CN109489954B - 一种压水堆反应堆堆芯吊篮压紧弹簧松弛试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压水堆反应堆堆芯吊篮压紧弹簧松弛试验方法，包括以下步骤：1)、模拟压紧弹簧不同松弛状态：通过改变压紧弹簧的结构，加工不同刚度的压紧弹簧，从而模拟不同的松弛状态；2)、测量堆芯吊篮模态：在堆芯吊篮上装水下加速度计，在压力容器外部设置便携式数据采集仪，所述便携式数据采集仪用于采集水下加速度计的响应，计算获得振幅、一阶梁式频率和二阶壳式频率；3)、建立压紧弹簧不同松弛程度与堆芯吊篮的一阶梁式频率和二阶壳式频率的对应关系：分别测量压力容器内安装不同刚度的压紧弹簧时，堆芯吊篮的一阶梁式频率和二阶壳式频率。本发明解决了现有吊篮检测方法能估计出压紧弹簧松弛状态的问题。

Description

一种压水堆反应堆堆芯吊篮压紧弹簧松弛试验方法

技术领域

本发明涉及核反应堆技术领域，具体涉及一种压水堆反应堆堆芯吊篮压紧弹簧松弛试验方法。

背景技术

压水堆反应堆堆芯吊篮为反应堆的核心部件，主要功能是为反应堆冷却剂提供流道，屏蔽压力容器，使其免受或少受堆芯中子辐射的影响，支撑和压紧燃料组件，固定监督用的辐照样品，平衡机械载荷和水力载荷，确保对容器顶盖内的冷却水循环，以便顶盖保持一定的温度。堆芯吊篮主要由压紧弹簧、堆芯吊篮、堆芯下支承等组成，堆芯吊篮上部通过压紧弹簧连接到压力容器上，该缓冲支撑用于阻止堆芯吊篮扭曲和运动。

我国核电站均安装了堆芯吊篮振动监测系统，系统通过获取堆外电离室的中子噪声信号和电平信号，定期分析堆芯吊篮的振动和模态，长期跟踪堆芯吊篮主要模态的变化，从而判断堆芯吊篮的状态。研究表明堆芯吊篮本身的劣化和失效可能性小，如上文所诉由于堆芯吊篮通过压紧弹簧固定在压力容器上，而压紧弹簧在长期辐射、高温作用下导致结构材料老化，存在失效的可能性，由此带来的堆芯吊篮预载荷降级和压紧弹簧松弛引起堆芯吊篮的异常诊断，会危害堆芯，严重影响反应堆的安全，因此如何建立堆芯吊篮的模态参数与压紧弹簧的松弛程度定量是关键。

我国现有的技术只能通过堆外中子噪声信号间接的分析出堆芯吊篮的模态参数，并在一个长期过程中分析变化趋势，定性判断堆芯吊篮的振动状态，然而无法定量的对堆芯吊篮进行诊断，不能估计出压紧弹簧的松弛状态，从而指导核电站反应堆的运行和堆芯吊篮的运维。

发明内容

本发明的目的在于提供一种压水堆反应堆堆芯吊篮压紧弹簧松弛试验方法，解决现有吊篮检测方法能估计出压紧弹簧松弛状态的问题，采用该方法能获取压紧弹簧在不同松弛程度状态下的堆芯吊篮模态参数。

本发明通过下述技术方案实现：

一种压水堆反应堆堆芯吊篮压紧弹簧松弛试验方法，包括以下步骤：

1)、模拟压紧弹簧不同松弛状态：通过改变压紧弹簧的结构，加工不同刚度的压紧弹簧，从而模拟不同的松弛状态；

2)、测量堆芯吊篮模态：在堆芯吊篮上装水下加速度计，在压力容器外部设置便携式数据采集仪，所述便携式数据采集仪用于采集水下加速度计的响应，计算获得振幅、一阶梁式频率和二阶壳式频率；

3)、建立压紧弹簧不同松弛程度与堆芯吊篮的一阶梁式频率和二阶壳式频率的对应关系：试验回路完成模拟正常工况下的状态，分别测量压力容器内安装不同刚度的压紧弹簧时，堆芯吊篮的一阶梁式频率和二阶壳式频率，获得紧弹簧不同松弛程度与堆芯吊篮的一阶梁式频率和二阶壳式频率的对应关系。

本发明通过改变Z形弹簧结构设计加工不同强度的压紧弹簧试验件，布置水下加速度计和便携式数据采集仪用测量计算堆芯吊篮的一阶梁式频率和二阶壳式频率，在试验装置运行工况下开展堆芯吊篮压紧弹簧松弛试验，从而测量并分析堆芯吊篮当前的振动模态参数(一阶梁式频率和二阶壳式频率)，获得压紧弹簧正常状态和松弛状态的模态参数，从而建立压紧弹簧在不同松弛程度状态下的堆芯吊篮模态参数，为堆芯吊篮的诊断技术奠定基础。

