孫四中，王 哲，許貴平，張 侃，張恒泉，楊 彪

(中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院，四川 成都 610213)

乏燃料貯存格架是核電廠乏燃料池中貯存乏燃料組件的關(guān)鍵設(shè)備，具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、防止乏燃料次臨界、屏蔽放射性物質(zhì)的功能，現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)自主研制[1]。乏燃料貯存格架首先應(yīng)保證乏燃料組件的臨界安全，因而其必須具有很高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和很好的穩(wěn)定性。同時(shí)在保證安全貯存的前提下，盡量貯存更多的乏燃料組件[2-3]。

在乏燃料格架的生產(chǎn)制造中，首先進(jìn)行貯存套筒與底板之間的組裝焊接，然后進(jìn)行連接塊的組裝焊接。乏燃料貯存格架的尺寸精度是保證其功能和安全性能的重要指標(biāo)，因而研究如何在乏燃料貯存格架制造過(guò)程中對(duì)尺寸進(jìn)行低成本、高效率的控制具有重要意義。本文通過(guò)分析乏燃料貯存格架制造過(guò)程中的關(guān)鍵尺寸要求，并結(jié)合格架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及制造方法，提出了格架制造過(guò)程中尺寸控制的方案，并在實(shí)際生產(chǎn)中得到印證。

1 柵距和垂直度的控制研究

乏燃料貯存格架是由呈品字形排列的方形貯存套筒與底板焊接而成，貯存套筒之間形成的空腔統(tǒng)稱為貯存單元。各貯存套筒通過(guò)多層連接塊相互連接以增加結(jié)構(gòu)整體剛度，如圖1所示，圖中“1”為貯存套筒，“0”為貯存單元。

貯存套筒之間通過(guò)連接塊相互連接形成柵格，柵格之間的距離為柵距。柵距是乏燃料格架的關(guān)鍵尺寸，其大小表征了各貯存單元的空間位置分布情況，決定了貯存格架中乏燃料組件之間的距離。合理的柵距是確保乏燃料組件安全穩(wěn)定貯存的必要條件。乏燃料貯存格架柵距設(shè)計(jì)公差要求為L(zhǎng)±dL，且做到公差不累積(aL±dL)，如圖2所示，其中L為柵距設(shè)計(jì)尺寸，dL為柵距偏差。

圖1 格架貯存單元示意圖

圖2 柵距示意圖

乏燃料貯存格架貯存套筒的尺寸規(guī)格為230mm×230mm×4 200mm，具有細(xì)長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，組裝焊接時(shí)存在變形大、尺寸精度不易控制等難點(diǎn)。為確保格架柵格的均勻、合理分布，應(yīng)采用立式組裝、上下兩端定位的方式進(jìn)行貯存套筒與底板的組裝焊接。貯存套筒一端可通過(guò)激光畫(huà)線與底板進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)定位，另一端通過(guò)可拆卸、可互相連接的卡塞進(jìn)行相互連接，以確定各貯存套筒之間的空間位置關(guān)系，保證整臺(tái)貯存格架的柵距，如圖3所示。

圖3 格架柵距定位工裝

此外，為保證格架的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和乏燃料組件的通過(guò)性，每一個(gè)貯存套筒都應(yīng)與底板保持垂直，因此在進(jìn)行乏燃料貯存格架的組裝焊接時(shí)，必須約束每一個(gè)貯存套筒與底板的空間位置關(guān)系。貯存套筒端面較小，不能作為貯存套筒與底板的裝配基準(zhǔn)。為實(shí)現(xiàn)貯存套筒與底板空間相對(duì)位置的完全約束，在貯存套筒的上方增加定位銷，以確保貯存單元與底板的垂直性，如圖4所示。格架組裝完成后先進(jìn)行貯存套筒與底板的焊接，后進(jìn)行連接塊與貯存套筒的焊接。

圖4 格架裝配示意圖

乏燃料貯存格架組裝焊接完成后，采用激光追蹤儀采集乏燃料格架的空間坐標(biāo)信息，可精確測(cè)量出格架柵距和垂直度大小，如圖5所示。實(shí)際工程測(cè)量結(jié)果表明，采用上述制造工藝生產(chǎn)的乏燃料貯存格架具有較高的尺寸精度，柵距和垂直度都得到了有效控制。同時(shí)該工藝控制方法具有較高的生產(chǎn)效率。

圖5 格架外形坐標(biāo)采集結(jié)果

2 連接塊裝配間隙和角度分析

乏燃料貯存格架貯存套筒主要由方管和包覆在方管四面的中子吸收體板組成，其尺寸精度對(duì)乏燃料貯存格架中連接塊的裝配有較大影響，若貯存套筒出現(xiàn)菱形等畸形變形，將導(dǎo)致連接塊裝配困難、焊縫成型不良等問(wèn)題。連接塊與貯存套筒之間的裝配精度是影響格架制造質(zhì)量和效率的關(guān)鍵因素。

