張笑天 王璐 冉仁杰 黃山 韓元吉

摘 要

探討PDCA在CF3燃料組件下管座防異物過(guò)濾能力設(shè)計(jì)中的應(yīng)用效果。針對(duì)提高CF3燃料組件下管座防異物過(guò)濾能力的問(wèn)題，利用PDCA循環(huán)質(zhì)量管理工作方法，通過(guò)魚(yú)骨圖對(duì)于各方面設(shè)計(jì)因素進(jìn)行原因分析，確定了影響下管座防異物過(guò)濾能力的主要因素，針對(duì)主要因素制定了相應(yīng)的對(duì)策，采取了具體的試驗(yàn)方案。應(yīng)用PDCA工作程序?qū)ο鹿茏^(guò)濾異物能力進(jìn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型下管座過(guò)濾效率，對(duì)比3種設(shè)計(jì)方案中下管座異物過(guò)濾效果，選取防異物過(guò)濾能力最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵詞

PDCA;燃料組件;下管座;過(guò)濾

中圖分類(lèi)號(hào)： TL352 ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.19.090

1 前言

1.1 CF3燃料組件下管座簡(jiǎn)介

CF3燃料組件燃料棒采用束棒型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，呈17×17方形排列，長(zhǎng)度為3862.2mm，含1個(gè)骨架和264根燃料棒[1]。燃料骨架由24根導(dǎo)向管、1根儀表管、11個(gè)格架和下管座部件組成。儀表管位于組件中心，用于插入堆芯中子測(cè)量?jī)x表。導(dǎo)向管用于插入控制棒及其他堆芯相關(guān)組件棒。燃料棒被定位格架夾持，使其保持相互間的橫向間隙以及與上、下管座間的軸向間隙。

CF3 燃料組件下管座是全新設(shè)計(jì)的下管座，作為支撐和定位燃料組件的基本結(jié)構(gòu)，同時(shí)也是防止異物進(jìn)入燃料組件磨蝕燃料棒的關(guān)鍵屏障[2]。下管座部件作為燃料組件的底部結(jié)構(gòu)件，具備如下功能：確定燃料組件相對(duì)于堆芯下板的位置和燃料組件的柵距;確定導(dǎo)向管和儀表管的位置;將燃料組件所受到的橫向載荷及軸向載荷傳遞到下堆芯板上，并分配流入燃料組件的冷卻劑流量;在堆芯裝卸料和轉(zhuǎn)運(yùn)期間，對(duì)燃料組件起導(dǎo)向和保護(hù)作用;過(guò)濾異物功能，降低因冷卻劑中異物進(jìn)入燃料組件造成燃料棒包殼破損的概率。

1.2 PDCA在下管座設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

PDCA是美國(guó)質(zhì)量管理專(zhuān)家休哈特博士首先提出的，由戴明采納、宣傳，獲得普及，所以又稱(chēng)戴明環(huán)。全面質(zhì)量管理的思想基礎(chǔ)和方法依據(jù)就是PDCA循環(huán)。PDCA循環(huán)的含義是將質(zhì)量管理分為四個(gè)階段，即計(jì)劃階段（Plan）、執(zhí)行階段（Do）、檢查階段（Check）、處理階段（Action）。在質(zhì)量管理活動(dòng)中，要求把各項(xiàng)工作按照作出計(jì)劃、計(jì)劃實(shí)施、檢查實(shí)施效果，然后將成功的納入標(biāo)準(zhǔn)，不成功的在下一循環(huán)去解決。PDCA是能使任何一項(xiàng)活動(dòng)有效進(jìn)行的一種合乎邏輯的工作程序，特別是在質(zhì)量管理中得到了廣泛的應(yīng)用。

將PDCA工作程序應(yīng)用在CF3燃料組件下管座防異物過(guò)濾能力設(shè)計(jì)中，可以使設(shè)計(jì)驗(yàn)證思路清晰有條理，工作效率得到較大提高，質(zhì)量管理得到了加強(qiáng)，對(duì)于設(shè)計(jì)的整個(gè)過(guò)程具有優(yōu)化作用。

