重水堆壓力管熱室內(nèi)直徑測(cè)量技術(shù)研究

王華才，王克江，殷振國(guó)，王 鑫，梁政強(qiáng)

（中國(guó)原子能科學(xué)研究院反應(yīng)堆工程研究設(shè)計(jì)所，北京 102413）

重水堆壓力管熱室內(nèi)直徑測(cè)量技術(shù)研究

王華才，王克江，殷振國(guó)，王 鑫，梁政強(qiáng)

（中國(guó)原子能科學(xué)研究院反應(yīng)堆工程研究設(shè)計(jì)所，北京 102413）

針對(duì)重水堆壓力管輻照后具有較強(qiáng)的放射性不能直接測(cè)量等問(wèn)題，采用一種在十字定位基礎(chǔ)上的比較測(cè)量方法，在熱室內(nèi)建立一套可使用計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制的壓力管內(nèi)徑測(cè)量系統(tǒng)。研究結(jié)果表明：該套測(cè)量系統(tǒng)可通過(guò)熱室外操作吊車和機(jī)械手實(shí)現(xiàn)壓力管的裝卡，系統(tǒng)的重復(fù)測(cè)量準(zhǔn)確度在0.4μm以內(nèi)，絕對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度在±3μm以內(nèi)，該套熱室內(nèi)測(cè)量系統(tǒng)符合壓力管內(nèi)徑測(cè)量的檢測(cè)要求，可進(jìn)行輻照后壓力管尺寸測(cè)量工作。

重水堆；壓力管；熱室；內(nèi)徑測(cè)量；十字定位

0 引 言

壓力管是CANDU-6加壓重水堆核電站的核心部件，承載重水傳輸燃料棒束產(chǎn)生的熱能，受到中子輻照、高溫高壓和機(jī)械應(yīng)力長(zhǎng)期作用，這些會(huì)使壓力管的長(zhǎng)度和直徑都發(fā)生變化[1-3]。為了評(píng)估壓力管在役期間的性能，加拿大核安全當(dāng)局在役檢查標(biāo)準(zhǔn)[4]CAN/CSA-N285.4—2005《定期檢查核電站結(jié)構(gòu)件》規(guī)定：壓力管服役期間隔4年至6年需定期抽出10根壓力管進(jìn)行體積及尺寸監(jiān)督檢查。

我國(guó)重水堆所用壓力管的材料為Zr-2.5Nb合金，內(nèi)徑為103.4mm，壁厚4.19mm，運(yùn)行過(guò)程中的入口溫度266℃，出口溫度310℃，入口壓力為11.48 MPa，出口壓力為10.48MPa。輻照后壓力管具有較強(qiáng)的放射性，需在熱室內(nèi)完成壓力管的尺寸測(cè)量工作，傳統(tǒng)手工操作的機(jī)械式內(nèi)徑搖表已無(wú)法滿足檢測(cè)要求。國(guó)內(nèi)目前尚未見(jiàn)輻照后重水堆壓力管熱室內(nèi)尺寸測(cè)量技術(shù)的文獻(xiàn)報(bào)道，國(guó)外報(bào)道主要采用水浸超聲檢測(cè)技術(shù)，該技術(shù)具有自動(dòng)化程度高，測(cè)量準(zhǔn)確度高（可控制在±5μm以內(nèi)）等特點(diǎn)，但在熱室內(nèi)進(jìn)行水浸超聲檢測(cè)會(huì)產(chǎn)生大量放射性廢液，將大大提高熱室檢驗(yàn)成本[3]。

為此，按照壓力管的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了壓力管專用裝卡裝置，采用校對(duì)環(huán)規(guī)定標(biāo)的比較測(cè)量方法[5]，建立一套在十字定位測(cè)量壓力管內(nèi)徑基礎(chǔ)上的測(cè)量系統(tǒng)。