連接塊與貯存套筒之間的理論尺寸為9mm，裝配角度為45°。若連接塊與貯存套筒之間組裝間隙過(guò)大，將導(dǎo)致激光束漏光，焊縫背面出現(xiàn)焊接飛濺；若連接塊與貯存套筒之間貯存角度出現(xiàn)偏斜，將導(dǎo)致激光焊接困難，且焊后貯存套筒會(huì)因受力不均勻出現(xiàn)變形。工程實(shí)踐表明，貯存套筒與連接塊組裝間隙在不超過(guò)0.4mm、角度偏差不超過(guò)15°的情況下，連接塊與貯存套筒之間的焊接質(zhì)量和效率才能得到保證。

蒙特卡洛法是一種隨機(jī)抽樣方法，可用來(lái)模擬零部件尺寸公差對(duì)裝配過(guò)程中累計(jì)誤差的影響[4-5]。已知貯存套筒的截面尺寸形狀公差，如圖6所示。

圖6 貯存套筒尺寸公差

建立貯存套筒與連接塊裝配的數(shù)學(xué)模型，如圖7所示，abcd、a′b′c′d′和a″b″c″d″為貯存套筒。設(shè)定ab、a′b′、a″b″面分別為3個(gè)貯存套筒的裝配基準(zhǔn)，ab與x軸重合，a′b′、a″b″與x軸平行，如圖7所示。

圖7 貯存套筒連接塊裝配模型

假設(shè)貯存套筒abcd、a′b′c′d′和a″b″c″d″的尺寸形狀公差均服從隨機(jī)分布，利用蒙特卡洛法進(jìn)行模擬分析，可分別求出點(diǎn)c,d,b′,a″的位置坐標(biāo)分布，進(jìn)而可得到連接塊l1,l2與貯存套筒abcd、a′b′c′d′和a″b″c″d″裝配間隙和裝配角度的分布情況。采用MATLAB編程計(jì)算，得到連接塊l1,l2裝配間隙頻率分布和裝配角度頻率分布，如圖8～11所示。由圖可知：連接塊l1,l2的裝配角度主要分布在30°～60°，滿足裝配角度要求；連接塊l1,l2的裝配間隙主要分布在-2～2mm，不滿足連接塊裝配間隙要求，將導(dǎo)致裝配困難。

圖8 連接塊l1裝配間隙頻率分布

圖9 連接塊l1裝配角度頻率分布

圖10 連接塊l2裝配間隙頻率分布

在乏燃料貯存格架制造過(guò)程中，為了提高連接塊裝配質(zhì)量，可根據(jù)連接塊裝配間隙頻率分布，增加連接塊尺寸用于選配。

圖11 連接塊l2裝配角度頻率分布

3 結(jié)論

1)通過(guò)對(duì)乏燃料貯存格架實(shí)際生產(chǎn)反饋的總結(jié)，可知本文的制造工藝能夠有效保證乏燃料貯存格架的尺寸精度，對(duì)格架生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義；

2)蒙特卡洛法有效地解決了貯存套筒與連接塊的裝配公差分析，得到了影響裝配質(zhì)量的主要因素，通過(guò)完善連接塊的尺寸系列，提高了乏燃料貯存格架的制造精度和生產(chǎn)效率；

3)貯存套筒的尺寸公差影響著貯存套筒與卡塞之間的配合關(guān)系，若貯存套筒與卡塞之間產(chǎn)生了間隙配合，將導(dǎo)致柵距超差，需進(jìn)一步研究?jī)?yōu)化柵距尺寸的控制方法。

參考文獻(xiàn):

[1] 朱自強(qiáng)，賀小明，毛星明，等.乏燃料貯存格架自主化設(shè)計(jì)[J].機(jī)械研究與應(yīng)用，2015，28(5)：101-103.

[2] 張建普，徐鵬，張正.兩種新型的乏燃料貯存格架對(duì)比分析研究[J].機(jī)械研究與應(yīng)用，2016，29(44)：47-50.

[3] 趙均，韓嵩，蘇耿華，等. 乏燃料貯存格架吸收體布置方案對(duì)臨界安全的影響研究[J].核動(dòng)力工程，2014,35(2):164-166.

[4] 袁貴星，王平.蒙特卡洛模擬及其在公差設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].天津科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，23(2)：60-64.

[5] 王晶，石宏，黃笑飛.基于蒙特卡羅模擬法的航空發(fā)動(dòng)機(jī)裝配公差分析[J].沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，27(4)： 8-11.