体接触；

所述油缸轴的下端设置有U型凸台；U型凸台前端面与油缸盖连接；所述下活塞为长方形构件，位于U型凸台内部，其前端面上安装有细长杆，下活塞的细长杆端部伸出油缸盖外，其后端面为光滑平面与油缸轴内腔中的液体接触；下活塞上设置有环形沟糟用于安装密封圈，与油缸轴配合构成移动副；油缸轴、下活塞与上活塞形成具有一定容积的封闭空间；所述检测探针安装在下活塞的细长杆端部，位于油缸盖外侧，与气囊内层的导电材料分别接通外部电源的正负极，接触气囊内层材料后形成回路发出反馈信号；所述压缩弹簧嵌套于下活塞的细长杆上，一端与油缸盖接触，另一端与下活塞的前端面接触。

与现有技术相比，本发明有益效果在于：

(1)在检测过程中无需对核燃料组件拆解，即可直接进入核燃料组件内部各燃料棒间狭小间隙，对核燃料组件内部各个位置的燃料棒进行变形检测，利用不同高度各检测点处检测到的微小变形量，可解算出燃料棒的直径及整体变形情况。

本装置结构小巧紧凑，整体呈细长型，下部设置有可进入燃料棒间狭小间隙的细长型油缸轴，油缸轴上设置有可主动控制伸缩的微型检测探针。基于等效容积原理通过推进驱动电机控制油缸轴内液体的液位变化，驱动检测探针伸缩完成检测作业。通过回转驱动电机的驱动，能实现油缸轴360°整周回转，对周边各燃料棒表面完成多点逐步检测。利用外部移载平台的进给运动，实现燃料棒不同高度的多点逐步检测。

(2)采用等效容积测量原理，可根据检测环境的空间约束合理设计封闭空间的形状，适用性强，以满足狭小局部受限空间下的燃料棒变形检测作业需求，有效减小装置体积，大幅提高装置的灵敏度。

油缸轴内腔分别与具备较小截面的上活塞和安装有检测探针的大截面下活塞配合构成移动副，使得上活塞和下活塞可在油缸轴内腔中移动，并形成具有一定容积的封闭空间，空间中充满低热膨胀性系数且不可压缩的液体，利用封闭空间内液体的不可压缩与恒定容积特性，推进驱动电机通过丝杠螺母机构将旋转运动转换为直线运动推动上活塞移动，以控制油缸轴内液体的液位变化从而驱动检测探针前后移动，完成燃料棒变形单点检测作业。待单点检测完成后，回转驱动电机反转将检测探针移动至初始位置，回转驱动电机驱动油缸轴回转，以完成下一点检测作业。由于回转驱动机构可实现360°整周回转，因此能实现周边各燃料棒轮廓表面多点变形量的逐步检测。

上活塞截面较小，下活塞截面较大，且二者截面面积差异显著，以保证上活塞移动较大位移，检测探针产生微小位移，从而有效减小丝杠螺母机构传动误差和编码器分辨率对检测精度的影响，大幅提高装置灵敏度和检测精度。

(3)本装置可实现高温高辐照环境下对燃料棒变形的高精度检测。

通过下MR编码器检测到的推进驱动电机转过的角度计算出检测探针的伸缩量，实现对燃料棒变形的高精度检测。

气囊充气状态下能够与周边燃料棒表面紧密贴合，提高测量精度。气囊由具有极强延展性的双层复合材料制备而成，外层材料具有极强的绝缘隔热性能，检测过程中气囊中充满具有隔热作用且可压缩的气体，且油缸轴内的液体具有低热膨胀系数，有效减小了检测环境温度变化对检测精度的影响，提高了高温环境下燃料棒变形的检测精度。

本装置区别于传统检测装置采用电气元件直接接触燃料棒的检测方式，采用基于等效容积原理驱动检测探针的机械检测方式，且将用于检测的编码器等电气元件布置于远离辐照区域，有效避免了辐照对检测电气元件性能的影响，可实现高辐照环境下燃料棒变形的高精度检测。

(4)本装置能够自适应燃料棒各种变形，可实现对燃料棒的柔性接触与柔性测量，以满足核燃料组件检测的安全性需求。

气囊具备较强的柔性且内部可充气，气囊在充气状态下能够与周边燃料棒表面紧密贴合，以自主适应燃料棒各种变形，可实现装置与燃料棒的柔性接触。检测过程中检测探针在推进驱动电机驱动下向前移动，待接触到气囊内层导电材料后立即停止移动，且由于检测探针不直接与燃料棒接触，二者间通过柔软气囊隔离，可实现装置对燃料棒的柔性测量。

