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1、快堆组件变形试验系统技术要求一、快堆组件变形试验系统简介钠冷快堆是世界上第四代先进核能系统的首选堆型，代表了第四代核能系统的发展方向，其形成的核燃料闭合式循环，可使铀资源利用率提高至60%以上，也可使核废料产生量得到最大程度的降低，实现放射性废物最小化。快堆在运行过程中，组件外套管温差导致的外套管热膨胀、冷却剂压差、辐照肿胀、辐照蠕变等都可使组件发生弯曲变形，导致组件六角形外套管与约束支撑件之间产生接触压力，增大堆芯换料过程中的插拔力；同时组件的变形会给堆芯引入额外的反应性，对钠冷快中子反应堆的安全运行造成影响。我国具有自主知识产权的组件变形分析程序在中国示范快堆堆芯设计中占有十分重要的地位，
2、但相关计算结果尚无试验数据支持，其准确性有待进一步地验证。因此，本试验通过模拟快堆组件在热梯度下引起的弯曲变形、组件间的间隙以及接触压力变化，开展组件变形在堆外变形分析程序的试验验证研究，为针对我国示范快堆堆芯设计的组件变形分析程序的理论计算模型与方法的验证提供试验数据支持。整个试验研究过程可分为单组件试验、单排组件受限热弯曲试验以及60镜面对称扇区组件受限热弯曲试验三大模块，其中单组件试验又分为单组件抗弯刚度试验、单组件自由热弯曲试验以及单组件受限热弯曲试验三大部分。表1列出了在快堆组件变形实验平台上进行的不同试验的类别及试验内容。表1 组件变形试验内容列表试验类别主要试验内容单组件试验单组
3、件抗弯刚度试验进行单组件在三种不同工况下的力学性能试验，通过对三种类别试验结果对比，得到单根试验件横向热梯度、挠度以及接触压力之间的计算关系。单组件自由热弯曲试验单组件受限热弯曲试验单排组件受限热弯曲试验测量单排试验件的横向热梯度、挠度以及垫块处的接触压力。60镜面对称扇区组件受限热弯曲试验测量60扇区试验件的温度梯度分布、挠度以及垫块处的接触压力。综合以上试验的试验数据为燃料组件变形分析程序提供数据支持，验证程序中模型的正确性。为了顺利满足燃料组件变形试验中对于单组件抗弯刚度试验、单组件自由热弯曲试验、单组件受限热弯曲试验、单排组件受限热弯曲试验以及堆芯60镜面对称扇区组件受限热弯曲试验共五
4、项试验的多次重复测量要求，需要建造组件变形堆外试验多功能台架。对于以上五项试验均需要满足组件试验件的吊装、固定、拆卸的要求，因此要设置管座以及立柱式悬臂吊。对于单组件抗弯刚度试验，需要通过水平力加载系统对组件试验件施加水平力，利用摄影测量系统测量组件试验件的变形。对于单组件自由热弯曲试验，利用红外测量系统获取组件试验件的温度场分布，利用摄影测量系统测量组件试验件的热变形。对于单组件、单排组件、60扇区组件受限热弯曲试验，通过组件试验件约束系统对组件试验件施加约束，利用红外测量系统测量组件试验件的温度，利用摄影测量系统测量组件试验件的变形，利用薄膜压力测量系统获得垫块处的接触压力。此外，为了满足
5、组件试验件的存放功能，还应设置试验件存放架。图1是初步规划的快堆组件变形试验系统的平面布置图。图1 快堆组件变形试验系统的平面布置图如图所示，在实验室大门的上侧靠近墙角处为控制室，操作台以及配电柜置于控制室内，在控制室的旁边为实验区，多功能试验台架即置于实验区内，其它实验辅助设备如组件存放架、抽风机等也放置于实验区内。二、快堆组件变形试验系统总体要求整个试验系统各部分的总体要求如下：1、材料及设备：试验系统中所使用的所有材料以及设备的技术指标不低于技术要求中的参数要求，必须按给定参数以及相应的标准进行选取、购买；验收合格后出具相关权威部门检测鉴定报告。2、仪器仪表及控制系统：该系统必须能满足试
