阮 航

（海裝沈陽局，遼寧 沈陽 110000）

0 引言

燃料芯塊進入包殼管是壓水堆燃料組件燃料棒生產(chǎn)過程中的一項重要工序。目前，通用的燃料芯塊裝管方法有人工推進裝管、傾斜式裝管、水平振動式裝管和轉鼓預裝式裝管[1]。在實際工程應用上采用人工推進方法最為常見，但該方法存在裝管效率較慢、燃料芯塊易碰損、難以保證裝管質量等缺點。為提高燃料芯塊裝管過程的穩(wěn)定性和可靠性，考慮采用振動非推力方式使芯塊自動裝入包殼管中。

通過研制燃料棒自動裝管裝裝置，開展燃料芯塊自動入包殼管的工藝研究，分析震動方式對燃料芯塊外觀、包殼管管口及包殼管表面的影響，通過調(diào)節(jié)裝置震動頻率和傾斜角度等參數(shù)，掌握燃料棒自動裝管工藝[2]。并對實驗過程中出現(xiàn)的燃料芯塊在包殼管口易翻轉的問題進行了改進優(yōu)化，進一步提高了裝管過程的穩(wěn)定性和可靠性。

1 裝置工作原理

燃料棒自動裝管裝置由振動臺、前后3只壓空氣囊（料盤下方對稱2只，待裝管下方1只）、左右兩側振動電機、底部支撐座、燃料芯塊預排長料盤、振動機構、護管夾持裝置、推管機構等部分組成，結構如圖1所示。自動裝管裝置工作原理為通過置于振動臺左右兩側的交流伺服振動電機驅動偏心輪按固定頻率轉動，利用底部壓空氣囊的彈性，驅動震動臺產(chǎn)生上下方向固定頻率的振動。待裝入包殼管的燃料芯塊受到震動和傾斜角度的影響，自動進入包殼管中。燃料棒自動裝管裝置配置了控制工作箱，由嵌入式工業(yè)控制器和2套交流伺服電機驅動器及1組送料方向控制電磁閥租場，從而控制震動臺的振動頻率及轉動方向。

圖1 燃料棒自動裝管裝置示意圖

燃料芯塊自動裝管過程如下。將25根包殼管放在裝管平臺V型槽內(nèi)，位置如圖2所示，推管機構動作將待裝管推到導向孔中，壓板下降，壓住包殼管下端位置，護管夾持下落，固定待裝管從而保證待裝管與震動臺同步。燃料芯塊采用人工上下料方式，保證上下料時的芯塊預排長。料盤放置于震動臺上，將燃料芯塊逐槽推入裝管平臺的型槽內(nèi)進行預先排長，重復上下料盤及預排長的動作，確保裝入包殼管內(nèi)的燃料芯塊長度滿足相關要求，通過控制工作箱開啟震動臺振動，將預排長的燃料芯塊通過振動方式自動裝入包殼管中，重復上下料盤、預排長及振動步驟，使燃料芯塊全部進入包殼管中，裝管完成后，抬起壓板和護管加持裝置，包殼管退出導向孔，將25根包殼管移出裝管平臺，完成25根棒的裝料[3]。

圖2 空管的固定位置

裝管過程中為了消除振動臺在其他方向的振動，該裝置將2部交流伺服電機與偏心輪布置于振動臺的左右兩側，工作時左右兩側偏心輪反向同步旋轉，從而避免振動臺在其他方向產(chǎn)生振動。此外，自動裝管裝置可改變偏心輪轉動方向，當需要從燃料棒中取出燃料芯塊或需要調(diào)整燃料棒裝入芯塊長度時，可通過改變振動方向使芯塊自動排出。

燃料棒自動裝管裝置的電氣控制部分如圖3所示，用于控制左右2臺伺服電機的轉動方向與轉速，利用交流伺服電機自帶的旋轉編碼器，控制左右偏心輪反向轉動過程中始終保持左右對稱，從而保證左右偏心輪同步轉動，進一步消除水平方向的振動。電氣控制部分通過控制伺服電機轉速調(diào)節(jié)振動頻率。

圖3 電氣控制圖

2 工藝試驗研究

前期，已經(jīng)完成了燃料棒自動裝管裝置的研制，工藝試驗即在該裝置上進行，經(jīng)過之前對裝置的操作了解，確定主要影響燃料芯塊進入包殼管效率和裝管質量的參數(shù)為振動頻率F和振動方向與包殼管軸向夾角θ，該試驗主要探究尋找適合該裝置的振動頻率F和振動方向與包殼管軸向的夾角θ的數(shù)值范圍，在前期驗證非推力振動式燃料棒自動裝管技術的可行性的基礎上，進一步為后續(xù)該裝置投入生產(chǎn)線批量使用奠定基礎。