(5)本发明结构简单紧凑，密封性能好，安装操作方便，检测范围全面。本装置整体为细长筒型结构，电机采用嵌套安装的形式，整体结构简单紧凑；各连接处均设置有密封橡胶圈，保证了装置的整体密封性能，避免电气元件与燃料棒水池中的液体接触；此外，本装置可完成对360°范围内周边燃料棒的多点逐步检测，并同时获得燃料棒的直径及整体变形情况，检测范围全面。

附图说明

图1为本发明一种实施例的整体结构轴测示意图；

图2为本发明一种实施例的整体结构主视剖视示意图；

图3为本发明图2中A区域的局部放大示意图；

图4为本发明图2中B区域的局部放大示意图；

图5为本发明一种实施例的燃料棒形变检测机构结构示意图；

图6为本发明一种实施例的活塞杆推进机构的移动副部分结构示意图；

图7为本发明一种实施例的燃料棒形变检测机构与活塞杆推进机构连接示意图；

图8为本发明一种实施例的下活塞示意图；

图9为本发明一种实施例的花键法兰连接杆结构示意图；

图10为本发明一种实施例的上活塞结构示意图；

图11为本发明一种实施例的检测过程主视示意图；

图12为本发明一种实施例的检测过程俯视示意图；

图中：1、油缸轴；2、油缸盖；3、下活塞；4、检测探针；5、压缩弹簧；6、上活塞；7、连接花键槽；8、花键法兰连接杆；9、丝杠螺母；10、下电机安装筒；11、丝杠轴减速机；12、推进驱动电机；13、下MR编码器；14、平键槽法兰；15、插头；16、上电机罩；17、上MR编码器；18、回转驱动电机；19、减速机；20、主安装壳体；21、平键；22、上滚针轴承；23、下滚针轴承；24、端盖；25、气囊

具体实施方式

下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请权利要求的保护范围。

本发明提供了一种基于等效容积测量的核燃料组件内部变形检测装置(简称装置，参见图1-10)，其特征在于该装置包括燃料棒形变检测机构、活塞杆推进机构和回转驱动机构；活塞杆推进机构与燃料棒形变检测机构刚性连接；回转驱动机构与活塞杆推进机构构成回转副；

所述燃料棒形变检测机构包括油缸轴1、油缸盖2、下活塞3、检测探针4和压缩弹簧5；所述活塞杆推进机构包括上活塞6、连接花键槽7、花键法兰连接杆8、丝杠螺母9、下电机安装筒10、丝杠轴减速机11、推进驱动电机12、下MR编码器13和平键槽法兰14；所述回转驱动机构包括插头15、上电机罩16、上MR编码器17、回转驱动电机18、减速机19、主安装壳体20、平键21、上滚针轴承22、下滚针轴承23、端盖24和气囊25；

所述上电机罩16为长圆筒型构件，下端通过法兰和螺钉与主安装壳体20连接，上端面开设气孔，用于对气囊25充气；所述插头15通过螺钉安装于上电机罩16上端面，用于连接外部电源；所述减速机19通过螺钉固定于主安装壳体20内，其输出轴通过平键21与平键槽法兰14连接，实现平键槽法兰14与输出轴的径向定位；所述回转驱动电机18通过螺纹与减速机19固定连接，形成电机减速机一体化设备，用于驱动燃料棒形变检测机构回转，以实现周边各燃料棒轮廓表面多点变形量的逐步检测；所述上MR编码器17与回转驱动电机18固定连接，用于检测回转驱动电机18输出轴转过的角度；所述主安装壳体20为阶梯式圆筒型结构，下端面通过螺钉与端盖24连接，上端面设置有用于对气囊25充气的气孔和电机出线的通孔并设置环形沟槽用于安装密封圈，保证装置整体密封性能；所述端盖24为阶梯式圆盘型结构，通过螺钉与气囊25连接，下端面设置环形沟槽用于安装密封圈，保证装置整体密封性能；所述气囊25上部配置法兰，通过法兰和螺钉与端盖24连接，法兰内设置环形沟槽用于安装密封圈，保证装置整体密封性能；