1 測(cè)量方法

壓力管內(nèi)徑的測(cè)量要解決直徑瞄準(zhǔn)與定位以及兩個(gè)瞄準(zhǔn)點(diǎn)之間距離測(cè)量這兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。十字形定位具有準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，其測(cè)量原理如圖1所示。從圖1可以看出，測(cè)量臂在機(jī)械定位臂的中垂線上，使測(cè)量臂瞄準(zhǔn)直徑；測(cè)量臂測(cè)得的直徑變化通過(guò)機(jī)械杠桿傳遞給差動(dòng)變壓器式微位移傳感器，從而得到直徑變化值；再采用比較測(cè)量法，采用微位移傳感器測(cè)量壓力管與標(biāo)準(zhǔn)校對(duì)環(huán)規(guī)的差值ΔD，通過(guò)已知標(biāo)準(zhǔn)件的直徑D0就可得出被測(cè)件的直徑D=D0+ΔD。壓力管內(nèi)徑測(cè)量過(guò)程中，主要依靠定位臂內(nèi)的壓緊彈簧實(shí)現(xiàn)測(cè)量臂在直徑方向的自由活動(dòng)，以保證十字架的端點(diǎn)與側(cè)頭對(duì)面的固定點(diǎn)均與內(nèi)壁圓接觸；再利用微位移傳感器獲得直徑變化值，從而達(dá)到精確測(cè)量壓力內(nèi)徑的要求。

圖1 內(nèi)徑測(cè)量原理圖

參照加拿大標(biāo)準(zhǔn)CAN/CSA-N285.4—2005第12.2.4節(jié)尺寸測(cè)量參考試樣的規(guī)定，制備了3個(gè)校對(duì)環(huán)規(guī)用于內(nèi)徑測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)定，其示意圖如圖2所示。從圖中可以看出，各環(huán)規(guī)尺寸經(jīng)計(jì)量單位校準(zhǔn)后分別為φ103.4489mm、φ103.3981mm、φ103.3479mm。

為實(shí)現(xiàn)熱室外利用計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制完成內(nèi)徑測(cè)量，以及利用機(jī)械手和熱室吊車實(shí)現(xiàn)熱室內(nèi)壓力管裝卡，設(shè)計(jì)了如圖3所示的實(shí)驗(yàn)裝置。該裝置主要由壓力管裝卡卡盤(pán)、內(nèi)徑測(cè)量架、壓力管支架、校對(duì)環(huán)規(guī)、內(nèi)徑測(cè)桿支架及多功能臺(tái)架等部分組成。該套內(nèi)徑測(cè)量裝置可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)校準(zhǔn)、定位，被測(cè)壓力管可通過(guò)熱室外計(jì)算機(jī)軟件控制其做軸向及繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)，可測(cè)量1000mm長(zhǎng)壓力管內(nèi)徑尺寸變化，其中壓力管夾盤(pán)裝夾一端測(cè)量盲區(qū)長(zhǎng)度為20mm，另一端測(cè)量盲區(qū)長(zhǎng)度為5mm。

圖2 定標(biāo)用校對(duì)環(huán)規(guī)示意圖（單位:mm）

圖3 壓力管內(nèi)徑測(cè)量裝置示意圖

2 測(cè)量不確定度分析

2.1 不確定度的來(lái)源

由比較法測(cè)量的計(jì)算公式D=D0+ΔD，可知其測(cè)量誤差來(lái)源于兩個(gè)方面[6-8]，一是D0，一是待測(cè)件與標(biāo)準(zhǔn)件直徑之間差值ΔD，兩個(gè)分量互不相關(guān)。由此，該系統(tǒng)測(cè)量不確定度的來(lái)源具體包括：

1）校對(duì)環(huán)規(guī)尺寸所引起的不確定度分量uD；

2）測(cè)量臺(tái)架和二次儀表的不確定度分量uY，由下列不確定度分量組成：測(cè)頭軸向定位誤差所引起的不確定度分量uY1，位移傳感器測(cè)量所引起的不確定度分量uY2，數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)所引起的不確定度分量uY3，測(cè)量重復(fù)性估算引起的不確定度分量uY4，由誤差傳遞公式知：

測(cè)量合成不確定度為[6]