通過開展燃料芯塊自動裝管試驗研究，比較不同自動裝管工藝條件下燃料芯塊進入包殼管的效率、燃料芯塊完整性以及包殼管管口及表面劃傷等情況，并對自動裝管后的芯塊外觀質量和承載力進行檢查和檢測[4]。針對上述目標搭建試驗平臺，準備試驗材料和工裝，選用足量的燃料芯塊和預壓下端塞的燃料棒包殼管若干，檢查加工和檢測工具完備和有效期。

工藝試驗的試驗路徑分為參數(shù)范圍摸索試驗和驗證試驗2個部分，參數(shù)范圍摸索包括振動頻率摸索試驗和夾角范圍摸索試驗，首先通過摸索試驗確定振動頻率和夾角的有效范圍，其次通過驗證試驗選取參數(shù)范圍邊界，驗證參數(shù)范圍有效性，確定平穩(wěn)、無跳動的裝管工作參數(shù)范圍。

2.1 參數(shù)范圍摸索試驗

2.1.1 自動裝管參數(shù)范圍

根據(jù)研制的燃料棒自動裝管裝置特性，其振動頻率和振動方向與包殼管軸向夾角θ的可調(diào)整范圍是固定的，結合該型號燃料芯塊和包殼管的物理質量特性，采用交叉試驗法進行參數(shù)范圍摸索試驗[5]，確定適合該型號燃料芯塊裝管的參數(shù)范圍，模式試驗過程中，首先控制振動方向和包殼管軸向夾角θ和振動頻率F從高到低逐漸調(diào)整，應用小批量試驗用的燃料芯塊和包殼管，進行振動裝管試驗，觀察在對應的夾角和頻率下，燃料芯塊能否順利進入包殼管中。如此循環(huán)，不斷調(diào)整夾角θ和振動頻率F參數(shù)，初步得到燃料芯塊能夠振動進入包殼管中的參數(shù)范圍，參數(shù)范圍如表1所示。

表1 燃料棒自動裝管裝置參數(shù)摸索范圍

2.1.2 頻率試驗

根據(jù)前序過程摸索的振動頻率F和夾角θ參數(shù)范圍，選取夾角θ中值35°為固定參數(shù)，在頻率范圍內(nèi)分別設置5個不同的振動頻率進行頻率試驗，按照Z1-1至Z1-25的式樣編號對25只包殼管進行編號，分5次按照15Hz、17Hz、20Hz、23Hz、25Hz頻率數(shù)值進行裝管試驗，每組頻率進行5支包殼管的裝管，在預裝料盤中排列500mm長的燃料芯塊，觀察記錄燃料芯塊在振動前進過程中的運動狀態(tài)，記錄芯塊前進500mm所需的時間，改變不同的振動頻率并重復進行試驗，每次試驗前均對待裝的燃料芯塊和包殼管表面進行目視檢驗，確認無缺陷存在，測量結果如表2所示。

表2 頻率調(diào)整試驗

試驗完成后，將裝入包殼管的500mm燃料芯塊按照編號整齊地倒出排列在V型盤內(nèi)，不同包殼管倒出的燃料芯塊互相隔離并進行標識，按照技術指標要求對倒出的燃料芯塊進行目視檢驗，觀察是否有因振動裝管產(chǎn)生的裂紋、掉渣等缺陷，對包殼管管口和管體表面進行目視檢查，觀察是否有磨損、劃痕等缺陷。通過檢驗人員檢驗，Z1-1至Z1-25式樣編號的燃料芯塊和包殼管無缺陷產(chǎn)生，滿足技術指標要求。經(jīng)上述試驗驗證表明，在夾角θ為35°時，頻率15Hz~25Hz，燃料芯塊均可平穩(wěn)、無跳動地進入包殼管內(nèi)，隨著振動頻率的增加，芯塊運動速度逐漸加大，裝管所需時間變短，自動裝管工作的振動也相應變大。

2.1.3 夾角試驗

根據(jù)前序過程摸索的振動頻率F和夾角θ參數(shù)范圍，選取振動頻率F中值20Hz，在夾角范圍內(nèi)分別設置5個不同的角度進行夾角試驗，按照Z2-1至Z2-25的式樣編號對25只包殼管進行編號，分5次按照24°、30°、35°、40°、46°角度進行裝管試驗，每組角度進行5只包殼管的裝管，在料盤中預排500mm長的燃料芯塊，觀察記錄燃料芯塊在振動前進過程中的運動狀態(tài)，記錄芯塊燃料前進500mm所需的時間，改變不同角度并重復進行試驗，同時在每次試驗前對待裝的芯塊和包殼管進行目視檢驗，確認無缺陷存在，測量結果如表3所示。與頻率試驗相同，將燃料芯塊按照編號整齊倒在V型盤內(nèi)并進行隔離標識，按照技術要求進行目視檢驗，觀察是否有缺陷產(chǎn)生。通過檢驗人員檢驗，Z2-1至Z2-25式樣編號的燃料芯塊和包殼管無缺陷產(chǎn)生，滿足技術指標要求。經(jīng)上述試驗驗證表明，在振動頻率為20Hz時，夾角24°~46°，燃料芯塊可進入包殼管中，夾角為24°時，芯塊出現(xiàn)前后反復，夾角為46°時，芯塊前進出現(xiàn)跳動，夾角30°~40°，燃料芯塊可平穩(wěn)、無跳動地前進，且運動速度較快，隨著夾角脫離該區(qū)間范圍后，芯塊運動速度降低。

