定位格架防勾掛結構設計研究

雷濤++彭園++陳杰++谷明非

摘 要：定位格架是燃料組件中的重要部件之一，其結構設計除考慮熱工水力性能及結構力學性能外，還應保證有利于燃料組件的正常裝卸料操作。堆芯中相鄰燃料組件之間橫向間隙較小，為保證燃料組件的裝卸料操作順利，通常在格架外圍設計導向結構以避免發生勾掛損傷。本文主要針對商用電站燃料組件裝卸料過程中定位格架發生勾掛損傷的現象，從定位格架結構上分析其發生勾掛的原因，并采用三維建模軟件（UG）模擬格架相對運動的配合狀態，指導格架導向結構的設計。研究表明，現有AFA3G格架導向結構具有一定的導向作用，但在極限配合狀態下仍存在因咬合而出現的勾掛問題。本文提出限制外圍燃料棒位移、外條帶上部設置連續導向翼結構的設計思路，通過三維模擬以及試驗驗證，表明該設計能夠有效降低格架的勾掛風險。

關鍵詞：定位格架 勾掛 導向翼

中圖分類號：TL2 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）06（c）-0031-02

定位格架是燃料組件的關鍵部件之一，其主要功能一方面是夾持定位燃料棒以維持合理的棒間距，為冷卻劑提供合適的棒束流道；通過攪混翼實現對流體的攪混作用，提高燃料組件的熱工水力性能。另一方面，由于堆芯內相鄰組件間隙僅約1 mm，對于長度接近4000 mm燃料組件裝卸期間操作，如何防止燃料組件定位格架之間發生勾掛，是定位格架設計中需要關注的重要問題。

該文主要針對目前商用電站在燃料組件裝卸料期間發生的定位格架外條帶損傷問題，分析了勾掛發生的原因，采用三維模擬的方式模擬勾掛現象，反饋并指導格架外圍導向翼的外形結構和布置設計，有針對性的增設導向結構，減小組件間由于橫向干涉而導致的勾掛風險，從而設計出導向功能良好，具有防勾掛能力的新型定位格架。

1 定位格架的勾掛現象

目前國內商用大型電站所采用的燃料組件基本均為法國AFA3G燃料組件，該型燃料組件在設計中在格架外條帶結構上設置了一定數量的導向翼，具有一定的導向能力。2008年，在嶺澳核電站換料過程中，發現一組燃料組件格架外條帶導向翼不整齊，后在乏燃料水池使用水下攝像頭探視，確認第四層格架第二面E焊縫下部兩個半導向翼向上卷起。為此，又對水池中的其他組件進行水下電視檢查，先后共發現多組燃料組件的外條帶有不同程度的損傷。（見圖1）

同時，統計數據顯示，法國使用AFA3G燃料組件的電站多次換料大修受到格架損壞的影響，其中使用14英尺活性段燃料的電站受影響比例更大。據統計，對于14英尺電站，受影響的大修中，有63%是與燃料組件格架損壞相關；對于12英尺電站，受影響的大修中，有15%是與燃料組件格架損壞相關。

2 定位格架勾掛原因分析

目前使用的AFA3G定位格架（以下簡稱AFA3G格架）為了便于燃料組件在堆芯的裝卸操作，在其外條帶的上下端均設置有導向翼。其結構特征是外條帶上端兩相鄰導向翼間的距離為25.19 mm，包含了2個燃料棒柵距；外條帶下端導向翼之間的距離為12.595 mm（燃料棒柵距）。該種設計考慮了燃料組件在絕大部分情況下的防勾掛性能，但在某種極限情況下（相鄰燃料組件相互壓靠的位移達到最大值，且燃料組件發生1/2柵距的橫向錯位），燃料組件軸向位移時可能會引起與相鄰燃料組件的定位格架發生勾掛，如圖2所示。而在實際使用中，由于燃料組件的彎曲、定位格架外條帶導向翼的變形等因素，導致燃料組件在裝卸料時發生勾掛的幾率增加。