所述下电机安装筒10为阶梯式圆筒型结构，上端通过螺钉与平键槽法兰14连接，上部外表面与上滚针轴承22内圈配合，内部设置有用于对气囊25充气的气孔；上滚针轴承22的外圈与主安装壳体20配合；所述丝杠轴减速机11通过螺纹固定于下电机安装筒10内部，其输出轴为丝杠，与丝杠螺母9形成螺旋副，用于驱动花键法兰连接杆8的移动；所述推进驱动电机12通过螺纹与丝杠轴减速机11固定连接，形成电机减速机一体化设备，用于为检测探针4的前后移动提供动力；所述下MR编码器13与推进驱动电机12固定连接，用于检测推进驱动电机12输出轴转过的角度；所述平键槽法兰14为阶梯式圆筒型结构，表面设置用于对气囊25充气的气孔和电机出线的通孔，内部设置平键槽，用于安装平键21，实现与减速机19输出轴的径向定位；所述连接花键槽7为阶梯式圆筒型结构，上端通过法兰和螺钉与下电机安装筒10连接，上部为圆形空腔，下部内表面开设花键槽，下部外表面与下滚针轴承23的内圈配合，下端通过法兰和螺钉与油缸轴1的上端连接，下端面设置有环形沟槽用于安装密封圈，保证装置整体密封性，内部设置用于对气囊25充气的气孔；下滚针轴承23的外圈与主安装壳体20配合；所述花键法兰连接杆8为一圆筒型构件，通过花键安装于连接花键槽7的花键槽内，通过花键连接实现花键法兰连接杆8与连接花键槽7间的径向定位和轴向移动，形成移动副配合，上端面通过螺钉与丝杠螺母9连接，下端为细长杆801；所述上活塞6为圆柱形构件，上端通过螺纹连接于花键法兰连接杆8下端的细长杆801上，中部设置环形沟槽用于安装密封圈，实现与油缸轴1的密封，下端为光滑平面601，光滑平面601与油缸轴1内腔中的液体接触；

所述油缸轴1为一细长L型空心轴，可直接进入核燃料组件内部各燃料棒间的狭小间隙；油缸轴1的下端设置有U型凸台101；U型凸台101前端面通过螺钉与油缸盖2连接；油缸盖2为一U型端盖，实现油缸的密封；所述下活塞3为长方形构件，位于U型凸台101内部，其前端面上安装有细长杆301，下活塞3的细长杆301端部伸出油缸盖2外，其后端面为光滑平面302，光滑平面302与油缸轴1内腔中的液体接触；下活塞3上设置有环形沟糟用于安装密封圈，实现与油缸轴1的密封，与油缸轴1配合构成移动副；油缸轴1、下活塞3与上活塞6形成具有一定容积的封闭空间；所述检测探针4通过螺纹安装在下活塞3的细长杆301端部，位于油缸盖2外侧，与气囊25内层的导电材料分别接通外部电源的正负极，检测探针4移动至接触气囊25内层材料后形成回路发出反馈信号；所述压缩弹簧5嵌套于下活塞3的细长杆301上，一端与油缸盖2接触，另一端与下活塞3的前端面接触，用于为下活塞3在油缸轴1的空腔中向前移动提供柔性缓冲，为下活塞3回到初始位置提供回弹弹力。

所述插头15采用航空插头；

本发明的工作原理和工作流程是：

检测作业前，将装置安装于外部移载平台上，通过移载平台的横向运动驱动使燃料棒形变检测机构和气囊25达到核燃料组件内部燃料棒间狭小间隙上方(如图11(a)所示)，并通过移载平台的进给运动使燃料棒形变检测机构达到燃料棒的待检测高度开展检测作业(如图11(b)和12(a)所示)。

检测过程中，气囊25充气膨胀至与周边燃料棒紧密贴合(如图11(c)和12(b)所示)。推进驱动电机12开始运动，检测探针4处于初始位置(如图12(c))。推进驱动电机12通过丝杠螺母机构将旋转运动转换为直线运动推动上活塞6向下移动，上活塞6推动油缸轴1空腔内的液体从而推动安装有检测探针4的下活塞3向前移动，使得检测探针4向前移动，因检测探针4与气囊25内层导电材料分别接通电源两极，待检测探针4与气囊25内层导电材料接触瞬间(如图12(d)所示)，即可利用检测探针4与气囊25内层导电材料构成的回路接通产生的反馈信号控制推进驱动电机12停转，从而检测探针4停止前进，随即读取用于检测推进驱动电机12输出轴转过的角度的下MR编码器13的数值，据此数值解算出丝杠螺母9的位移量即上活塞6位移量，再根据截面转换可计算出下活塞3的位移量即检测探针4的伸缩量，实现柔性测量。

待单点检测作业完成后，推进驱动电机12立即反转，辅以压缩弹簧5弹力作用，将检测探针4移动至初始位置，回转驱动电机18带动整个燃料棒形变检测机构旋转一定角度，对燃料棒表面下一检测点重复上述检测过程以完成该点检测作业(如图12(e)和12(f)所示)，实现周边各燃料棒轮廓表面多点变形量的逐步检测。

回转驱动机构带动燃料棒形变检测机构完成360°整周回转检测后，即完成此高度的燃料棒检测作业，装置在移载平台进给运动作用下向下移动，对燃料棒下一高度重复上述360°整周回转检测作业，利用燃料棒不同高度的多点变形检测信息，解算出燃料棒的直径及整体变形情况。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (8)