2.2 不確定度分量的評(píng)定

1）校對(duì)環(huán)規(guī)尺寸所引起的不確定度分量評(píng)定。校對(duì)環(huán)規(guī)引起的不確定度分量uD由具有法定資質(zhì)計(jì)量檢測(cè)機(jī)構(gòu)提供的校準(zhǔn)證書(shū)給出，其給定的測(cè)量不確定度結(jié)果為uD=0.35μm。

2）測(cè)頭軸向定位誤差所引起的不確定度分量評(píng)定。測(cè)頭軸向定位誤差分析示意圖，如圖4所示。由于測(cè)頭軸向定位產(chǎn)生的誤差，故測(cè)量時(shí)得到的測(cè)量值E與管的實(shí)際值D之間的誤差引入的不確定度分量uY1為

在式（3）中D為校對(duì)環(huán)規(guī)內(nèi)徑，即D=103.35mm，從圖4中可知：

設(shè)a為尾架對(duì)中套直徑與內(nèi)徑測(cè)量架固定桿直徑之差，b為內(nèi)徑測(cè)頭與尾架對(duì)中套的距離。最大取a=1mm，b=1000mm，求得tanθ=a/b=0.001，由此得出uY1=0.1μm。

3）位移傳感器測(cè)量所引起的不確定度分量評(píng)定。位移傳感器測(cè)量所引起的最大不確定度分量uY2=1.3μm。

4）數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)所引起的不確定度分量評(píng)定。數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)誤差所引起的不確定度分量不超過(guò)0.5μm，取uY3=0.5μm。

5）測(cè)量重復(fù)性估算所引起的不確定度分量評(píng)定。測(cè)量重復(fù)性估算采用A類方法進(jìn)行評(píng)定，采用內(nèi)徑測(cè)量裝置對(duì)校對(duì)環(huán)規(guī)直徑重復(fù)測(cè)量4次，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖5，計(jì)算得出其最大標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量uY4=0.4μm。

圖4 測(cè)頭軸向定位誤差分析

圖5 校對(duì)環(huán)規(guī)直徑重復(fù)測(cè)量4次的曲線

由式（1）計(jì)算uY可得出：

由式（2）計(jì)算出內(nèi)徑測(cè)量合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

壓力管內(nèi)徑測(cè)量最終結(jié)果的不確定度為

3 實(shí)測(cè)結(jié)果

利用所設(shè)計(jì)的熱室內(nèi)壓力管內(nèi)徑測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)經(jīng)具有法定資質(zhì)計(jì)量檢測(cè)機(jī)構(gòu)校準(zhǔn)后的3個(gè)校對(duì)環(huán)規(guī)的內(nèi)徑尺寸進(jìn)行了測(cè)量。測(cè)量過(guò)程中，首先從距內(nèi)徑為φ103.448 9 mm校對(duì)環(huán)規(guī)上端頭5 mm處確定為相對(duì)零位，再利用內(nèi)徑測(cè)量架對(duì)3個(gè)校對(duì)環(huán)規(guī)沿軸向進(jìn)行掃描，掃描時(shí)校對(duì)環(huán)規(guī)前進(jìn)速度為0.33mm/s，每前進(jìn)2mm采集一個(gè)直徑值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 熱室壓力管內(nèi)徑測(cè)量系統(tǒng)校對(duì)環(huán)規(guī)標(biāo)定示意圖

對(duì)圖6所示的采用內(nèi)徑測(cè)量裝置測(cè)量的內(nèi)徑值與計(jì)量單位給出的校準(zhǔn)值進(jìn)行了對(duì)比分析，分析結(jié)果如圖7所示。由圖7可以看出，測(cè)量結(jié)果與校準(zhǔn)值的偏差在-0.1～2.9μm范圍內(nèi)。