进一步地，压紧弹簧的刚度K由下式计算：

式中，

其中，E为弹性模量，单位为N/mm²，H为弹簧截面总高，单位为mm，B₁为弹簧矩形截面高度，单位为mm，B₂为椭圆面长轴长度，单位为mm，Φ₁为弹簧内径，单位为mm，Φ₂为弹簧外径，单位为mm，b为两个椭圆面中心距离，单位为mm。如图1所示。

通过上述公式能够定量测量压紧弹簧的不同刚度下堆芯吊篮所对应的一阶梁式频率和二阶壳式频率。

进一步地，水下加速度计在堆芯吊篮上布置方式为：

在堆芯吊篮的筒体外表面中部环向角度为45°、135°、225°、315°处各布置一个水下加速度计，分别为M1、M2、M3和M4，水下加速度计通过电缆与便携式数据采集仪连接，电缆从压力容器中部的引线孔中引出；在堆芯底板下表面以上100mm处沿径向布置4个防水加速度计S1、S2、S3和S4，环向角度分别为45°、135°、225°、315°，电缆从压力容器下部的引线孔密封引出。

本试验主要分析堆芯吊篮一阶梁式和二阶壳式振动，也是工程应用中主要关注的振型，吊篮中部布置的传感器对二阶壳式振动敏感，吊篮底板下表面以上100mm处布置的传感器对一阶梁式振动敏感。

进一步地，试验方法还包括堆芯吊篮的模态分析：

分别计算S1和S3、S2和S4、M1和M3、M2和M4的互功率谱、相干和相位，获得每组数据的堆芯吊篮一阶梁式频率和二阶壳式频率，并对所有组数据结果进行算术平均，最终获得堆芯吊篮的一阶梁式频率和二阶壳式频率。

进一步地，将步骤2)中获得的振幅、一阶梁式频率和二阶壳式频率与流致振动试验数据进行对比，判断测量堆芯吊篮模态试验是否有效。

进一步地，水下加速度计的测量范围要求0～50g，1～100Hz频率范围灵敏度线性度偏差2％以内；便携式数据采集仪的测量偏差小于1％，采样频率大于等于500Hz，分析频率为0.1Hz。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明通过改变Z形弹簧结构设计加工不同强度的压紧弹簧试验件，布置水下加速度计和便携式数据采集仪用测量计算堆芯吊篮的一阶梁式频率和二阶壳式频率，在试验装置运行工况下开展堆芯吊篮压紧弹簧松弛试验，从而测量并分析堆芯吊篮当前的振动模态参数(一阶梁式频率和二阶壳式频率)，获得压紧弹簧正常状态和松弛状态的模态参数，从而建立压紧弹簧在不同松弛程度状态下的堆芯吊篮模态参数，为堆芯吊篮的诊断技术奠定基础。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1是原始压紧弹簧截面示意图见；

图2是加速度计在吊篮上的布置示意图；

图3是振动响应测量系统原理图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1：

如图1至图3所示，一种压水堆反应堆堆芯吊篮压紧弹簧松弛试验方法，包括以下步骤：

1)、模拟压紧弹簧不同松弛状态：通过改变压紧弹簧的结构，加工不同刚度的压紧弹簧，从而模拟不同的松弛状态，松弛状态至少应包括20％、50％和70％，而压紧弹簧模拟件其他尺寸、结构不变，所选择的材料和加工工艺与原型一致，同时要保证压紧弹簧能顺利安装，与压紧弹簧匹配的环板高度也做相应的变化，保证总的高度与原型一致，具体地，压紧弹簧的刚度K由下式计算：

式中，

其中，E为弹性模量，单位为N/mm²，H为弹簧截面总高，单位为mm，B₁为弹簧矩形截面高度，单位为mm，B₂为椭圆面长轴长度，单位为mm，Φ₁为弹簧内径，单位为mm，Φ₂为弹簧外径，单位为mm，b为两个椭圆面中心距离，单位为mm。如图1所示；

2)、测量堆芯吊篮模态：在堆芯吊篮上装水下加速度计，在压力容器外部设置便携式数据采集仪，所述便携式数据采集仪用于采集水下加速度计的响应，计算获得振幅、一阶梁式频率和二阶壳式频率，获得的振幅、一阶梁式频率和二阶壳式频率与流致振动试验数据进行对比，判断测量堆芯吊篮模态试验是否有效，水下加速度计的测量范围要求0～50g，1～100Hz频率范围灵敏度线性度偏差2％以内；便携式数据采集仪的测量偏差小于1％，采样频率大于等于500Hz，分析频率为0.1Hz，具体地，水下加速度计在堆芯吊篮上布置方式为：

在堆芯吊篮的筒体外表面中部环向角度为45°、135°、225°、315°处各布置一个水下加速度计，分别为M1、M2、M3和M4，水下加速度计通过电缆与便携式数据采集仪连接，电缆从压力容器中部的引线孔中引出；在堆芯底板下表面以上100mm处沿径向布置4个防水加速度计S1、S2、S3和S4，环向角度分别为45°、135°、225°、315°，电缆从压力容器下部的引线孔密封引出；

