乏燃料組件燃料棒更換裝置抓爪結構的數值分析和試驗研究

侯 碩，劉青松，余 冰，韓克平，李文龍，彭祥陽

(1.中廣核研究院有限公司 廣東深圳518124； 2.華中科技大學數字制造裝備與技術國家重點實驗室 湖北武漢430074)

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乏燃料組件燃料棒更換裝置抓爪結構的數值分析和試驗研究

侯 碩1，劉青松1，余 冰1，韓克平2，李文龍2，彭祥陽1

(1.中廣核研究院有限公司 廣東深圳518124； 2.華中科技大學數字制造裝備與技術國家重點實驗室 湖北武漢430074)

燃料組件是核電站核反應堆的關鍵設備之一，涉及燃料組件的維修特別是乏燃料組件破損棒更換維修屬于高風險作業。本文主要針對乏燃料組件燃料棒更換裝置的核心零件燃料棒抓爪的結構進行研究，通過結構力學分析得到抓爪較優壁厚數值，然后通過有限元計算抓爪的強度固化結構參數，最終進行抓爪試制，并通過抓爪試驗臺模擬抓爪的實際工況對抓爪進行性能測定，確保抓爪滿足使用要求。

乏燃料組件；燃料棒；抓爪；數值分析；試驗

燃料組件是核電站核反應堆的關鍵設備之一，經過多年的發展，壓水堆核電站燃料組件的制造質量和運行可靠性已經達到了較高的水平，燃料組件破損概率很低，甚至許多堆芯燃料在個別循環周期內實現了燃料零破損[1, 2]。但是，燃料破損仍是不可能完全避免的，燃料組件在運行過程中還是會發生個別燃料棒泄漏或格架損壞現象。為了提高燃料組件利用率和核電站的經濟性以及降低受損燃料組件貯存、后處理的難度，需要對受損組件進行修復，燃料棒彈性抓爪就是破損組件修復設備的關鍵零件[3]。燃料棒更換裝置抓爪能否按照預定設計順利打開和鎖緊并保證足夠的強度，將關系到換棒工作能否順利完成，并且由于抓爪所操作的燃料棒均為乏燃料組件棒，有的甚至為破損棒，因此需在屏蔽水下操作，屬于較高風險作業，因此燃料棒抓爪的可靠性備受關注。

在燃料組件完整性的檢測和修復的研究中，李田[4]通過監測燃料組件包殼的運行狀況，及時發現、修復或更換了破損燃料組件；深秋平[5]介紹了反應堆燃料組件修復裝置構成以及檢修方法；Naohiro Nakamura[6]通過三維非線性有限元模型分析了土壤的結構變化行為，通過對地基的運動等進行評估，建立了更準確的地震概率安全評價方法；譚忠文[7]以吊車組合結構為例，給出核電站這類大型組合結構的抗震分析方法；ZHANG Zheng-ming[8]結合理論分析動態液體加載和結構有限元分析方法，解決了液體存儲容器的抗震設計；張鳳林[9]設計安裝了燃料組件破損檢查裝置，并進行了校核模擬實驗和正式檢查。本文主要針對燃料棒更換裝置中的抓爪進行研究，通過結構靜力學與有限元分析相結合的方法對抓爪結構進行了優化。