6、验系统的计量和控制要求。3、系统设计：系统设计必须能够满足试验项目要求，并具有拓展性和延伸性。4、仪器的安装调试：设备仪器的安装调试必须能够满足试验项目要求，保证试验项目开展，达到设计要求。5、试验系统建设及调试安装过程中，乙方需严格遵循相关安全准则规范，不得出现安全事故。6、试验系统整体布置需美观、整洁。7、试验系统设计与搭建的工程实际情况存在出入时，以能满足试验目的及试验工况需求为准。需变更设计的，承建单位必须与委托单位进行沟通，在得到委托单位许可的情况下才能进行。8、本项目为交钥匙工程，承担本项目建设的单位必须根据技术要求做出详细的实施方案、设备配置清单及必要的说明，作为项目验收的参考依
7、据。此外项目承建单位要进行试验系统相关的所有设备、仪器以及材料的购置、设备的安装、运行调试以及人员培训工作。三、试验系统建设要求以下将对试验系统建设过程中每一个模块的建设要求以及技术指标进行详细的说明。3.1 多功能试验台架如前述，多功能试验台架区主要包括管座、立柱式悬臂吊、水平力加载系统、试验件约束系统、摄影测量系统、红外测量系统、以及试验组件存放架等。图2为整个试验台架的俯视简图、主视简图以及左视简图。（a）俯视图（b）主视图 （c）左视图图2 多功能试验台架示意图对于整个试验台架，最大的承载能力要不低于20000N，即保证在试验过程中当施加20000N的推力的时候，要保证整个试验台架结构
8、以及功能的完整性，整个试验台架不能遭受破坏。以下将就每一部分的技术要求进行详细的说明。3.1.1 立柱式悬臂吊立柱式悬臂吊（亦称“定柱悬臂吊”）的主要功能是在在管座安装过程中进行管座的吊装，以及在后续的试验开展过程中进行组件试验件的吊装工作。立柱式悬臂吊如图3所示，由立柱、回转悬臂及环链电动葫芦等组成。立柱下端固定于试验系统基座上，悬臂可根据需求进行旋转，环链电动葫芦安装在悬臂轨道上，用于起吊组件试验件。悬臂吊须满足结构合理、简单、操作使用方便、回转灵活、作业空间大等优点。图3 立柱式悬臂吊示意图立柱式悬臂吊搭建过程中的技术要求如下：1、承建单位在立柱式悬臂吊的搭建过程中所用的各种材料必须符合
9、国家的相关质量以及技术标准。2、立柱式悬臂吊在安装搭建过程中不能出现损坏，否则所有产生的后果由承建单位承担。3、搭建完毕以后承建单位要对立柱式悬臂吊的工作状态进行调试，使其满足试验的使用需求。4、承建单位要负责立柱式悬臂吊操作的演示以及培训工作。立柱式悬臂吊的技术参数要求如表2所列。表2 立柱式悬臂吊主要技术参数技术内容参数要求额定起吊重量（t）0.5起升高度（m）4起升速度（m/min）4运行速度（m/min）14最大回转半径（m）4回转角度：度360回转速度手动或0.8r/min（电动）3.1.2 管座为了减小管座的整体尺寸，拟将单排组件区域与60扇区组件区域结合，如图4所示，整个管座的重
10、量大约在3吨左右。图4 管座示意图管座运到指定的位置之后通过地脚螺栓进行固定，通过调平管座下方的垫铁来保证管座表面与水平面平行。试验系统的承建单位不负责管座的设计、制造以及加工等过程，但要负责管座成品的吊装、安装以及调平过程。管座在吊装以及安装过程的技术要求如下：1、系统建设中所需地脚螺栓、垫铁等材料必须保证质量过关，必须符合国家的相关质量以及技术标准，从而保证整个试验系统的长期使用。2、为了保证试验的顺利进行，管座在用垫铁进行调平以后管座表面的水平度必须控制在0.03mm以内。3、管座在安装完毕以后除了保证管座表面的水平度符合要求以外，还应该保证管座上表面以及上表面上阶梯孔的洁净。3.1.3