表3 夾角調(diào)整試驗

2.2 驗證試驗

根據(jù)前序頻率試驗和夾角試驗的試驗結果，優(yōu)選出燃料芯塊和包殼管外觀質量較好狀態(tài)下的夾角θ和頻率F工藝參數(shù)范圍：當振動頻率為15Hz時，燃料芯塊前進速度最慢，且排列不整齊，振動頻率為25Hz時，燃料芯塊前進速度最快，芯塊排列也較為整齊，但自動裝管裝置運行的噪聲和振幅也相應增加。為減少燃料芯塊受到振動影響的時間和強度，選取振動頻率為（20±3）Hz，夾角為（35±5）°進行驗證試驗，并選取頻率F和夾角θ均為最小和最大值時進行驗證，在試驗前對燃料芯塊和包殼管進行目視檢驗，確認狀態(tài)滿足技術要求。參數(shù)選取如表4所示。

表4 燃料棒自動裝管工裝參數(shù)表

使用燃料棒自動裝管裝置按照表5中的工藝參數(shù)分2次開展驗證試驗，獲得燃料芯塊前進速度數(shù)據(jù)，運動狀態(tài)如表5所示。

表5 芯塊前進速度表

試驗完成后，對試驗所裝入芯塊的包殼管進行管口清潔，按照燃料棒制造流程完成燃料棒生產(chǎn)的全部工序，并進行下列檢驗項目的驗證，驗證結果如表6所示。1）對裝管后的燃料棒進行X光全長透照，檢查內(nèi)部燃料芯塊是否存在掉渣等缺陷，經(jīng)檢驗滿足指標要求；2）對裝管后的燃料棒進行表面檢查，主要檢查自動裝管裝置與燃料棒的夾持位置是否有劃傷、磕碰等缺陷，經(jīng)檢驗，燃料棒表面質量滿足指標要求；3）對裝管后的燃料棒進行切頭倒管，燃料芯塊按先后順序整齊地排列在V型盤內(nèi)，標識清楚。檢查燃料芯塊外觀，是否有裂紋和碎屑出現(xiàn)，經(jīng)檢查滿足指標要求；4）取位于燃料棒兩端和中間位置的芯塊各12塊送檢測部門做承載力試驗，檢測結果滿足指標要求。

表6 驗證試驗結果

3 優(yōu)化設計

燃料棒自動裝管裝置的研制，能夠使芯塊平穩(wěn)、無跳動地裝入包殼管中，但在試驗過程中也存在芯塊出現(xiàn)翻轉、包殼管定位不準確引起的燃料芯塊卡在包殼管口的現(xiàn)象，針對現(xiàn)有裝置的和工藝方法，制定了以下改進措施。1）燃料芯塊在V型盤振動進入包殼管過程中，通過通道時少部分產(chǎn)生芯塊翻轉現(xiàn)象，導致燃料芯塊堵住通道，影響后續(xù)燃料芯塊自動進入包殼管。改進措施：在芯塊裝入過程中設置防芯塊串位裝置，將通道改進為錐形通道，適量擴大通道直徑，芯塊翻轉、堵塞的現(xiàn)象大大降低。2）包殼管在連接通道工裝時依靠振動裝置的尾部頂緊下端塞，使管口與工裝連接，在試驗過程中，出現(xiàn)管口與通道對中性較差，芯塊在通過通道后與包殼管管口磕碰，影響裝管效率和芯塊質量。改進措施：配置通過按棒徑設計導向過規(guī)，連接包殼管和通道，實現(xiàn)芯塊進入空管的過渡與銜接。3）通過驗證試驗表明，夾角為40°振動頻率為23Hz時，燃料芯塊的前進速度明顯優(yōu)于夾角為30°振動頻率為17Hz時，現(xiàn)階段試驗的完成，有效保證了振動裝管時，燃料芯塊平穩(wěn)、無跳動的參數(shù)范圍，但是未摸索出裝管效率最高的工藝參數(shù)。改進措施：繼續(xù)針對參數(shù)范圍開展驗證試驗，進一步縮小參數(shù)范圍。

4 結論

該文介紹了燃料棒自動裝管裝置的工作原理和試驗獲得的工藝參數(shù)，燃料棒自動裝管裝置在設置振動頻率（20±3）Hz和振動方向與包殼管軸向的夾角（35±5）°參數(shù)范圍內(nèi)，燃料芯塊能平穩(wěn)、無跳動地振動進入包殼管中，自動裝管后的芯塊外觀質量和承載力滿足技術指標要求，經(jīng)試驗，自動裝管速度可以達到約70支/h；經(jīng)過上述試驗和驗證得出的各項參數(shù)能夠初步保證以振動的方式將燃料芯塊裝入包殼管中。