1.一种基于等效容积测量的核燃料组件内部变形检测装置，其特征在于该装置包括燃料棒形变检测机构、活塞杆推进机构和回转驱动机构；

所述燃料棒形变检测机构包括油缸轴、油缸盖、下活塞、检测探针和压缩弹簧；所述活塞杆推进机构包括上活塞、连接花键槽、花键法兰连接杆、丝杠螺母、下电机安装筒、丝杠轴减速机、推进驱动电机、下MR编码器和平键槽法兰；所述回转驱动机构包括插头、上电机罩、上MR编码器、回转驱动电机、减速机、主安装壳体、平键、上滚针轴承、下滚针轴承、端盖和气囊；

所述上电机罩下端通过法兰与主安装壳体连接，上端面开设气孔，用于对气囊充气；所述插头安装于上电机罩上端面；所述减速机固定于主安装壳体内，其输出轴通过平键与平键槽法兰连接；所述回转驱动电机与减速机固定连接，用于驱动燃料棒形变检测机构回转，以实现周边各燃料棒轮廓表面多点变形量的逐步检测；所述上MR编码器与回转驱动电机固定连接；所述主安装壳体下端面与端盖连接，上端面设置有用于对气囊充气的气孔并设置环形沟槽用于安装密封圈；所述气囊上部配置法兰，通过法兰与端盖连接，法兰内设置环形沟槽用于安装密封圈；端盖下端面设置环形沟槽用于安装密封圈；

所述下电机安装筒上端与平键槽法兰连接，上部外表面与上滚针轴承内圈配合，内部设置有用于对气囊充气的气孔；上滚针轴承的外圈与主安装壳体配合；所述丝杠轴减速机固定于下电机安装筒内部，其输出轴为丝杠，与丝杠螺母形成螺旋副；所述推进驱动电机与丝杠轴减速机固定连接，用于为检测探针的前后移动提供动力；所述下MR编码器与推进驱动电机固定连接；所述连接花键槽上端通过法兰与下电机安装筒连接，上部为圆形空腔，下部内表面开设花键槽，下部外表面与下滚针轴承的内圈配合，下端通过法兰与油缸轴的上端连接，下端面设置有环形沟槽用于安装密封圈，内部设置用于对气囊充气的气孔；下滚针轴承的外圈与主安装壳体配合；所述花键法兰连接杆通过花键安装于连接花键槽的花键槽内，形成移动副配合，上端面与丝杠螺母连接，下端为细长杆；所述上活塞上端连接于花键法兰连接杆的细长杆上，中部设置环形沟槽用于安装密封圈，下端为光滑平面与油缸轴内腔中的液体接触；

所述油缸轴的下端设置有U型凸台；U型凸台前端面与油缸盖连接；所述下活塞为长方形构件，位于U型凸台内部，其前端面上安装有细长杆，下活塞的细长杆端部伸出油缸盖外，其后端面为光滑平面与油缸轴内腔中的液体接触；下活塞上设置有环形沟糟用于安装密封圈，与油缸轴配合构成移动副；油缸轴、下活塞与上活塞形成具有一定容积的封闭空间；所述检测探针安装在下活塞的细长杆端部，位于油缸盖外侧，与气囊内层的导电材料分别接通外部电源的正负极，接触气囊内层材料后形成回路发出反馈信号；所述压缩弹簧嵌套于下活塞的细长杆上，一端与油缸盖接触，另一端与下活塞的前端面接触。

2.根据权利要求1所述的基于等效容积测量的核燃料组件内部变形检测装置，其特征在于所述插头采用航空插头。

3.根据权利要求1所述的基于等效容积测量的核燃料组件内部变形检测装置，其特征在于所述平键槽法兰表面设置有用于对气囊充气的气孔，内部设置平键槽，用于安装平键。

4.根据权利要求1所述的基于等效容积测量的核燃料组件内部变形检测装置，其特征在于所述上活塞为圆柱形构件。

5.根据权利要求1所述的基于等效容积测量的核燃料组件内部变形检测装置，其特征在于油缸轴为细长L型空心轴。

6.根据权利要求1所述的基于等效容积测量的核燃料组件内部变形检测装置，其特征在于油缸盖为U型端盖，实现油缸的密封。

7.根据权利要求1所述的基于等效容积测量的核燃料组件内部变形检测装置，其特征在于所述下活塞为长方形构件。

8.根据权利要求1所述的基于等效容积测量的核燃料组件内部变形检测装置，其特征在于气囊由具有极强延展性的双层复合材料制备而成，外层材料具有极强的绝缘隔热性能，内层材料具有极强的导电性能；充气状态下充满具有隔热作用和可压缩性的气体。