CN109360670A - 一种自适应对中核燃料组件多功能检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自适应对中核燃料组件多功能检测装置，包括氧化膜厚度检测机构、自适应柔性对中检测机构和柔性联动进给机构；所述氧化膜厚度检测机构包括电涡流探头支撑座、电涡流探头和防辐射隔热端盖；所述自适应柔性对中检测机构包括长对中杆、前端支撑套、球副座、定平台、固定座、位移传感器后固定轴、位移传感器后轴、位移传感器、位移传感器前轴、动平台和短对中杆；所述柔性联动进给机构包括气囊、气压传感器、弹簧和压力传感器。该装置结构紧凑、安装方便、作业安全可靠、能够自适应对中各种位姿与变形下的核燃料棒，能够柔性进给、柔性接触和柔性测量，可实现核燃料组件氧化膜厚度、核燃料组件整体变形等多种参数的高精度检测。

Description

一种自适应对中核燃料组件多功能检测装置

技术领域

本发明涉及核工业检测领域，具体为一种自适应对中核燃料组件多功能检测装置。

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。核反应堆的原料是由二氧化铀陶瓷芯块和锆合金材料包壳组成的核燃料棒，实际应用时需要将若干核燃料棒组合在一起构成核燃料组件使用。核燃料组件具有反应速度快、利于装载等特点，是核反应堆的核心部件。核反应堆运转期间，核燃料组件浸入位于核反应堆核心的冷却剂/慢化剂中，锆合金材料包壳内的锆会与冷却剂/慢化剂发生氧化反应，形成的锆氧化物会在核燃料棒上积聚并形成一层氧化膜，导致锆合金材料包壳厚度变薄。核燃料组件在温度等外界环境变化及装载过程中可能会发生变形，会对装配产生影响，严重时可能会出现核燃料棒断裂等有巨大安全隐患的情况。因此，对核燃料组件的核燃料棒锆氧化膜厚度及变形量进行检测可以为核燃料组件的状态评估及核安全提供有力的数据保障。

为此，国内外针对核燃料组件氧化膜与变形检测装置开展了广泛深入研究，研制出了多种检测装置，如申请号为201110243780.9的文献公开了一种探测器及包括该探测器的核燃料棒氧化膜厚度测量装置，利用传送滚轴在上下移动的同时通过电涡流探头可实现对包壳氧化膜厚度的检测，但由于该检测装置传送区域与传送支撑区域相互平行，不能对核燃料组件局部变形自适应，同时其检测探头直接与下板固定，难以实现与核燃料组件的顺畅对中。申请号为201310549487.4的文献公开了一种涡流探头柔性定位夹持机构，解决了远程实现涡流探头对核燃料棒柔性定位和夹紧机构的问题，但是该装置没有同时具备变形检测等多种检测功能。申请号为201710395778.0的文献公开了一种核燃料棒检测设备，能够对核燃料棒进行实时检测得知其缺陷的准确位置，但是该检测装置需要将核燃料棒单独抽出进行缺陷检测，操作复杂，且设备结构较为复杂，不易安装。

综上所述，现有核燃料组件检测装置虽初步实现了对核燃料组件氧化膜厚度等关键参数的检测，但普遍存在检测装置不能自适应核燃料棒各种变形和位姿以保证探头与核燃料棒的顺畅对中，难以同时对核燃料组件进行多参数检测，存在结构复杂、测量精度低、安全保障差等突出问题。因此，亟需研发一种结构紧凑、安装方便、作业安全可靠、能够自适应对中各种位姿与变形下的核燃料棒，具备柔性接触、柔性进给和柔性测量性能，可实现多种检测功能的高精度检测装置。

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，提供一种自适应对中核燃料组件多功能检测装置。

本发明解决所述技术问题的技术方案是，提供一种自适应对中核燃料组件多功能检测装置，其特征在于该装置包括氧化膜厚度检测机构、自适应柔性对中检测机构和柔性联动进给机构；