1 設計輸入

1.1 抓爪典型的工作過程

抓棒過程示意如圖1所示。

工位一：芯桿接觸燃料棒頭部；

工位二：抓爪就位，此時抓頭位于燃料棒頸部位置；

工位三：鎖緊套筒向下，使抓爪向內收縮，并保持抓爪對燃料棒頭部的有效夾持。

最后抓爪將燃料棒從燃料組件中抽出，反向操作即為插棒過程。

圖1 抓棒過程示意圖Fig.1 The process diagram of grabbing the rods

1.2 抓爪的形態要素

為了使抓爪可以完成以上工藝過程，抓爪一般設計成如圖2所示形態。根據其結構功能特點，其特征要素主要包括以下幾個方面：開瓣長度、數量、間隙(或瓣寬度)以及厚度。

圖2 抓爪結構圖Fig.2 Structure of the gripper

1.3 設計要求

抓爪的設計需滿足其使用環境的接口要求、強度要求、彈性要求以及制造要求，具體如下：

1) 為了保證通過性要求，抓爪及鎖緊套筒任何部位不允許超過燃料棒的外部輪廓尺寸，并且要考慮抓棒過程的偏差適應性。

2) 抓爪的開瓣數量一般為雙數，同時不能太小，數量太小彈性較差，也不能太大，數量太大制造困難。

3) 爪瓣長度一般存在上限值，超過上限值后熱處理后會出現明顯的散瓣現象，尺寸精度穩定性差。

4) 抓爪的正常工作載荷為50kg，要求具有5倍的安全系數。因此抓爪必須采用特種鋼，除耐弱酸腐蝕外，還應具有較高的強度。

5) 爪瓣間隙的設定除了具有較好的力學性能外，還要考慮確保鎖緊套筒可以落下，同時考慮制造因素，因此爪瓣間隙應該在一定數值的范圍內。

2 結構回彈特性的數值分析

為了研究燃料棒抓爪結構對爪瓣回彈性能的影響，通過采用結構靜力學進行數學建模并對燃料棒抓爪結構進行定性分析，最后在MATLAB環境下對模型進行求解與仿真計算，用理論方法得到抓爪結構對其回彈性能的影響。

2.1 數學建模分析

將燃料棒單個抓爪簡化成懸臂梁模型，梁的長度為l、寬度為a、厚度為b。由于抓爪的彈性特性受到根部作用的影響，所以取懸臂梁根部截面三點A、A′、A″處的單元應力進行分析，如圖4所示，顯然A點為危險點。根據結構靜力學理論可以得到A點的應力公式：

(1)

圖3 抓爪簡化結構示意圖Fig.3 Schematic of the simplified structure of the gripper

圖4 應力單元狀態示意圖Fig.4 Schematic of the stress state of the unit bod

在單元體上選取任一與σx成α角度的方向，該方向上的正應力以拉為正、壓為負；切應力以繞單元體內任一點有順時針旋轉的力矩為正，反之為負。設該方向上對應的截面為dA，厚度設為單位1。則根據該方向和其法向的平衡方程和切應力互等定理，可以整理為：

(2)

對于彈性抓爪，最大正應力和切應力應分別小于許用正應力σp和許用切應力τp，又τp=(0.5～0.7)σp，故最大正應力和切應力應該滿足

(3)

(4)

(5)

式中，F1為阻力；yb為壓縮量；l、a、b分別為爪瓣的長度、寬度和厚度。

分析上式可以得出：增大爪瓣的長度和寬度(即減小爪瓣間隙)，抓爪的最大應力將減小，從而有利于彈性抓爪的回彈性。

由于抓爪爪瓣厚度所處情況復雜，這里令σmax、b為變量，其余參數為定量，構造函數，通過MATLAB編程求解出σmax的最小值為：

(6)

對應最優彈性抓爪厚度b0為：

其中Δ值為：

(7)

2.2 仿真模擬分析

通過MATLAB建模分析，得到的仿真曲線如圖5所示。

圖5 σmax與b曲線圖Fig.5 The curves of the σmax and b

得到的數值結果如下：

分析上式得出如下結論，抓爪爪瓣厚度的最優數值為0.81mm，函數σmax以0.81為分界點，左側為單調遞減函數，右側為單調遞增函數。

3 抓爪參數固化和產品試制

通過SolidWorks建立抓爪優化后的三維模型，并且使用單個爪瓣進行等效分析，如圖6所示。針對固化參數的抓爪進行5倍工作載荷的有限元分析，采用表1中的數據在ANSYS有限元軟件中進行參數設置和網格劃分，最終的分析結果如圖7所示。