11、 水平力加载系统水平力加载系统的主要功能是对组件试验件施加水平力，从而利用摄影测量系统测量组件试验件的变形量。水平力加载系统同样通过地脚螺栓进行固定，通过调平管座下方的垫铁来保证管座表面与水平面保持平行。对于水平力加载系统在搭建过程中的技术要求如下：1、系统建设中所需用到地脚螺栓、垫铁等材料必须保证质量过关，必须符合国家的相关质量以及技术标准。2、水平力加载系统用垫铁进行调平以后系统基准面的水平度必须控制在0.03mm以内。3、由于在试验过程中要使用摄影测量系统测量组件试验件的位移，因此要保证水平力加载系统搭建完毕之后不会干涉到后续的摄影测量。4、搭建完毕后，承建单位要对水平力加载系统的工作状
12、态进行调试，使其满足试验的使用需求。5、图5给出了水平力加载系统的示意图，承建单位须根据示意图给出系统设计的细化方案，并进行方案的评价。在具体的施工过程中如因客观原因要对原设计方案进行调整，则必须与委托单位进行讨论，征得委托单位的同意。（a）俯视图 （b）主视图 （c）左视图图5 水平力加载系统示意图水平力加载系统的技术规格要求如表3所示。表3 水平力加载系统主要技术参数水平力加载系统的水平度要求0.1mm/m步进/伺服电机分辨率360/8000最大载荷（推/拉）5000N电动推杆行程180mm抗拉强度700MPa精度等级P7安装高度活性区中平面：1865（1）mm下垫块处：2531（1）mm
13、上垫块处：3070（1）mm拉压传感器量程7500N非直线性0.02%F.S.重复性0.02%F.S.零点输出0.03%F.S.滞后0.02%F.S.蠕变（30分钟）0.02%F.S./30min温度灵敏度漂移0.02%F.S./零点温度漂移0.02%F.S./六角卡箍高度40mm与垫块/套管的初始间隙1.5mm与垫块接触的表面硬度HRC55抗拉强度600MPa屈服强度355MPa3.1.4 试验件约束系统试验件约束系统对组件试验件施加约束。试验件约束系统由支承立柱和约束件组成。如图6所示，支承立柱共有4根，水平力加载系统也充当充当支承立柱；支承立柱为空心方管，方管立于方形底板上，方形底板通过
14、4个地脚螺栓固定，每根方管用4个肋板约束。支承立柱在顶部通过方管（支撑梁）进行连接，形成一个牢固整体。图6 组件试验件约束系统示意图约束件根据不同的试验而变化。对于单组件受限热弯曲试验，约束件是调节杆末端的约束块；对于单排组件受限热弯曲试验，约束件是约束块和约束挡板；对于60扇区组件受限热弯曲试验，约束件是三角形约束件和V形约束件。以下对于每一个部分进行简要说明。单组件约束件的示意图如图7所示，单组件的周边用约束块进行约束，约束块与组件试验件之间的距离约为0.5mm。水平力加载系统可以通过电动推杆在约束块上施加力的作用。图7 单组件约束示意图在单排组件受限热弯曲试验中，为了防止单排组件试验件的
15、错位，设置了约束挡板，如图中的绿色部分。约束挡板与试验件的间隙可通过调节螺钉进行调节，使间距约为0.5mm，如图8所示。图8 单排组件约束示意图在60扇区试验中，为了模拟实际堆芯的边界条件，在上垫块处设置了三角形约束件，下垫块处设置了V形约束件如图9和图10所示。图9 60镜面扇区组件约束示意图图10 三角形约束件和V型约束件示意图对于组件试验件约束系统的技术要求如下：1、承建单位在安装搭建过程中所用到的材料必须符合国家的相关质量以及技术标准。2、对组件试验件进行约束的时候要注意：在约束的初始状态组件试验件不能受力，同时满足在组件试验件变形时加以约束，故在六角卡箍和组件试验件之间应留有不大于0.5mm的间隙。3、当水平力加载系统对组件试验件施加力的作用的时候，应保证组件试验件约束系统对于组件试验件的移动起到明显的约束作用。4、由于在试验过程中要