所述氧化膜厚度检测机构包括电涡流探头支撑座、电涡流探头和防辐射隔热端盖；所述自适应柔性对中检测机构包括长对中杆、前端支撑套、球副座、定平台、固定座、位移传感器后固定轴、位移传感器后轴、位移传感器、位移传感器前轴、动平台和短对中杆；所述柔性联动进给机构包括气囊、气压传感器、弹簧和压力传感器；

所述定平台的一端面中心位置固定有一个固定座，此端面其他位置固定有至少三个球副座；固定座上固定连接有位移传感器后固定轴；动平台的一端面中心位置固定有一个球副座，此端面其他位置与定平台的对应位置处固定有球副座；位移传感器后轴通过球副安装在定平台的球副座上，位移传感器前轴通过球副安装在动平台的球副座上；位移传感器的一端与位移传感器后轴或位移传感器后固定轴固定连接；位移传感器的另一端配置有内孔，端部通过螺纹与位移传感器前轴的内部固定连接；位移传感器前轴外侧面与位移传感器的内孔配合构成移动副；动平台与定平台之间设置有气囊，气囊两端分别密封固连在动平台与定平台上；

所述前端支撑套的一端固连于动平台的另一端面上；动平台开有通孔，使得前端支撑套的内腔与气囊连通，前端支撑套内的气压与气囊内的气压相同，前端支撑套与气囊构成密封腔体；两根长对中杆和一根短对中杆固连于前端支撑套的另一端上；所述电涡流探头支撑座为阶梯式结构，放置于前端支撑套内部，与前端支撑套配合构成移动副，靠近动平台的一端连接气压传感器，另一端连接防辐射隔热端盖；电涡流探头支撑座和防辐射隔热端盖之间密封连接，内部真空或者填充隔热气体，形成隔热腔体；电涡流探头支撑座外表面阶梯位置处与弹簧的一端固连；所述压力传感器一端固连于前端支撑套远离动平台一端的内部，另一端与弹簧的另一端固连；所述电涡流探头固定于电涡流探头支撑座内部的隔热腔体中，一端与防辐射隔热端盖贴合。

与现有技术相比，本发明有益效果在于：

1、本装置能够自适应对中各种位姿与变形下的核燃料棒以保证高精度检测要求。

两根长对中杆和一根短对中杆在前端支撑套上呈圆周均匀布置，三根对中杆的轴线构成正四面体共顶点的三条棱线，轴线交点与动平台的中心重合，且当动平台与标准直径核燃料棒轴线平行时，三根对中杆端部的球形结构恰好位于标准直径核燃料棒表面轮廓处。利用三根对中杆的几何约束，配合气囊的柔性特性，使三根对中杆的球形结构与待测核燃料棒表面紧密贴合，实现氧化膜厚度检测机构与核燃料棒的自适应对中，即电涡流探头轴线与核燃料棒轴线垂直，以满足对核燃料棒的高精度检测需求。

电涡流探头支撑座和防辐射隔热端盖之间密封连接，内部真空或者填充隔热气体，形成隔热腔体，用于检测氧化膜厚度的电涡流探头置于隔热腔体，且与防辐射隔热端盖紧密贴合，利用防辐射隔热端盖与真空或隔热气体优异的隔热性能，减小外界温度变化对电涡流探头检测精度的影响，从而大幅提高氧化膜厚度检测精度。

2、本装置具备柔性接触和无损柔性测量，能够满足检测过程的安全性需求。

固连动平台与定平台外侧的密封性良好的气囊实现检测过程中对中杆与核燃料棒的自适应对中与柔性接触。

待自适应柔性对中检测机构与核燃料棒自适应对中后，移载平台持续水平进给，利用气囊的容积变化采用气动方式实现氧化膜厚度检测机构的柔性进给与核燃料棒表面的柔性接触，以实现核燃料棒氧化膜厚度的无损柔性测量。