圖6 抓爪三維模型Fig.6 Three-dimensional model of the gripper

序號參數數值1材料632不銹鋼2彈性模量1.99×10113泊松比0.3054摩擦系數0.015單元類型四面體單元6燃料棒質量50kg7安全系數5

圖7 抓頭位置應力分布圖Fig.7 Stress distribution map of head position of the gripper

分析顯示，應力集中位置位于抓頭輪廓變化區域，最大應力值1460MPa，分布范圍較小。據此判斷，按照此設計，抓爪在5倍工作載荷下不會發生斷裂現象。同時，根據以上參數試制燃料棒抓爪如圖2所示。

4 試驗驗證

4.1 試驗內容

1) 模擬抓放燃料棒的實際工作過程對抓爪的功能進行驗證。

2) 極限(5倍工作載荷)載荷試驗。

4.2 試驗裝置

參考抓爪的工作過程對試驗裝置進行設計，基本功能試驗的功能原理如下(見圖8)：

1) 試驗臺具有微量水平和垂直調整的功能，用以滿足對中和偏差模擬的要求；

2) 氣缸1可使鎖緊套筒和抓爪模擬體向上(遠離燃料棒或者帶著燃料棒上升)或者向下運動(靠近燃料棒或者帶著燃料棒下降)；

3) 氣缸2可使鎖緊套筒模擬體向上(打開抓爪)或者向下(抓緊燃料棒)運動；

4) 燃料棒模擬體設置有可調配重，滿足摩擦力模擬要求；

5) 試驗裝置采用PLC控制，并且可以實現手動和自動功能。

圖8 基本功能試驗裝置功能原理示意圖Fig.8 Schematic of function test device

極限載荷試驗裝置較為簡單，限于篇幅，不再贅述，主要是通過套筒將抓爪鎖死，而后逐級增加砝碼的方式進行驗證。

4.3 試驗結果

1) 經過2000次抓爪的基本功能試驗，抓爪尺寸穩定，抓爪頭部經液體滲透檢驗，無裂紋。

2) 抓爪在5倍工作載荷下10分鐘內未出現拉脫現象，抓爪頭部經液體滲透檢驗，無裂紋。

5 結語

本文主要根據燃料棒更換的工藝過程對燃料棒抓爪進行初步設計，然后根據應用軟件的數值仿真對抓爪的主要參數進行優化，最終試制抓爪并通過試驗驗證。結果表明，研制的抓爪滿足功能要求。

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[9] 張鳳林, 徐家駿, 陳永金, 等.反應堆燃料組件破損檢查裝置[J].核科學與工程, 1982, 4: 013.

Numerical Analysis and Experimental Research on the Gripper Structure of the Replacement Device of the Spent Fuel Assemblies Fuel Rod

HOU Shuo1，LIU Qing-song1，YU Bing1，HAN Ke-ping2, LI Wen-long2，Peng Xiang-yang1

1.China Nuclear Power Technology Research Institute, Shenzhen of Guangdong Prov.518124, China; 2.State Key Laboratory of digital manufacturing equipment and technology, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan of Hubei Prov.430074, China;

Fuel assembly is one of the key equipment in nuclear power plant, and it is a high-risk operation for the maintenance of the fuel assemblies, especially when the replacement of the damaged rod of the spent fuel assemblies occurred.In this paper, the gripper structure of the replacement device of the spent fuel assemblies fuel rod was studied, and the optimal wall thickness of the gripper is obtained by structure statics analysis.After the strength of the gripper was verified through the finite element analysis, and then eventually followed by the trial production of the gripper.Through simulating the actual working condition of the gripper, the performance of the gripper was measured to ensure the gripper meets the requirement.

Spent fuel assembly; Fuel rod; Gripper; Numerical analysis; Test

2017-03-11

化工裝備強化與本質安全湖北省重點實驗室開放課題(2015KA04)，中央高?；究蒲袠I務費資助(HUST：2015QN051，2015TS063)

侯 碩(1982—)，男，遼寧西豐縣人，高級工程師，現從事核電機械工程方面研究

TL2

A

0258-0918(2017)03-0477-05