PDCA在提高CF3燃料組件下管座防異物過濾能力設計中的應用

張笑天 王璐 冉仁杰 黃山 韓元吉

摘 要

探討PDCA在CF3燃料組件下管座防異物過濾能力設計中的應用效果。針對提高CF3燃料組件下管座防異物過濾能力的問題，利用PDCA循環質量管理工作方法，通過魚骨圖對于各方面設計因素進行原因分析，確定了影響下管座防異物過濾能力的主要因素，針對主要因素制定了相應的對策，采取了具體的試驗方案。應用PDCA工作程序對下管座過濾異物能力進行試驗，驗證Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型下管座過濾效率，對比3種設計方案中下管座異物過濾效果，選取防異物過濾能力最優的設計方案。

關鍵詞

PDCA;燃料組件;下管座;過濾

中圖分類號： TL352 ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.19.090

1 前言

1.1 CF3燃料組件下管座簡介

CF3燃料組件燃料棒采用束棒型的結構設計，呈17×17方形排列，長度為3862.2mm，含1個骨架和264根燃料棒[1]。燃料骨架由24根導向管、1根儀表管、11個格架和下管座部件組成。儀表管位于組件中心，用于插入堆芯中子測量儀表。導向管用于插入控制棒及其他堆芯相關組件棒。燃料棒被定位格架夾持，使其保持相互間的橫向間隙以及與上、下管座間的軸向間隙。

CF3 燃料組件下管座是全新設計的下管座，作為支撐和定位燃料組件的基本結構，同時也是防止異物進入燃料組件磨蝕燃料棒的關鍵屏障[2]。下管座部件作為燃料組件的底部結構件，具備如下功能：確定燃料組件相對于堆芯下板的位置和燃料組件的柵距;確定導向管和儀表管的位置;將燃料組件所受到的橫向載荷及軸向載荷傳遞到下堆芯板上，并分配流入燃料組件的冷卻劑流量;在堆芯裝卸料和轉運期間，對燃料組件起導向和保護作用;過濾異物功能，降低因冷卻劑中異物進入燃料組件造成燃料棒包殼破損的概率。

1.2 PDCA在下管座設計中的應用

PDCA是美國質量管理專家休哈特博士首先提出的，由戴明采納、宣傳，獲得普及，所以又稱戴明環。全面質量管理的思想基礎和方法依據就是PDCA循環。PDCA循環的含義是將質量管理分為四個階段，即計劃階段（Plan）、執行階段（Do）、檢查階段（Check）、處理階段（Action）。在質量管理活動中，要求把各項工作按照作出計劃、計劃實施、檢查實施效果，然后將成功的納入標準，不成功的在下一循環去解決。PDCA是能使任何一項活動有效進行的一種合乎邏輯的工作程序，特別是在質量管理中得到了廣泛的應用。

將PDCA工作程序應用在CF3燃料組件下管座防異物過濾能力設計中，可以使設計驗證思路清晰有條理，工作效率得到較大提高，質量管理得到了加強，對于設計的整個過程具有優化作用。

2 問題現狀

CF3燃料組件中下管座在核反應堆芯中起著燃料組件底部結構的作用，對流入燃料組件的冷卻劑起著流量分配的作用。在反應堆的實際運行過程中，堆芯的微小構件或者零件受冷卻劑的不斷循環沖擊可能會脫落。一旦這些微小構件脫落形成異物進入冷卻劑并參與循環，可能會在冷卻劑的攜帶下進入堆芯，對燃料組件造成損傷，進而造成核反應堆停堆。這些異物給反應堆的安全運行帶來重大隱患的同時對核電站也會造成重大損失。

為了防止異物穿過下管座對燃料組件造成磨蝕，采用防異物下管座的設計對核反應堆的安全至關重要。面臨的問題現狀是初步設計方案中，下管座防異物過濾能力較低。

3 計劃階段（Plan）

在PDCA工作程序中，計劃階段（Plan）要求找到導致問題的主要因素，并結合實際條件，對于假設的解決方案進行制定。此階段包括方針和目標的確定，以及活動規劃的制定。

原因魚骨圖將某一問題或現象分解成從若干方面（或方向）來尋找原因[3]。從設計的角度，應用原因魚骨圖對影響下管座防異物過濾能力的因素進行分析，如圖1所示。

在這些因素中，堆內的異物組成不受設計的影響;異物過濾原理設計受到制造工藝和可制造性的限制，將參照以往經驗;過濾結構形式設計和過濾結構尺寸設計均能較大程度地影響下管座防異物過濾能力。通過分析設計中各方面因素對于下管座防異物過濾能力的影響，初步確定主要因素是下管座的設計中過濾結構形式設計和過濾結構尺寸設計。

對于過濾結構形式設計這一因素，可以采取對策有：

（1）將流道設計成為封閉過濾結構;

（2）設計帶網眼的濾板結構;

（3）增加防異物板。

對于過濾結構尺寸設計這一因素，可以采取的對策有：

（1）減小過濾柵格尺寸;