利用用于检测密封腔体内的气体压力的气压传感器，结合自适应柔性对中检测机构的有效截面，可解算出自适应柔性对中检测机构与核燃料棒间的对中接触力。利用气压传感器和用于检测弹簧压力的压力传感器，配合氧化膜厚度检测机构受气压部分的有效截面，可解算出氧化膜厚度检测机构与核燃料棒间的检测接触力。实现检测过程中对中接触力与检测接触力的精确可控，满足检测过程的安全性需求。

3、本装置具备多种检测功能，能够实现对核燃料组件氧化膜厚度与核燃料组件整体变形的高精度检测。

用于检测氧化膜厚度的电涡流探头置于隔热腔体，且与防辐射隔热端盖紧密贴合，利用防辐射隔热端盖与真空或隔热气体优异的隔热性能，减小外界温度变化对电涡流探头检测精度的影响。利用三根对中杆的几何约束，使三根对中杆的球形结构与待测核燃料棒表面紧密贴合，实现氧化膜厚度检测机构与核燃料棒的自适应对中，电涡流探头轴线与核燃料棒轴线垂直，大幅提高核燃料棒氧化膜厚度检测精度。

连接于动平台与定平台的中心位置处的位移传感器，用于检测动平台与定平台间相对位置，其余位移传感器用于检测动平台与定平台间相对姿态；待自适应柔性对中检测机构与核燃料棒自适应对中后，可利用至少四个位移传感器的位移数据精确解算出核燃料棒变形量，同时配合移载平台的上下移动，可实现核燃料棒多个接触点的变形检测，实现核燃料组件整体变形量的高精度检测。

4、柔性联动进给机构实现气动柔性进给，大幅度提高安全系数。

待自适应柔性对中检测机构与核燃料棒自适应对中后，移载平台持续水平进给，利用气囊的容积变化为氧化膜厚度检测机构进给提供动力，使氧化膜厚度检测机构在气体压力与弹簧弹力的共同作用下沿前端支撑套轴向平稳移动，实现氧化膜厚度检测机构的柔性进给。同时，检测过程中对中接触力与检测接触力的精确可控，满足检测过程的安全性需求。

5、本装置结构简单紧凑，密封性能好，安装方便，通用性强。

本装置将氧化膜厚度检测与变形检测融合在一个装置中，同时氧化膜厚度检测机构采用气动联动进给，无需单独提供进给动力，大幅简化装置结构，减小装置体积，装配方便，装置各连接处均设置密封元件以保证装置整体密封性能，且在定平台配置通用连接法兰，便于与各型移载平台固定安装。

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剖视示意图；

图3为本发明一种实施例的位移传感器连接示意图；

图4为本发明一种实施例的定平台上的位移传感器的安装排布示意图；

图5为本发明一种实施例的氧化膜厚度检测机构结构示意图；

图6为本发明一种实施例的检测过程主视示意图；

图7为本发明一种实施例的检测过程俯视示意图；

图中：1、长对中杆；2、前端支撑套；3、电涡流探头支撑座；4、球副座；5、气囊；6、定平台；7、固定座；8、位移传感器后固定轴；9、位移传感器后轴；10、位移传感器；11、位移传感器前轴；12、动平台；13、气压传感器；14、弹簧；15、压力传感器；16、短对中杆；17、电涡流探头；18、防辐射隔热端盖。

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。

本发明提供了一种自适应对中核燃料组件多功能检测装置(简称装置，参见图1-7)，其特征在于该装置包括氧化膜厚度检测机构、自适应柔性对中检测机构和柔性联动进给机构；所述氧化膜厚度检测机构与待检测核燃料棒柔性接触；

所述氧化膜厚度检测机构包括电涡流探头支撑座3、电涡流探头17和防辐射隔热端盖18；所述自适应柔性对中检测机构包括长对中杆1、前端支撑套2、球副座4、定平台6、固定座7、位移传感器后固定轴8、位移传感器后轴9、位移传感器10、位移传感器前轴11、动平台12和短对中杆16；所述柔性联动进给机构包括气囊5、气压传感器13、弹簧14和压力传感器15；

