周 潔

上海電氣核電集團(tuán)有限公司 上海 201306

1 設(shè)計(jì)背景

邵氏硬度計(jì)廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、化工、建材等行業(yè)的計(jì)量檢測(cè)及科研生產(chǎn),對(duì)成品和半成品的硬度性能測(cè)定具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、型小體輕、讀數(shù)直觀等特點(diǎn),既可以隨身攜帶手持測(cè)量,也可以安裝在配套生產(chǎn)的同型號(hào)定荷架上進(jìn)行測(cè)量。由于邵氏硬度計(jì)只能對(duì)被測(cè)樣塊表面進(jìn)行硬度測(cè)量,因此使用范圍存在一定局限性。在石墨反應(yīng)堆退役的相關(guān)技術(shù)科研項(xiàng)目中,現(xiàn)有邵氏硬度計(jì)無(wú)法對(duì)反應(yīng)堆內(nèi)石墨塊直徑小于100 mm的內(nèi)孔壁硬度進(jìn)行專項(xiàng)檢測(cè),從而難以確定石墨反應(yīng)堆退役項(xiàng)目的具體技術(shù)工藝路線。

上世紀(jì)早期,很多的核反應(yīng)堆是以石墨塊作為慢化劑和反射層的生產(chǎn)堆,大部分已經(jīng)關(guān)閉運(yùn)行等待退役治理。目前,國(guó)內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)正在抓緊開(kāi)展石墨堆退役準(zhǔn)備工作所需的技術(shù)開(kāi)發(fā)和工程研究。在反應(yīng)堆運(yùn)行期間,石墨塊中會(huì)積累一些放射性核素,尤其是碳-14。因此,石墨塊從反應(yīng)堆卸出后,通常被劃分為中等放射性廢物。

石墨堆的退役拆除問(wèn)題十分復(fù)雜,需要充分了解石墨經(jīng)輻照后的特性。通過(guò)測(cè)定石墨塊的硬度數(shù)值來(lái)直觀地反映出退役石墨的硬度特性,以便確定適合的石墨回取方法。我國(guó)某退役石墨堆由石墨塊、石墨套管堆疊而成,上下石墨塊的連接靠端面的凹凸口楔合連接,形成垂直的石墨孔道,孔道中放置石墨棒。由于石墨反應(yīng)堆的堆疊結(jié)構(gòu),因此只能對(duì)石墨孔道內(nèi)壁進(jìn)行硬度測(cè)量來(lái)研究石墨塊的輻射損傷情況。

由于石墨塊的內(nèi)孔壁直徑一般不大于70 mm,而目前的邵氏硬度計(jì)最小外形尺寸已經(jīng)大于這一數(shù)值,因此無(wú)法將邵氏硬度計(jì)塞進(jìn)孔內(nèi)進(jìn)行硬度測(cè)量,需要開(kāi)發(fā)一種特殊的邵氏硬度測(cè)量裝置,以便進(jìn)入深孔內(nèi)壁進(jìn)行硬度測(cè)量。

2 測(cè)量原理

邵氏硬度計(jì)測(cè)量的基本原理為在彈簧試驗(yàn)力作用下,將一定形狀和硬度的鋼制壓針,垂直壓入試樣表面,當(dāng)壓足平面與試樣表面緊密貼合時(shí),測(cè)量壓針相對(duì)壓足平面的伸出長(zhǎng)度,經(jīng)換算得到邵氏硬度。通過(guò)測(cè)量壓針的伸長(zhǎng)量,即可計(jì)算出相應(yīng)的邵氏硬度HA,關(guān)系式為:

H=100-l/0.025

(1)

式中:H為邵氏硬度HA;l為壓針伸出長(zhǎng)度,mm。

由式(1)可知,邵氏硬度與壓針伸長(zhǎng)量有關(guān)。

根據(jù)邵氏硬度計(jì)的使用原理可知,邵氏硬度屬于壓入硬度,即通過(guò)測(cè)量一定形狀的壓針在一定條件下壓入被測(cè)物體表面的深度,換算為一定的硬度進(jìn)行表示。壓入深度值與材料的彈性模量、塑性變形及黏彈性有關(guān)。邵氏硬度計(jì)的彈簧力隨被測(cè)物體硬度值不同而不同,當(dāng)壓針壓入被測(cè)物體時(shí),彈簧受到壓縮產(chǎn)生彈簧力。被測(cè)物體表面反作用于壓針的力越大,壓針壓入被測(cè)物體表面的深度就越小。相反,試樣硬度越低,反作用于壓針的力越小,壓針壓入試樣表面的深度就越大。