圖3中采用UG建立AFA3G外條帶典型的上下導向翼模型，模擬發生橫向干涉以及偏移1/2柵距情況下格架間配合狀態，從圖中可見，在此狀態下，上下導向翼咬合即發生干涉。

3 防勾掛結構設計

從對AFA3G格架發生勾掛原因分析來看，主要的影響因素為格架間的相互配合狀態。配合狀態分為橫向干涉和相對錯位，橫向干涉影響了格架間相互侵入所產生的位移量，而相對錯位影響了導向翼之間的相對位置關系。

3.1 格架橫向干涉的設計

初始安裝狀態相鄰格架間保持約1 mm間隙，裝卸過程由于組件變形或其他因素，間隙可能閉合，甚至由于格架擠壓相鄰組件燃料棒向內移動導致間隙為負值，即發生一定干涉。法國AFA3G格架為限制燃料棒在此種情況下的位移量，在外圍柵元彈簧內部設置了限位凸起，以約束向內側的位移量。但該種設計存在的缺點是并不能約束燃料棒受擠壓后發生傾斜，一定程度上增加了位移量導致橫向干涉增加。對于上述問題，通過改變限位凸起的位置，取消彈簧內側限位凸起，在格架柵元上下兩端設計一定高度的限為凸起，可以起到限制燃料棒橫向位移的功能。

3.2 外部導向結構設計

從AFA3G勾掛原因及模擬勾掛過程發現，勾掛的根本原因是上下導向翼沒有能夠實現連續導向，在不發生或較小錯位情況下上下導向翼之間滿足連續導向的要求，但在錯位1/2柵距時，再加上格架之間產生橫向干涉，上下導向翼將互相咬合，燃料組件吊裝操作中，當遇到此類配合狀態，將不可避免出現格架勾掛。因此，格架防勾掛設計要求上下導向翼具有連續導向能力，避免出現導向翼之間的咬合問題。

3.2.1 導向結構連續布置研究

AFA3G格架外條帶上導向翼之間間隔25.19 mm，下導向翼之間間隔為12.595 mm，不能實現相鄰柵元間的連續導向作用。通過加密上導向翼，實現每個柵元均布置有導向翼，可實現連續導向。但同時，加密導向翼布置后，將一定程度上減小邊柵元的冷卻劑流通面積，影響外圍的水力特性。為保證格架熱工水力性能的相容性，加密導向翼后邊柵元的流通面積應與原格架相近。從圖4可見，采用連續導向后，即使在錯位了1/2柵距時，導向翼之間仍能夠導向而不發生咬合干涉。

3.2.2 導向翼結構尺寸

連續布置導向翼縮小了導向翼間距離，實現了連續導向，但仍需合理的結構設計才能避免極限情況下勾掛問題。

首先確定相鄰格架間可發生的最大橫向干涉。相鄰組件兩格架在高度方向互相錯開，外條帶擠壓相鄰組件燃料棒，將其壓靠在內條帶的限位凸起位置上。按照現有堆芯相鄰組件中心距離215.04 mm，組件外形尺寸213.7 mm，則相鄰組件之間間隙為1.3 mm；綜合考慮剛凸高度、外條帶厚度以及彈簧壓縮量，可確定格架的最大橫向干涉量。

導向翼的高度應能保證當格架發生最大干涉之后，導向翼不會插入相鄰格架導向翼的間隙，即導向翼彎折后在水平面上的投影距離應大于相鄰格架的最大干涉量。根據理論計算，相鄰格架產生干涉的最大橫向位移為3.1 mm，其干涉量為橫向位移減去原有間隙，導向翼在平面的投影距離應超過該干涉量，考慮可能的制造公差以及彎折半徑等確定合適的導向翼結構尺寸。

