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濾能力設(shè)計中的應(yīng)用效果。針對提高CF3燃料組件下管座防異物過濾能力的問題，利用PDCA循環(huán)質(zhì)量管理工作方法，通過魚骨圖對于各方面設(shè)計因素進(jìn)行原因分析，確定了影響下管座防異物過濾能力的主要因素，針對主要因素制定了相應(yīng)的對策，采取了具體的試驗方案。應(yīng)用PDCA工作程序?qū)ο鹿茏^濾異物能力進(jìn)行試驗，驗證Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型下管座過濾效率，對比3種設(shè)計方案中下管座異物過濾效果，選取防異物過濾能力最優(yōu)的設(shè)計方案。

關(guān)鍵詞

PDCA;燃料組件;下管座;過濾

中圖分類號： TL352 ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.19.090

1 前言

1.1 CF3燃料組件下管座簡介

CF3燃料組件燃料棒采用束棒型的結(jié)構(gòu)設(shè)計，呈17×17方形排列，長度為3862.2mm，含1個骨架和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量儀表。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)計的下管座，作為支撐和定位燃料組件的基本結(jié)構(gòu)，同時也是防止異物進(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，對燃料組件起導(dǎo)向和保護(hù)作用;過濾異物功能，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)計中的應(yīng)用

PDCA是美國質(zhì)量管理專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)量管理分為四個階段，即計劃階段（Plan）、執(zhí)行階段（Do）、檢查階段（Check）、處理階段（Action）。在質(zhì)量管理活動中，要求把各項工作按照作出計劃、計劃實(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是能使任何一項活動有效進(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濾能力設(shè)計中，可以使設(shè)計驗證思路清晰有條理，工作效率得到較大提高，質(zhì)量管理得到了加強(qiáng)，對于設(shè)計的整個過程具有優(yōu)化作用。

2 問題現(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)，可能會在冷卻劑的攜帶下進(jìn)入堆芯，對燃料組件造成損傷，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)行帶來重大隱患的同時對核電站也會造成重大損失。

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

3 計劃階段（Plan）

在PDCA工作程序中，計劃階段（Plan）要求找到導(dǎo)致問題的主要因素，并結(jié)合實(shí)際條件，對于假設(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，以及活動規(guī)劃的制定。

原因魚骨圖將某一問題或現(xiàn)象分解成從若干方面（或方向）來尋找原因[3]。從設(shè)計的角度，應(yīng)用原因魚骨圖對影響下管座防異物過濾能力的因素進(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)計的影響;異物過濾原理設(shè)計受到制造工藝和可制造性的限制，將參照以往經(jīng)驗;過濾結(jié)構(gòu)形式設(shè)計和過濾結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計均能較大程度地影響下管座防異物過濾能力。通過分析設(shè)計中各方面因素對于下管座防異物過濾能力的影響，初步確定主要因素是下管座的設(shè)計中過濾結(jié)構(gòu)形式設(shè)計和過濾結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計。

對于過濾結(jié)構(gòu)形式設(shè)計這一因素，可以采取對策有：

（1）將流道設(shè)計成為封閉過濾結(jié)構(gòu);

（2）設(shè)計帶網(wǎng)眼的濾板結(jié)構(gòu);

（3）增加防異物板。

對于過濾結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計這一因素，可以采取的對策有：

（1）減小過濾柵格尺寸;

（2）減小過濾柵格面積。

設(shè)計人員把針對主要影響因素的對策應(yīng)用在了實(shí)際設(shè)計當(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方面，設(shè)計了Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型共三型設(shè)計方案。

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，通過釬焊連接為一個整體。筋條布置的位置能夠阻擋燃料棒竄出下管座。在兩個相對的支腿上開有定位銷孔，通過與下堆芯板定位銷配合使燃料組件在堆內(nèi)橫向定位。過濾結(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)，這樣過濾結(jié)構(gòu)必須同時具備支承的功能。葉片和筋條的組合可以保證對燃料棒進(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)計使流道成為封閉過濾結(jié)構(gòu)，具有增強(qiáng)過濾能力、提高強(qiáng)度和降低流阻的作用。Ⅰ型下管座設(shè)計方案照片如圖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單獨(dú)的帶方形網(wǎng)眼的濾板結(jié)構(gòu)用于流量分配，過濾異物，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厚的濾板提高了過濾結(jié)構(gòu)的可靠性，解決了燃料棒阻擋問題和大異物撞擊問題對流通面積的限制。過濾結(jié)構(gòu)承擔(dān)了過濾異物、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，下部有四個支腿。連接板上開有儀表管連接孔、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。四個支腿之間形成一個空腔，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)過大的旁流。在兩個相對的支腿上分別開有定位銷孔，通過與下堆芯板定位銷配合使燃料組件在堆內(nèi)橫向定位。Ⅲ型下管座設(shè)計方案照片如圖4所示。

在計劃階段，將期望的試驗結(jié)果定為總過濾效率達(dá)到80%。試驗主要研究下管座的過濾異物的能力，評估過濾效率，并分析比較3種設(shè)計方案的過濾效果。下管座過濾效率本質(zhì)上是一個概率統(tǒng)計問題，為確定空間曲面下管座的過濾性能，需要開展下管座過濾試驗進(jìn)行詳細(xì)分析。