所述定平台6的一端面中心位置固定有一个固定座7，此端面其他位置固定有至少三个球副座4；固定座7上通过螺纹连接有位移传感器后固定轴8并且中心通过螺钉固定；动平台12的一端面中心位置通过螺钉固定有一个球副座4，此端面其他位置与定平台6的对应位置处通过螺钉固定有相同数量的球副座4；位移传感器后轴9通过球副安装在定平台6的球副座4上，位移传感器前轴11通过球副安装在动平台12的球副座4上；位移传感器10的一端通过螺纹与位移传感器后轴9或位移传感器后固定轴8同轴固定连接；位移传感器10的另一端(即测量端)配置有内孔，端部通过螺纹与位移传感器前轴11的内部同轴固定连接；位移传感器前轴11外柱面与位移传感器10的内孔配合构成移动副，可实现位移传感器前轴11沿位移传感器10轴线的轴向移动；动平台12与定平台6之间设置有气囊5，气囊5两端分别密封固连在动平台12与定平台6上，使得动平台12与定平台6之间形成密闭空间；

所述前端支撑套2的一端通过螺纹孔固连于动平台12的另一端面上，两者之间配合有密封圈；动平台12开有通孔(本实施例为4个)，使得前端支撑套2的内腔与气囊5连通，前端支撑套2与气囊5构成密封腔体，前端支撑套2内与气囊5内的气体能够流通，前端支撑套2内的气压与气囊5内的气压相同；两根长对中杆1和一根短对中杆16通过螺钉固连于前端支撑套2的另一端上；所述电涡流探头支撑座3为阶梯式结构，放置于前端支撑套2内部，靠近动平台12的一端通过螺钉连接气压传感器13，用于检测密封腔体内的气体压力，另一端通过螺纹连接防辐射隔热端盖18；防辐射隔热端盖18上设置有密封圈，电涡流探头支撑座3和防辐射隔热端盖18之间密封连接，内部真空或者填充隔热气体，形成隔热腔体；电涡流探头支撑座3内部设置有用于连接电涡流探头17的螺纹孔，外表面阶梯位置处与弹簧14的一端固连；所述压力传感器15一端固连于前端支撑套2远离动平台12一端的内部，另一端与弹簧14的另一端固连，用于实时检测弹簧14压力；所述电涡流探头17通过螺纹固定于电涡流探头支撑座3内部的隔热腔体中，用于检测核燃料棒氧化膜的厚度，一端与防辐射隔热端盖18紧密贴合，以保证核燃料棒氧化膜厚度检测精度。

优选地，固定在定平台6上的至少三个球副座4呈圆周均匀布置，与中心的固定座7的距离相同。

长对中杆1和短对中杆16的主体均为圆柱状构件，底部为开设双通孔的底座，底座通过螺钉与前端支撑套2刚性连接，端部为球形结构，用于减小对中杆与核燃料棒氧化膜间的摩擦。

所述前端支撑套2为两端设置法兰盘的圆筒形构件，其内部腔体与电涡流探头支撑座3配合构成一移动副，可在气体压力与弹簧14弹力的共同作用下实现氧化膜厚度检测机构沿前端支撑套2轴向的平稳移动，右端法兰盘通过螺钉与动平台12的同轴刚性连接，左端法兰盘与长对中杆1和短对中杆16的固定连接。

两根长对中杆1和一根短对中杆16在前端支撑套2上呈圆周均匀布置，三根对中杆轴线构成正四面体共顶点的三条棱线，轴线交点与动平台12中心重合。

所述电涡流探头支撑座3为阶梯式圆筒形结构。

所述球副座4一端设置有椭圆形连接法兰，连接法兰通过螺钉安装于定平台6与动平台12上，一端设置有与位移传感器前轴11和位移传感器后轴9的球形结构相配合的内球面；

所述气囊5为由气密性良好材料制备的具有一定柔性的圆形波纹管状结构，用于提供自适应柔性对中检测机构与核燃料棒自适应对中所需的柔性。

所述定平台6为圆盘形结构，另一端面设置有通用连接法兰，用于与移载平台固定连接，实现整体装置的水平和竖直进给运动。

所述固定座7一端设置有椭圆形连接法兰，连接法兰通过螺钉连接安装于定平台6，一端设置有与位移传感器后固定轴8相配合的轴孔，用于通过螺钉与位移传感器后固定轴8同轴刚性连接；