4 防勾掛設計驗證及試驗驗證

對于格架的防勾掛設計驗證，首先采用UG建模的方式，建立外條帶典型的導向翼結構并模擬各類配合狀態，模擬的結果表明在各類配合狀態下，新的防勾掛設計均能實現連續導向，避免勾掛發生。

勾掛模擬試驗中，采用兩只格架沿軸向相對運動以模擬燃料組件的裝卸過程，試驗過程考慮了可能的各種配合關系，試驗結果表明兩只AFA3G格架在錯位1/2柵距情況下導向翼發生咬合現象，在保護力限值范圍內無法移動，這種現象與之前的設計分析一致。同時兩只新設計防勾掛格架在相似的配合狀態下幾乎觀察不到導向翼咬合現象，在設定的橫向作用力下兩只格架彼此能夠順利滑過（見圖5），表明設計與試驗吻合良好。在試驗中，新設計格架也出現過保護力超過限值（900 N）的情況（見圖6），但調整格架及裝置后重新試驗又能順利通過（見圖7）。因此，反饋于結構設計，還應考慮制造公差以及安裝公差等因素對格架防勾掛性能的影響。

5 結語

該文從嶺澳電站發生的格架損傷問題出發，研究了類似的AFA3G格架勾掛損傷問題，從結構設計角度出發，分析了格架產生勾掛的各類可能原因，針對AFA3G格架在勾掛性能方面存在的問題，提出了改進設計措施。設計過程中采用UG模型模擬的方法研究了各類配合狀態下的干涉情況。研究表明，采用導向翼加密布置、限制燃料棒的橫向位移距離等設計，可以實現格架間連續導向作用，降低了組件裝卸料期間格架發生勾掛的風險。

參考文獻

[1] 姚溥.法國AFA燃料組件定位格架結構和性能[J].國外核動力，1996（4）：1-3.

[2] 朱關仁，劉承新.國外高性能燃料組件設計[J].核電工程與技術，2000，13（1）：13-27.

首先確定相鄰格架間可發生的最大橫向干涉。相鄰組件兩格架在高度方向互相錯開，外條帶擠壓相鄰組件燃料棒，將其壓靠在內條帶的限位凸起位置上。按照現有堆芯相鄰組件中心距離215.04 mm，組件外形尺寸213.7 mm，則相鄰組件之間間隙為1.3 mm；綜合考慮剛凸高度、外條帶厚度以及彈簧壓縮量，可確定格架的最大橫向干涉量。

導向翼的高度應能保證當格架發生最大干涉之后，導向翼不會插入相鄰格架導向翼的間隙，即導向翼彎折后在水平面上的投影距離應大于相鄰格架的最大干涉量。根據理論計算，相鄰格架產生干涉的最大橫向位移為3.1 mm，其干涉量為橫向位移減去原有間隙，導向翼在平面的投影距離應超過該干涉量，考慮可能的制造公差以及彎折半徑等確定合適的導向翼結構尺寸。

4 防勾掛設計驗證及試驗驗證

對于格架的防勾掛設計驗證，首先采用UG建模的方式，建立外條帶典型的導向翼結構并模擬各類配合狀態，模擬的結果表明在各類配合狀態下，新的防勾掛設計均能實現連續導向，避免勾掛發生。

勾掛模擬試驗中，采用兩只格架沿軸向相對運動以模擬燃料組件的裝卸過程，試驗過程考慮了可能的各種配合關系，試驗結果表明兩只AFA3G格架在錯位1/2柵距情況下導向翼發生咬合現象，在保護力限值范圍內無法移動，這種現象與之前的設計分析一致。同時兩只新設計防勾掛格架在相似的配合狀態下幾乎觀察不到導向翼咬合現象，在設定的橫向作用力下兩只格架彼此能夠順利滑過（見圖5），表明設計與試驗吻合良好。在試驗中，新設計格架也出現過保護力超過限值（900 N）的情況（見圖6），但調整格架及裝置后重新試驗又能順利通過（見圖7）。因此，反饋于結構設計，還應考慮制造公差以及安裝公差等因素對格架防勾掛性能的影響。