下管座異物過濾能力試驗回路主要有主循環(huán)系統(tǒng)、試驗段、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)測量和采集系統(tǒng)等組成。

試驗用的異物包括滾珠、銷釘、墊圈、螺母、金屬片、金屬絲和金屬切屑。

在進(jìn)行下管座過濾結(jié)構(gòu)性能試驗后，穿過下管座的異物會被異物收集罐收集，未穿過下管座的異物會隨回流水向上游移動，最終被上游的“Y”型過濾器截留。試驗段出口連接到帶有過濾網(wǎng)的異物收集罐，用于收集穿過下管座的金屬異物。試驗結(jié)束時，打開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)定的計劃、標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)限定的條件，設(shè)計出具體的行動方案，進(jìn)行布局。再根據(jù)設(shè)計方案和布局，進(jìn)行具體細(xì)致的操作，努力實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)的過程。

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

過濾試驗具體實(shí)施步驟如下：

（1）安裝試驗件：將Ⅱ型原型下管座和入口模擬段安裝到試驗回路中。

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

（3）投入典型異物：開啟高速攝像機(jī)進(jìn)行影像記錄以記錄異物運(yùn)動軌跡，通過異物投入段向試驗段投入異物，每次投入同一類型異物五個記錄過濾數(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，排出試驗段部分流體，打開異物過濾器，取出投入的異物，填寫異物過濾統(tǒng)計表，保存拍攝圖像及試驗數(shù)據(jù)。

（5）更換異物種類，重復(fù)步驟3～4操作直至測試完所有異物。

（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型下管座測試結(jié)束。

（8）試驗結(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，卸下試驗件。

5 檢查階段（Check）

在PDCA工作程序中，檢查階段（Check）是評價方案是否有效、目標(biāo)是否完成的階段。將采取的對策進(jìn)行確認(rèn)后，對采集到的證據(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)。如果沒有出現(xiàn)預(yù)期的結(jié)果時，應(yīng)該確認(rèn)是否嚴(yán)格按照計劃實(shí)施對策。對于此異物過濾試驗，希望達(dá)到的目標(biāo)為過濾效率80%。

根據(jù)異物過濾試驗，得到Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型下管座異物過濾效果如下：

（1）對于滾珠、銷釘、墊圈、螺母和金屬絲過濾效果：I型>Ⅲ型>Ⅱ型;

（2）對于金屬切屑過濾效率：I型≈Ⅲ型>Ⅱ型;

（3）對于金屬片過濾效率：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，且卡塞相對更牢固，特別是圓柱狀金屬絲不易取出。對于卡塞位置，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)。整體來看，I型和Ⅱ型均達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，Ⅲ型下管座的過濾效率也接近預(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。因為處理階段就是解決存在問題，總結(jié)經(jīng)驗和吸取教訓(xùn)的階段。根據(jù)檢查階段的效果檢驗，三種設(shè)計方案均達(dá)到或接近預(yù)期目標(biāo)，在一定程度上說明計劃階段中分析得到的影響下管座防異物過濾能力的主要因素確實(shí)為過濾結(jié)構(gòu)形式設(shè)計和過濾結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計，今后應(yīng)該在設(shè)計過程中對于過濾結(jié)構(gòu)形式設(shè)計和過濾結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計優(yōu)先考慮。計劃階段的預(yù)期目標(biāo)偏低，今后對于進(jìn)一步的設(shè)計優(yōu)化和類似試驗，可以定更高的預(yù)期目標(biāo)。I型下管座是防異物過濾能力最高的方案，對于今后的下管座設(shè)計有著重要的借鑒價值。

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，需要對上個PDCA循環(huán)總結(jié)檢查的結(jié)果進(jìn)行處理，對于成功的經(jīng)驗加以肯定;對于失敗的教訓(xùn)引起重視。對于沒有解決的問題，在下一個PDCA循環(huán)中去解決。那么下一步將根據(jù)實(shí)際問題，開始新一輪的PDCA工作程序。

7 結(jié)束語

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濾能力中，從下管座設(shè)計的各方面對影響下管座過濾能力的因素進(jìn)行了分析。在計劃并實(shí)施了試驗后，通過對試驗結(jié)果的對比分析，驗證了設(shè)計中對于下管座防異物過濾能力的主要影響因素，并從備選型號中找到了過濾異物能力最佳的型號。

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

PDCA工作程序又被稱為PDCA循環(huán)，是因為這四個過程不是運(yùn)行一次就完結(jié)，而是要周而復(fù)始地進(jìn)行。一個循環(huán)完了，解決了一部分的問題，可能還有其他問題尚未解決，或者又出現(xiàn)了新的問題，再進(jìn)行下一次循環(huán)。PDCA循環(huán)的四個階段體現(xiàn)著科學(xué)認(rèn)識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)計工作。對于燃料組件的設(shè)計而言，PDCA的引入有著重要價值，會在今后得到科研設(shè)計人員的重視，從而發(fā)揮更大的作用。

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