所述位移传感器后轴9一端为球形结构，与球副座4内球面相配合构成一球副，另一端设置有与位移传感器10的安装内螺纹相配合的外螺纹，用于实现位移传感器后轴9与位移传感器10的同轴固定连接；

所述位移传感器10采用LVDT传感器，精度高；

所述位移传感器前轴11一端为球形结构，与球副座4内球面相配合构成一球副，另一端设置有与位移传感器10安装外螺纹相配合的内螺纹孔，用于实现位移传感器前轴11与位移传感器10的同轴固定连接，且位移传感器前轴11外柱面与位移传感器10内孔配合构成移动副，可实现位移传感器前轴11沿位移传感器10轴线的轴向移动；

所述压力传感器15为圆环形结构。

所述电涡流探头17为圆柱形构件。

所述防辐射隔热端盖18为由具备优异隔热性能的二氧化硅纳米材料制备的圆形端盖。

本发明的工作原理和工作流程是：

在装置作业前，将装置通过定平台6上的通用连接法兰固连于移载平台并对装置的密封腔体内填充气体，气体压力使得动平台12及其上安装的部件不会由于自身重力下垂。控制移载平台的水平进给使装置缓慢接近核燃料棒待检测位置(图6a和图7a所示)。移载平台持续水平进给，两根长对中杆1和一根短对中杆16与核燃料棒表面发生接触(图6b和7b所示)。利用三根对中杆的几何约束，使三根对中杆的球形结构与待测核燃料棒表面紧密贴合，实现氧化膜厚度检测机构与核燃料棒的自适应对中，电涡流探头17轴线与核燃料棒轴线垂直。同时利用用于检测气体压力的利用气压传感器13，结合自适应柔性对中检测机构的有效截面，可解算出自适应柔性对中检测机构与核燃料棒间的对中接触力。

待自适应柔性对中检测机构与核燃料棒自适应对中后，移载平台持续水平进给，利用气囊5的容积变化为氧化膜厚度检测机构进给提供动力，使氧化膜厚度检测机构在气体压力与弹簧14弹力的共同作用下沿前端支撑套2轴向平稳移动，直至防辐射隔热端盖18与核燃料棒表面紧密贴合，通过电涡流探头17测量核燃料棒表面氧化膜的厚度(图6c和7c所示)；此时定平台6和动平台12发生相对移动，气囊5由于柔性发生变形，气囊5内的位移传感器前轴11沿位移传感器10的轴线发生轴向移动，得到与位移传感器10数量相同的位移数据(至少三组)，可精确解算出此测量点核燃料棒变形量。与此同时，利用气压传感器13和用于检测弹簧14压力的压力传感器15，配合氧化膜厚度检测机构的有效截面，可解算出氧化膜厚度检测机构与核燃料棒间的检测接触力。

此测量点测量完成后，移载平台水平退出，带动整个装置退出。移载平台的竖直进给，重复上述过程可实现核燃料棒多个接触点的检测，最终实现核燃料棒整体变形量的高精度检测。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (10)

1.一种自适应对中核燃料组件多功能检测装置，其特征在于该装置包括氧化膜厚度检测机构、自适应柔性对中检测机构和柔性联动进给机构；

所述氧化膜厚度检测机构包括电涡流探头支撑座、电涡流探头和防辐射隔热端盖；所述自适应柔性对中检测机构包括长对中杆、前端支撑套、球副座、定平台、固定座、位移传感器后固定轴、位移传感器后轴、位移传感器、位移传感器前轴、动平台和短对中杆；所述柔性联动进给机构包括气囊、气压传感器、弹簧和压力传感器；