2 問(wèn)題現(xiàn)狀

CF3燃料組件中下管座在核反應(yīng)堆芯中起著燃料組件底部結(jié)構(gòu)的作用，對(duì)流入燃料組件的冷卻劑起著流量分配的作用。在反應(yīng)堆的實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，堆芯的微小構(gòu)件或者零件受冷卻劑的不斷循環(huán)沖擊可能會(huì)脫落。一旦這些微小構(gòu)件脫落形成異物進(jìn)入冷卻劑并參與循環(huán)，可能會(huì)在冷卻劑的攜帶下進(jìn)入堆芯，對(duì)燃料組件造成損傷，進(jìn)而造成核反應(yīng)堆停堆。這些異物給反應(yīng)堆的安全運(yùn)行帶來(lái)重大隱患的同時(shí)對(duì)核電站也會(huì)造成重大損失。

為了防止異物穿過(guò)下管座對(duì)燃料組件造成磨蝕，采用防異物下管座的設(shè)計(jì)對(duì)核反應(yīng)堆的安全至關(guān)重要。面臨的問(wèn)題現(xiàn)狀是初步設(shè)計(jì)方案中，下管座防異物過(guò)濾能力較低。

3 計(jì)劃階段（Plan）

在PDCA工作程序中，計(jì)劃階段（Plan）要求找到導(dǎo)致問(wèn)題的主要因素，并結(jié)合實(shí)際條件，對(duì)于假設(shè)的解決方案進(jìn)行制定。此階段包括方針和目標(biāo)的確定，以及活動(dòng)規(guī)劃的制定。

原因魚(yú)骨圖將某一問(wèn)題或現(xiàn)象分解成從若干方面（或方向）來(lái)尋找原因[3]。從設(shè)計(jì)的角度，應(yīng)用原因魚(yú)骨圖對(duì)影響下管座防異物過(guò)濾能力的因素進(jìn)行分析，如圖1所示。

在這些因素中，堆內(nèi)的異物組成不受設(shè)計(jì)的影響;異物過(guò)濾原理設(shè)計(jì)受到制造工藝和可制造性的限制，將參照以往經(jīng)驗(yàn);過(guò)濾結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)和過(guò)濾結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)均能較大程度地影響下管座防異物過(guò)濾能力。通過(guò)分析設(shè)計(jì)中各方面因素對(duì)于下管座防異物過(guò)濾能力的影響，初步確定主要因素是下管座的設(shè)計(jì)中過(guò)濾結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)和過(guò)濾結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)。

對(duì)于過(guò)濾結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)這一因素，可以采取對(duì)策有：

（1）將流道設(shè)計(jì)成為封閉過(guò)濾結(jié)構(gòu);

（2）設(shè)計(jì)帶網(wǎng)眼的濾板結(jié)構(gòu);

（3）增加防異物板。

對(duì)于過(guò)濾結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)這一因素，可以采取的對(duì)策有：

（1）減小過(guò)濾柵格尺寸;

（2）減小過(guò)濾柵格面積。

設(shè)計(jì)人員把針對(duì)主要影響因素的對(duì)策應(yīng)用在了實(shí)際設(shè)計(jì)當(dāng)中，并綜合考慮了下管座的水力學(xué)性能、力學(xué)性能以及可制造性等多個(gè)方面，設(shè)計(jì)了Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型共三型設(shè)計(jì)方案。

I型下管座部件的葉片表面沖壓有連續(xù)的凹形結(jié)構(gòu)，葉片插配在兩層筋條之間，通過(guò)釬焊連接為一個(gè)整體。筋條布置的位置能夠阻擋燃料棒竄出下管座。在兩個(gè)相對(duì)的支腿上開(kāi)有定位銷(xiāo)孔，通過(guò)與下堆芯板定位銷(xiāo)配合使燃料組件在堆內(nèi)橫向定位。過(guò)濾結(jié)構(gòu)由葉片和筋條的組合體構(gòu)成，并取代了連接板結(jié)構(gòu)，這樣過(guò)濾結(jié)構(gòu)必須同時(shí)具備支承的功能。葉片和筋條的組合可以保證對(duì)燃料棒進(jìn)行可靠的阻擋，并可提供足夠的強(qiáng)度支承燃料組件;由于各處流道完全一致，流量分配也非常均勻;上、下筋條貫通的設(shè)計(jì)使流道成為封閉過(guò)濾結(jié)構(gòu)，具有增強(qiáng)過(guò)濾能力、提高強(qiáng)度和降低流阻的作用。Ⅰ型下管座設(shè)計(jì)方案照片如圖2所示。