圖7 校對(duì)環(huán)規(guī)測(cè)量值與標(biāo)定值之間的偏差

4 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合十字定位和比較測(cè)量的方法成功實(shí)現(xiàn)了熱室內(nèi)測(cè)量輻照后壓力管的內(nèi)徑。該套測(cè)量系統(tǒng)采用十字定位方式和比較測(cè)量方法提高了定位和測(cè)量精度；通過(guò)在測(cè)量系統(tǒng)中將標(biāo)準(zhǔn)校對(duì)環(huán)規(guī)一起模塊化，實(shí)現(xiàn)了每次測(cè)量均可自動(dòng)校準(zhǔn)；且利用熱室外計(jì)算機(jī)程序控制，可實(shí)現(xiàn)壓力管的軸向全長(zhǎng)移動(dòng)及圓周方向任意角度旋轉(zhuǎn)操作，確保了壓力管內(nèi)徑測(cè)量數(shù)據(jù)的完整性、可靠性和可操作性，有效降低了工作人員的吸收劑量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該套測(cè)量系統(tǒng)的準(zhǔn)確度可控制在±3μm以內(nèi)，重復(fù)測(cè)量準(zhǔn)確度在0.4μm以內(nèi)；符合重水堆核電站輻照后壓力管內(nèi)徑測(cè)量的檢測(cè)要求，且該檢測(cè)設(shè)備和方法可推廣應(yīng)用到帶有放射性工件的內(nèi)徑測(cè)量。

[1]Ross-Ross P A，Hunt C E L.The in-reactor creep of cold-worked Zircaloy-2 and Zirconium-2.5wt%niobium pressure tubes[J].Journal of Nuclear Materials，1968，26（1）：2-10.

[2]Wood D S，Watkins B.A creep limit approach to the design of Zircaloy-2 reactor pressure tubes at 275℃[J]. Journalof Nuclear Materials，1971，41（3）：327-332.

[3]Rath B N，Singh H N，Singh J L，et al.Measurement and analysis of diametral deformation in irradiated Zr-2.5%Nb pressure tube[J].Trans-actions of The Indian Institute of Metals，2010，63（3）：671-674.

[4]Canadian Standards Association.CAN/CSA Standard N285.4 -05 Periodic inspection of CANDU nuclear power plant components[S].Canada，2005.

[5]王國(guó)強(qiáng)，陳士謙.列車軸承內(nèi)徑的測(cè)量方法和不確定度分析[J].鐵路技術(shù)監(jiān)督，2010，38（3）：26-29.

[6]安玉山.大量程位移傳感器用于三等量塊檢定時(shí)不確定度分析[J].中國(guó)測(cè)試技術(shù)，2005，31（5）：59-62.

[7]朱沙，楊杰斌，陳世超，等.數(shù)控機(jī)床在線測(cè)量大直徑技術(shù)研究[J].中國(guó)測(cè)試，2012，38（4）：13-16.

[8]賀芳.測(cè)量不確定度評(píng)定的步驟及方法淺析[J].計(jì)量與測(cè)試技術(shù)，2005，32（5）：36-37.

Research on diameter measurement in pressure tube of heavy water reactor at hot cell

WANG Hua-cai，WANG Ke-jiang，YIN Zhen-guo，WANG Xin，LIANG Zheng-qiang
（Department of Reactor Engineering Research and Design，China Institute of Atomic Energy，Beijing 102413，China）

Regarding with the strong radioactivity,post irradiated pressure tube can’t be measured directly.A comparative measurement method which was based on the cross orientation measurement method had been employed.An internal diameter measurement system of pressure tube controlled by computer was set up in a hot cell.The research results have proved that the measurement system can fix pressure tube through crane and manipulator.The repeatable accuracy and the absolute accuracy are within 0.4 μm and±3 μm，respectively.The measuring system meets the requirement of inner diameter measurement in the hot cell and can be applied to the inspection of irradiated pressure tubes.

heavy water reactor；pressure tube；hot cell；internal diameter measurement；cross orientation measurement

TL423；TL363；TL353+.11；TM930.12

：A

：1674-5124（2014）05-0014-03

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.05.003

2013-11-01；

：2014-01-23

國(guó)防科技工業(yè)局核能開(kāi)發(fā)科研項(xiàng)目（科工二司2009-1226）

王華才（1986-），男，安徽安慶市人，工程師，博士，主要從事反應(yīng)堆材料輻照后檢驗(yàn)研究。