所述定平台的一端面中心位置固定有一个固定座，此端面其他位置固定有至少三个球副座；固定座上固定连接有位移传感器后固定轴；动平台的一端面中心位置固定有一个球副座，此端面其他位置与定平台的对应位置处固定有球副座；位移传感器后轴通过球副安装在定平台的球副座上，位移传感器前轴通过球副安装在动平台的球副座上；位移传感器的一端与位移传感器后轴或位移传感器后固定轴固定连接；位移传感器的另一端配置有内孔，端部通过螺纹与位移传感器前轴的内部固定连接；位移传感器前轴外侧面与位移传感器的内孔配合构成移动副；动平台与定平台之间设置有气囊，气囊两端分别密封固连在动平台与定平台上；

所述前端支撑套的一端固连于动平台的另一端面上；动平台开有通孔，使得前端支撑套的内腔与气囊连通，前端支撑套内的气压与气囊内的气压相同，前端支撑套与气囊构成密封腔体；两根长对中杆和一根短对中杆固连于前端支撑套的另一端上；所述电涡流探头支撑座为阶梯式结构，放置于前端支撑套内部，与前端支撑套配合构成移动副，靠近动平台的一端连接气压传感器，另一端连接防辐射隔热端盖；电涡流探头支撑座和防辐射隔热端盖之间密封连接，内部真空或者填充隔热气体，形成隔热腔体；电涡流探头支撑座外表面阶梯位置处与弹簧的一端固连；所述压力传感器一端固连于前端支撑套远离动平台一端的内部，另一端与弹簧的另一端固连；所述电涡流探头固定于电涡流探头支撑座内部的隔热腔体中，一端与防辐射隔热端盖贴合。

2.根据权利要求1所述的自适应对中核燃料组件多功能检测装置，其特征在于所前端支撑套与动平台之间配合有密封圈；防辐射隔热端盖上设置有密封圈。

3.根据权利要求1所述的自适应对中核燃料组件多功能检测装置，其特征在于固定在定平台上的至少三个球副座呈圆周均匀布置，与中心的固定座的距离相同。

4.根据权利要求1所述的自适应对中核燃料组件多功能检测装置，其特征在于长对中杆和短对中杆的主体均为圆柱状构件，底部与前端支撑套刚性连接，端部为球形结构；两根长对中杆和一根短对中杆在前端支撑套上呈圆周均匀布置，三根对中杆轴线构成正四面体共顶点的三条棱线，轴线交点与动平台中心重合。

5.根据权利要求1所述的自适应对中核燃料组件多功能检测装置，其特征在于所述气囊为由气密性良好材料制备的具有柔性的圆形波纹管状结构。

6.根据权利要求1所述的自适应对中核燃料组件多功能检测装置，其特征在于所述定平台为圆盘形结构，另一端面设置有通用连接法兰，用于与移载平台固定连接，实现装置的水平和竖直进给运动。

7.根据权利要求1所述的自适应对中核燃料组件多功能检测装置，其特征在于所述位移传感器后轴一端为球形结构，与球副座的内球面相配合构成一球副，另一端设置有与位移传感器的安装内螺纹相配合的外螺纹，用于实现位移传感器后轴与位移传感器的同轴固定连接。

8.根据权利要求1所述的自适应对中核燃料组件多功能检测装置，其特征在于位移传感器采用LVDT传感器。

9.根据权利要求1所述的自适应对中核燃料组件多功能检测装置，其特征在于所述位移传感器前轴一端为球形结构，与球副座的内球面相配合构成一球副，另一端设置有与位移传感器安装外螺纹相配合的内螺纹孔，用于实现位移传感器前轴与位移传感器的同轴固定连接，且位移传感器前轴外柱面与位移传感器内孔配合构成移动副，可实现位移传感器前轴沿位移传感器轴线的轴向移动。

10.根据权利要求1所述的自适应对中核燃料组件多功能检测装置，其特征在于所述防辐射隔热端盖为由二氧化硅纳米材料制备的圆形端盖。