Ⅱ型下管座主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在下管座上采用了一個(gè)單獨(dú)的帶方形網(wǎng)眼的濾板結(jié)構(gòu)用于流量分配，過(guò)濾異物，并阻擋燃料棒。連接板以筋的形式出現(xiàn)，并在導(dǎo)向管孔和儀表管孔的位置設(shè)置筋的交叉點(diǎn)。在不降低過(guò)濾性能的情況下，提升下管座的水力學(xué)性能。3mm厚的濾板提高了過(guò)濾結(jié)構(gòu)的可靠性，解決了燃料棒阻擋問(wèn)題和大異物撞擊問(wèn)題對(duì)流通面積的限制。過(guò)濾結(jié)構(gòu)承擔(dān)了過(guò)濾異物、流量分配和阻擋燃料棒這三種功能。Ⅱ型下管座設(shè)計(jì)方案照片如圖3所示。

Ⅲ型下管座為正方形板凳式結(jié)構(gòu)，由一塊正方形不銹鋼材整體加工而成，上部是正方形的連接板，下部有四個(gè)支腿。連接板上開(kāi)有儀表管連接孔、導(dǎo)向管連接孔和大的流水孔，其上有一塊防異物板，防止異物進(jìn)入燃料組件。四個(gè)支腿之間形成一個(gè)空腔，冷卻劑由此空腔經(jīng)連接板及防異物板進(jìn)入燃料組件。下管座中心為上部直徑較大下部直徑較小的孔道，便于定位儀表管并限制儀表管內(nèi)過(guò)大的旁流。在兩個(gè)相對(duì)的支腿上分別開(kāi)有定位銷(xiāo)孔，通過(guò)與下堆芯板定位銷(xiāo)配合使燃料組件在堆內(nèi)橫向定位。Ⅲ型下管座設(shè)計(jì)方案照片如圖4所示。

在計(jì)劃階段，將期望的試驗(yàn)結(jié)果定為總過(guò)濾效率達(dá)到80%。試驗(yàn)主要研究下管座的過(guò)濾異物的能力，評(píng)估過(guò)濾效率，并分析比較3種設(shè)計(jì)方案的過(guò)濾效果。下管座過(guò)濾效率本質(zhì)上是一個(gè)概率統(tǒng)計(jì)問(wèn)題，為確定空間曲面下管座的過(guò)濾性能，需要開(kāi)展下管座過(guò)濾試驗(yàn)進(jìn)行詳細(xì)分析。

下管座異物過(guò)濾能力試驗(yàn)回路主要有主循環(huán)系統(tǒng)、試驗(yàn)段、異物投放和收集系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、影像記錄系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)測(cè)量和采集系統(tǒng)等組成。

試驗(yàn)用的異物包括滾珠、銷(xiāo)釘、墊圈、螺母、金屬片、金屬絲和金屬切屑。

在進(jìn)行下管座過(guò)濾結(jié)構(gòu)性能試驗(yàn)后，穿過(guò)下管座的異物會(huì)被異物收集罐收集，未穿過(guò)下管座的異物會(huì)隨回流水向上游移動(dòng)，最終被上游的“Y”型過(guò)濾器截留。試驗(yàn)段出口連接到帶有過(guò)濾網(wǎng)的異物收集罐，用于收集穿過(guò)下管座的金屬異物。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，打開(kāi)異物收集罐上面的法蘭頂蓋取出異物。

4 執(zhí)行階段（Do）

在PDCA工作程序中，執(zhí)行階段（Do）即按照預(yù)定的計(jì)劃、標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)限定的條件，設(shè)計(jì)出具體的行動(dòng)方案，進(jìn)行布局。再根據(jù)設(shè)計(jì)方案和布局，進(jìn)行具體細(xì)致的操作，努力實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)的過(guò)程。