3 工作原理

根據(jù)以上測(cè)量原理,筆者研制出一種專用于深孔內(nèi)壁的邵氏硬度測(cè)量裝置,實(shí)物如圖1所示。

圖1 邵氏硬度測(cè)量裝置實(shí)物

邵氏硬度測(cè)量裝置能夠進(jìn)入直徑小于70 mm的深孔,進(jìn)行邵氏硬度測(cè)量,并將測(cè)得的硬度數(shù)值輸出至外部數(shù)顯表中。邵氏硬度測(cè)量裝置通過(guò)外部動(dòng)力拖拽,自身在重力作用下沿著測(cè)量對(duì)象的孔道內(nèi)下降。通過(guò)內(nèi)置于邵氏硬度測(cè)量裝置頭部的攝像頭,實(shí)時(shí)反饋被測(cè)物體孔道內(nèi)部情況。通過(guò)計(jì)米器計(jì)量,并反饋下降高度,到達(dá)指定高度后,停止下放動(dòng)作。邵氏硬度測(cè)量裝置的頂部設(shè)置有氣缸作為探測(cè)裝置的動(dòng)力執(zhí)行元件,通過(guò)控制設(shè)置在氣缸外部的控制按鈕進(jìn)行硬度測(cè)量。氣缸在壓縮空氣的驅(qū)動(dòng)下垂直動(dòng)作,隨即邵氏硬度測(cè)量裝置的前后凸塊及頂針等部件橫向移動(dòng),后凸塊和前凸板先接觸被測(cè)物體孔道。隨著進(jìn)一步動(dòng)作,頂針扎入被測(cè)物體孔道內(nèi)壁,從而使彈簧發(fā)生一定壓縮量的變化。通過(guò)傳感器測(cè)量這一變化值,達(dá)到測(cè)量硬度的目的。通過(guò)綜合線纜中的信號(hào)線纜向外部傳輸硬度值,通過(guò)外部數(shù)顯表顯示。測(cè)量結(jié)束后,通過(guò)外部動(dòng)力拖拽,將邵氏硬度測(cè)量裝置從被測(cè)物體孔道中提出。

4 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

邵氏硬度測(cè)量裝置由鋼外殼、法蘭環(huán)、氣缸頭部固定法蘭、夾板、頂針外板(含頂針、彈簧)、前凸板、前凸塊(含彈簧)、后凸塊(含彈簧)、斜口、配重、攝像頭、微距傳感器、氣缸、綜合線纜等組成。

綜合線纜主要包括為氣缸提供動(dòng)力的氣管、位移傳感器的信號(hào)線纜、供電線纜、攝像頭的供電線、信號(hào)傳輸網(wǎng)線等,通過(guò)熱縮套管套成一股總線,便于外部動(dòng)力進(jìn)行纏繞和收放線。邵氏硬度測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 邵氏硬度測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)

邵氏硬度測(cè)量裝置通過(guò)外部動(dòng)力拖拽,自身在重力作用下沿著被測(cè)量物體孔道內(nèi)下降,通過(guò)內(nèi)置在頭部的攝像頭實(shí)時(shí)反饋被測(cè)物體孔道內(nèi)部情況,到達(dá)要求高度后停止下放動(dòng)作。通過(guò)操控氣缸外部的控制按鈕進(jìn)行硬度測(cè)量。氣缸外部控制按鈕按下后,電磁閥通電,壓縮空氣驅(qū)動(dòng)氣缸動(dòng)作。氣缸帶動(dòng)斜口垂直運(yùn)動(dòng),通過(guò)前凸塊和后凸塊將作用力轉(zhuǎn)換為橫向移動(dòng)。

未測(cè)量時(shí)如圖3所示,黃色后凸塊和灰色前凸塊都在彈簧作用下向中心方向靠攏,整體呈收縮狀態(tài)。

圖3 未測(cè)量時(shí)

按下硬度測(cè)量按鈕后,氣缸動(dòng)作,后凸塊和前凸塊先接觸被測(cè)物體孔道,如圖4所示。

圖4 后凸塊和前凸塊接觸孔道

隨著進(jìn)一步動(dòng)作,頂針扎入被測(cè)量物體孔道內(nèi)部,同時(shí)彈簧發(fā)生一定壓縮量的變化。通過(guò)微距傳感器測(cè)量這一變化值,達(dá)到測(cè)量硬度的目的。通過(guò)綜合線纜中的信號(hào)線纜向外部傳輸硬度值,通過(guò)數(shù)顯表顯示。測(cè)量時(shí)如圖5所示。

圖5 測(cè)量時(shí)

測(cè)量結(jié)束后,經(jīng)外部動(dòng)力的拖拽,將邵氏硬度測(cè)量裝置從被測(cè)物體孔道內(nèi)提出。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 試驗(yàn)原理

為了驗(yàn)證邵氏硬度測(cè)量裝置的功能滿足設(shè)計(jì)要求,將其和經(jīng)過(guò)標(biāo)定的邵氏硬度計(jì)對(duì)同一測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行硬度測(cè)量,對(duì)比兩者的測(cè)量結(jié)果,測(cè)量偏差度不超過(guò)5%為合格。