5 結語

該文從嶺澳電站發生的格架損傷問題出發，研究了類似的AFA3G格架勾掛損傷問題，從結構設計角度出發，分析了格架產生勾掛的各類可能原因，針對AFA3G格架在勾掛性能方面存在的問題，提出了改進設計措施。設計過程中采用UG模型模擬的方法研究了各類配合狀態下的干涉情況。研究表明，采用導向翼加密布置、限制燃料棒的橫向位移距離等設計，可以實現格架間連續導向作用，降低了組件裝卸料期間格架發生勾掛的風險。

參考文獻

[1] 姚溥.法國AFA燃料組件定位格架結構和性能[J].國外核動力，1996（4）：1-3.

[2] 朱關仁，劉承新.國外高性能燃料組件設計[J].核電工程與技術，2000，13（1）：13-27.

首先確定相鄰格架間可發生的最大橫向干涉。相鄰組件兩格架在高度方向互相錯開，外條帶擠壓相鄰組件燃料棒，將其壓靠在內條帶的限位凸起位置上。按照現有堆芯相鄰組件中心距離215.04 mm，組件外形尺寸213.7 mm，則相鄰組件之間間隙為1.3 mm；綜合考慮剛凸高度、外條帶厚度以及彈簧壓縮量，可確定格架的最大橫向干涉量。

導向翼的高度應能保證當格架發生最大干涉之后，導向翼不會插入相鄰格架導向翼的間隙，即導向翼彎折后在水平面上的投影距離應大于相鄰格架的最大干涉量。根據理論計算，相鄰格架產生干涉的最大橫向位移為3.1 mm，其干涉量為橫向位移減去原有間隙，導向翼在平面的投影距離應超過該干涉量，考慮可能的制造公差以及彎折半徑等確定合適的導向翼結構尺寸。

4 防勾掛設計驗證及試驗驗證

對于格架的防勾掛設計驗證，首先采用UG建模的方式，建立外條帶典型的導向翼結構并模擬各類配合狀態，模擬的結果表明在各類配合狀態下，新的防勾掛設計均能實現連續導向，避免勾掛發生。

勾掛模擬試驗中，采用兩只格架沿軸向相對運動以模擬燃料組件的裝卸過程，試驗過程考慮了可能的各種配合關系，試驗結果表明兩只AFA3G格架在錯位1/2柵距情況下導向翼發生咬合現象，在保護力限值范圍內無法移動，這種現象與之前的設計分析一致。同時兩只新設計防勾掛格架在相似的配合狀態下幾乎觀察不到導向翼咬合現象，在設定的橫向作用力下兩只格架彼此能夠順利滑過（見圖5），表明設計與試驗吻合良好。在試驗中，新設計格架也出現過保護力超過限值（900 N）的情況（見圖6），但調整格架及裝置后重新試驗又能順利通過（見圖7）。因此，反饋于結構設計，還應考慮制造公差以及安裝公差等因素對格架防勾掛性能的影響。

5 結語

該文從嶺澳電站發生的格架損傷問題出發，研究了類似的AFA3G格架勾掛損傷問題，從結構設計角度出發，分析了格架產生勾掛的各類可能原因，針對AFA3G格架在勾掛性能方面存在的問題，提出了改進設計措施。設計過程中采用UG模型模擬的方法研究了各類配合狀態下的干涉情況。研究表明，采用導向翼加密布置、限制燃料棒的橫向位移距離等設計，可以實現格架間連續導向作用，降低了組件裝卸料期間格架發生勾掛的風險。

參考文獻

[1] 姚溥.法國AFA燃料組件定位格架結構和性能[J].國外核動力，1996（4）：1-3.

[2] 朱關仁，劉承新.國外高性能燃料組件設計[J].核電工程與技術，2000，13（1）：13-27.