在這一階段除了按計(jì)劃和方案實(shí)施外，還必須要對(duì)過(guò)程進(jìn)行測(cè)量，確保工作能夠按計(jì)劃進(jìn)度實(shí)施。同時(shí)建立起數(shù)據(jù)采集，收集起過(guò)程的原始記錄和數(shù)據(jù)等項(xiàng)目文檔。

過(guò)濾試驗(yàn)具體實(shí)施步驟如下：

（1）安裝試驗(yàn)件：將Ⅱ型原型下管座和入口模擬段安裝到試驗(yàn)回路中。

（2）啟動(dòng)試驗(yàn)回路：向回路注入去離子水，開(kāi)啟回路上的閥門(mén)，通過(guò)PLC控制柜和控制軟件啟動(dòng)雙吸泵，逐漸增大雙吸泵控制功率來(lái)增大回路流量，觀察有無(wú)泄漏點(diǎn)、回路能否穩(wěn)定運(yùn)行、試驗(yàn)件是否穩(wěn)定，最后控制回路流量 在510m3/h運(yùn)行。

（3）投入典型異物：開(kāi)啟高速攝像機(jī)進(jìn)行影像記錄以記錄異物運(yùn)動(dòng)軌跡，通過(guò)異物投入段向試驗(yàn)段投入異物，每次投入同一類(lèi)型異物五個(gè)記錄過(guò)濾數(shù)據(jù)。

（4）取出異物：回路流量穩(wěn)定在510m3/h5分鐘后，逐漸減低流量，關(guān)閉雙吸泵，排出試驗(yàn)段部分流體，打開(kāi)異物過(guò)濾器，取出投入的異物，填寫(xiě)異物過(guò)濾統(tǒng)計(jì)表，保存拍攝圖像及試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

（5）更換異物種類(lèi)，重復(fù)步驟3～4操作直至測(cè)試完所有異物。

（6）重復(fù)步驟3～5。

（7）更換下管座，重復(fù)步驟1～6，直至Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型下管座測(cè)試結(jié)束。

（8）試驗(yàn)結(jié)束：減小雙吸泵控制功率，逐漸講的回路流量至零，切斷PLC控制柜電源，關(guān)閉閥門(mén)，卸下試驗(yàn)件。

5 檢查階段（Check）

在PDCA工作程序中，檢查階段（Check）是評(píng)價(jià)方案是否有效、目標(biāo)是否完成的階段。將采取的對(duì)策進(jìn)行確認(rèn)后，對(duì)采集到的證據(jù)進(jìn)行總結(jié)分析，把完成情況同目標(biāo)值進(jìn)行比較，看是否達(dá)到了預(yù)定的目標(biāo)。如果沒(méi)有出現(xiàn)預(yù)期的結(jié)果時(shí)，應(yīng)該確認(rèn)是否嚴(yán)格按照計(jì)劃實(shí)施對(duì)策。對(duì)于此異物過(guò)濾試驗(yàn)，希望達(dá)到的目標(biāo)為過(guò)濾效率80%。

根據(jù)異物過(guò)濾試驗(yàn)，得到Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型下管座異物過(guò)濾效果如下：

（1）對(duì)于滾珠、銷(xiāo)釘、墊圈、螺母和金屬絲過(guò)濾效果：I型>Ⅲ型>Ⅱ型;

（2）對(duì)于金屬切屑過(guò)濾效率：I型≈Ⅲ型>Ⅱ型;

（3）對(duì)于金屬片過(guò)濾效率：I型=Ⅱ型=100%;

（4）總效率：I型≈87%，Ⅱ型≈80%，Ⅲ型≈78%;

（5）總效率對(duì)比：I型>Ⅱ型≈Ⅲ型。

I型下管座較其他兩型下管座更容易發(fā)生異物卡塞，且卡塞相對(duì)更牢固，特別是圓柱狀金屬絲不易取出。對(duì)于卡塞位置，圓柱狀金屬絲異物縱向卡塞在I型下管座兩個(gè)葉片之間和橫向卡塞在Ⅱ型和Ⅲ型下管座濾網(wǎng)下的方格內(nèi)。整體來(lái)看，I型和Ⅱ型均達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，Ⅲ型下管座的過(guò)濾效率也接近預(yù)期目標(biāo)。