3)、建立压紧弹簧不同松弛程度与堆芯吊篮的一阶梁式频率和二阶壳式频率的对应关系：试验回路完成模拟正常工况下的状态，分别测量压力容器内安装不同刚度的压紧弹簧时，堆芯吊篮的一阶梁式频率和二阶壳式频率，获得紧弹簧不同松弛程度与堆芯吊篮的一阶梁式频率和二阶壳式频率的对应关系，具体过程为：

31)、压紧弹簧正常状态下堆芯吊篮振动特性试验：利用当前的压紧弹簧，启动主泵，当回路达到试验工况后，启动测量系统，采集加速度计的响应，试验时间为15分钟，采集的有效数据不小于10组，计算获得堆芯吊篮的振幅、一阶梁式频率和二阶壳式频率，将获得模态频率与流致振动试验数据进行对比，判断试验是否有效；

32)、不同刚度压紧弹簧堆芯吊篮振动特性试验：打开压力容器顶盖及相关部件，更换压紧弹簧(50％刚度)和环板，将压力容器顶盖螺栓按照规定值拧紧，并进行打压试验，通过后方可进行后续试验；

启动主泵，待回路达到试验工况，启动测量系统，采集加速度计的响应，试验时间为15分钟，采集的有效数据不小于10组。计算获得堆芯吊篮的振幅、一阶梁式频率和二阶壳式频率；依次更换压紧弹簧和环板，按照上序试验步骤，完成相关试验和记录；

4)、堆芯吊篮的模态分析：

分别计算S1和S3、S2和S4、M1和M3、M2和M4的互功率谱、相干和相位(每组数据进行64次平滑)，获得每组数据的堆芯吊篮一阶梁式频率和二阶壳式频率，并对所有组数据结果进行算术平均，最终获得堆芯吊篮的一阶梁式频率和二阶壳式频率。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种压水堆反应堆堆芯吊篮压紧弹簧松弛试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)、模拟压紧弹簧不同松弛状态：通过改变压紧弹簧的结构，加工不同刚度的压紧弹簧，从而模拟不同的松弛状态；

2)、测量堆芯吊篮模态：在堆芯吊篮上装水下加速度计，在压力容器外部设置便携式数据采集仪，所述便携式数据采集仪用于采集水下加速度计的响应，计算获得振幅、一阶梁式频率和二阶壳式频率；

3)、建立压紧弹簧不同松弛程度与堆芯吊篮的一阶梁式频率和二阶壳式频率的对应关系：试验回路完成模拟正常工况下的状态，分别测量压力容器内安装不同刚度的压紧弹簧时，堆芯吊篮的一阶梁式频率和二阶壳式频率，获得紧弹簧不同松弛程度与堆芯吊篮的一阶梁式频率和二阶壳式频率的对应关系；

所述水下加速度计在堆芯吊篮上布置方式为：

在堆芯吊篮的筒体外表面中部环向角度为45°、135°、225°、315°处各布置一个水下加速度计，分别为M1、M2、M3和M4，水下加速度计通过电缆与便携式数据采集仪连接，电缆从压力容器中部的引线孔中引出；在堆芯底板下表面以上100mm处沿径向布置4个防水加速度计S1、S2、S3和S4，环向角度分别为45°、135°、225°、315°，电缆从压力容器下部的引线孔密封引出；

所述试验方法还包括堆芯吊篮的模态分析：

分别计算S1和S3、S2和S4、M1和M3、M2和M4的互功率谱、相干和相位，获得每组数据的堆芯吊篮一阶梁式频率和二阶壳式频率，并对所有组数据结果进行算术平均，最终获得堆芯吊篮的一阶梁式频率和二阶壳式频率；

将步骤2)中获得的振幅、一阶梁式频率和二阶壳式频率与流致振动试验数据进行对比，判断测量堆芯吊篮模态试验是否有效。

2.根据权利要求1所述的一种压水堆反应堆堆芯吊篮压紧弹簧松弛试验方法，其特征在于，所述压紧弹簧的刚度K由下式计算：

式中，

其中，E为弹性模量，单位为N/mm²，H为弹簧截面总高，单位为mm，B₁为弹簧矩形截面高度，单位为mm，B₂为椭圆面长轴长度，单位为mm，Φ₁为弹簧内径，单位为mm，Φ₂为弹簧外径，单位为mm，b为两个椭圆面中心距离，单位为mm。

3.根据权利要求1所述的一种压水堆反应堆堆芯吊篮压紧弹簧松弛试验方法，其特征在于，所述水下加速度计的测量范围要求0～50g，1～100Hz频率范围灵敏度线性度偏差2％以内；便携式数据采集仪的测量偏差小于1％，采样频率大于等于500Hz，分析频率为0.1Hz。

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