由于邵氏硬度測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)是對(duì)孔道內(nèi)壁進(jìn)行測(cè)量,而邵氏硬度計(jì)僅可對(duì)外壁進(jìn)行測(cè)量,因此為了達(dá)到測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的一致性,利用輔助工裝對(duì)邵氏硬度測(cè)量裝置進(jìn)行固定,實(shí)現(xiàn)對(duì)石墨塊外壁的硬度測(cè)量。輔助工裝如圖6所示。

圖6 輔助工裝

5.2 試驗(yàn)內(nèi)容

(1) 應(yīng)用邵氏硬度測(cè)量裝置對(duì)石墨塊外壁進(jìn)行硬度測(cè)量。

(2) 使用標(biāo)定過(guò)的邵氏硬度計(jì)對(duì)石墨塊外壁進(jìn)行硬度測(cè)量。

(3) 對(duì)比上述兩種測(cè)量方式的硬度測(cè)量結(jié)果,偏差度應(yīng)不超過(guò)5%。

5.3 邵氏硬度測(cè)量裝置測(cè)量

(1) 將邵氏硬度測(cè)量裝置放入石墨塊外壁與輔助工裝的空隙中。

(2) 按下操作臺(tái)自鎖按鈕,氣缸伸出,邵氏硬度測(cè)量裝置前后凸塊整體頂出,數(shù)顯表顯示穩(wěn)定后,記錄測(cè)量結(jié)果。

(3) 再次按下操作臺(tái)自鎖按鈕,氣缸縮回,邵氏硬度測(cè)量裝置前后凸塊整體離開(kāi)石墨塊外壁,數(shù)顯表顯示值歸零。

(4) 在石墨塊外壁隨機(jī)選取直徑10 mm范圍內(nèi)五個(gè)位置點(diǎn)位進(jìn)行邵氏硬度HA測(cè)量,分別記錄結(jié)果。

(5) 重復(fù)上述步驟,記錄三組數(shù)據(jù),見(jiàn)表1。

表1 邵氏硬度測(cè)量裝置測(cè)量數(shù)據(jù)

5.4 硬度計(jì)測(cè)量

同樣,在邵氏硬度測(cè)量裝置附近直徑10 mm范圍內(nèi)隨機(jī)選取五個(gè)位置點(diǎn),使用邵氏硬度計(jì)進(jìn)行邵氏硬度HA測(cè)量,分別記錄結(jié)果。

重復(fù)上述步驟,記錄三組數(shù)據(jù),見(jiàn)表2。

表2 硬度計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)

5.5 結(jié)果對(duì)比

對(duì)三組分別通過(guò)邵氏硬度測(cè)量裝置和邵氏硬度計(jì)測(cè)量結(jié)果的平均值進(jìn)行對(duì)比,每組數(shù)據(jù)誤差在±5%以內(nèi)即為合格。

對(duì)上述測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,誤差值均在±5%以內(nèi),滿足試驗(yàn)要求,證明筆者研制的邵氏硬度測(cè)量裝置適用于對(duì)邵氏硬度HA在100以內(nèi)的樣件進(jìn)行邵氏硬度測(cè)量。

6 模擬測(cè)試

模擬測(cè)試是為了驗(yàn)證邵氏硬度測(cè)量裝置對(duì)石墨孔道內(nèi)壁的檢測(cè)能力。由于內(nèi)壁結(jié)構(gòu)的局限性,無(wú)法使用邵氏硬度計(jì)進(jìn)行對(duì)比測(cè)量,因此只做功能性驗(yàn)證。

將邵氏硬度測(cè)量裝置的探針?lè)湃胧鲶w孔道內(nèi)部,如圖7所示。按下操作臺(tái)的測(cè)量按鈕進(jìn)行測(cè)量,觀察數(shù)顯表顯示數(shù)值。在測(cè)量點(diǎn)附近10 mm高度范圍內(nèi)重復(fù)測(cè)量五次,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況選取垂直方向的不同測(cè)量點(diǎn)。邵氏硬度HA測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表3。

圖7 實(shí)物測(cè)量

表3 實(shí)物測(cè)量結(jié)果

7 結(jié)束語(yǔ)

筆者研制的深孔內(nèi)壁邵氏硬度測(cè)量裝置能滿足石墨反應(yīng)堆退役項(xiàng)目所需的邵氏硬度測(cè)量要求,經(jīng)對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)邵氏硬度計(jì)測(cè)量數(shù)值,測(cè)量誤差均在標(biāo)準(zhǔn)允許范圍內(nèi)。邵氏硬度測(cè)量裝置能夠深入樣件孔內(nèi)進(jìn)行內(nèi)壁部位的邵氏硬度測(cè)量,還可以推廣應(yīng)用于相同尺寸范圍內(nèi)其它材質(zhì)樣件的內(nèi)壁,進(jìn)行邵氏硬度測(cè)量。