6 處理階段（Action）

在PDCA工作程序中，處理階段（Action）是PDCA循環(huán)的關(guān)鍵。因?yàn)樘幚黼A段就是解決存在問(wèn)題，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)和吸取教訓(xùn)的階段。根據(jù)檢查階段的效果檢驗(yàn)，三種設(shè)計(jì)方案均達(dá)到或接近預(yù)期目標(biāo)，在一定程度上說(shuō)明計(jì)劃階段中分析得到的影響下管座防異物過(guò)濾能力的主要因素確實(shí)為過(guò)濾結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)和過(guò)濾結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)，今后應(yīng)該在設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)于過(guò)濾結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)和過(guò)濾結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)優(yōu)先考慮。計(jì)劃階段的預(yù)期目標(biāo)偏低，今后對(duì)于進(jìn)一步的設(shè)計(jì)優(yōu)化和類(lèi)似試驗(yàn)，可以定更高的預(yù)期目標(biāo)。I型下管座是防異物過(guò)濾能力最高的方案，對(duì)于今后的下管座設(shè)計(jì)有著重要的借鑒價(jià)值。

在CF3下管座先導(dǎo)組件研制中，空間曲面下管座出現(xiàn)了邊流道被釬料堵塞現(xiàn)象。根據(jù)PDCA工作程序，需要對(duì)上個(gè)PDCA循環(huán)總結(jié)檢查的結(jié)果進(jìn)行處理，對(duì)于成功的經(jīng)驗(yàn)加以肯定;對(duì)于失敗的教訓(xùn)引起重視。對(duì)于沒(méi)有解決的問(wèn)題，在下一個(gè)PDCA循環(huán)中去解決。那么下一步將根據(jù)實(shí)際問(wèn)題，開(kāi)始新一輪的PDCA工作程序。

7 結(jié)束語(yǔ)

本文將PDCA這種質(zhì)量管理學(xué)中的模型應(yīng)用在探究CF3燃料組件下管座防異物過(guò)濾能力中，從下管座設(shè)計(jì)的各方面對(duì)影響下管座過(guò)濾能力的因素進(jìn)行了分析。在計(jì)劃并實(shí)施了試驗(yàn)后，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)中對(duì)于下管座防異物過(guò)濾能力的主要影響因素，并從備選型號(hào)中找到了過(guò)濾異物能力最佳的型號(hào)。

整個(gè)過(guò)程中，PDCA工作程序的應(yīng)用使科研人員分析處理問(wèn)題的思路更加清晰，更有條理，從而能合理高效地解決問(wèn)題。將PDCA應(yīng)用于CF3燃料組件下管座防異物過(guò)濾能力設(shè)計(jì)中，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)過(guò)程中的重要影響因素，解決了比較備選型號(hào)下管座過(guò)濾能力的問(wèn)題，并能更好地達(dá)到了預(yù)期效果。

PDCA工作程序又被稱(chēng)為PDCA循環(huán)，是因?yàn)檫@四個(gè)過(guò)程不是運(yùn)行一次就完結(jié)，而是要周而復(fù)始地進(jìn)行。一個(gè)循環(huán)完了，解決了一部分的問(wèn)題，可能還有其他問(wèn)題尚未解決，或者又出現(xiàn)了新的問(wèn)題，再進(jìn)行下一次循環(huán)。PDCA循環(huán)的四個(gè)階段體現(xiàn)著科學(xué)認(rèn)識(shí)論的一種具體管理手段和一套科學(xué)的工作程序。PDCA工作程序的應(yīng)用對(duì)我們提高日常工作的效率有很大益處，它不僅在質(zhì)量管理工作中可以運(yùn)用，同樣也適合于設(shè)計(jì)工作。對(duì)于燃料組件的設(shè)計(jì)而言，PDCA的引入有著重要價(jià)值，會(huì)在今后得到科研設(shè)計(jì)人員的重視，從而發(fā)揮更大的作用。

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