（2）減小過濾柵格面積。

設計人員把針對主要影響因素的對策應用在了實際設計當中，并綜合考慮了下管座的水力學性能、力學性能以及可制造性等多個方面，設計了Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型共三型設計方案。

I型下管座部件的葉片表面沖壓有連續的凹形結構，葉片插配在兩層筋條之間，通過釬焊連接為一個整體。筋條布置的位置能夠阻擋燃料棒竄出下管座。在兩個相對的支腿上開有定位銷孔，通過與下堆芯板定位銷配合使燃料組件在堆內橫向定位。過濾結構由葉片和筋條的組合體構成，并取代了連接板結構，這樣過濾結構必須同時具備支承的功能。葉片和筋條的組合可以保證對燃料棒進行可靠的阻擋，并可提供足夠的強度支承燃料組件;由于各處流道完全一致，流量分配也非常均勻;上、下筋條貫通的設計使流道成為封閉過濾結構，具有增強過濾能力、提高強度和降低流阻的作用。Ⅰ型下管座設計方案照片如圖2所示。

Ⅱ型下管座主要結構特點是在下管座上采用了一個單獨的帶方形網眼的濾板結構用于流量分配，過濾異物，并阻擋燃料棒。連接板以筋的形式出現，并在導向管孔和儀表管孔的位置設置筋的交叉點。在不降低過濾性能的情況下，提升下管座的水力學性能。3mm厚的濾板提高了過濾結構的可靠性，解決了燃料棒阻擋問題和大異物撞擊問題對流通面積的限制。過濾結構承擔了過濾異物、流量分配和阻擋燃料棒這三種功能。Ⅱ型下管座設計方案照片如圖3所示。

Ⅲ型下管座為正方形板凳式結構，由一塊正方形不銹鋼材整體加工而成，上部是正方形的連接板，下部有四個支腿。連接板上開有儀表管連接孔、導向管連接孔和大的流水孔，其上有一塊防異物板，防止異物進入燃料組件。四個支腿之間形成一個空腔，冷卻劑由此空腔經連接板及防異物板進入燃料組件。下管座中心為上部直徑較大下部直徑較小的孔道，便于定位儀表管并限制儀表管內過大的旁流。在兩個相對的支腿上分別開有定位銷孔，通過與下堆芯板定位銷配合使燃料組件在堆內橫向定位。Ⅲ型下管座設計方案照片如圖4所示。

在計劃階段，將期望的試驗結果定為總過濾效率達到80%。試驗主要研究下管座的過濾異物的能力，評估過濾效率，并分析比較3種設計方案的過濾效果。下管座過濾效率本質上是一個概率統計問題，為確定空間曲面下管座的過濾性能，需要開展下管座過濾試驗進行詳細分析。

下管座異物過濾能力試驗回路主要有主循環系統、試驗段、異物投放和收集系統、冷卻系統、影像記錄系統、控制系統、數據測量和采集系統等組成。

試驗用的異物包括滾珠、銷釘、墊圈、螺母、金屬片、金屬絲和金屬切屑。

在進行下管座過濾結構性能試驗后，穿過下管座的異物會被異物收集罐收集，未穿過下管座的異物會隨回流水向上游移動，最終被上游的“Y”型過濾器截留。試驗段出口連接到帶有過濾網的異物收集罐，用于收集穿過下管座的金屬異物。試驗結束時，打開異物收集罐上面的法蘭頂蓋取出異物。

4 執行階段（Do）

在PDCA工作程序中，執行階段（Do）即按照預定的計劃、標準，根據限定的條件，設計出具體的行動方案，進行布局。再根據設計方案和布局，進行具體細致的操作，努力實現預期目標的過程。

在這一階段除了按計劃和方案實施外，還必須要對過程進行測量，確保工作能夠按計劃進度實施。同時建立起數據采集，收集起過程的原始記錄和數據等項目文檔。

過濾試驗具體實施步驟如下：

（1）安裝試驗件：將Ⅱ型原型下管座和入口模擬段安裝到試驗回路中。

（2）啟動試驗回路：向回路注入去離子水，開啟回路上的閥門，通過PLC控制柜和控制軟件啟動雙吸泵，逐漸增大雙吸泵控制功率來增大回路流量，觀察有無泄漏點、回路能否穩定運行、試驗件是否穩定，最后控制回路流量 在510m3/h運行。

（3）投入典型異物：開啟高速攝像機進行影像記錄以記錄異物運動軌跡，通過異物投入段向試驗段投入異物，每次投入同一類型異物五個記錄過濾數據。

（4）取出異物：回路流量穩定在510m3/h5分鐘后，逐漸減低流量，關閉雙吸泵，排出試驗段部分流體，打開異物過濾器，取出投入的異物，填寫異物過濾統計表，保存拍攝圖像及試驗數據。

（5）更換異物種類，重復步驟3～4操作直至測試完所有異物。

（6）重復步驟3～5。

（7）更換下管座，重復步驟1～6，直至Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型下管座測試結束。

（8）試驗結束：減小雙吸泵控制功率，逐漸講的回路流量至零，切斷PLC控制柜電源，關閉閥門，卸下試驗件。

5 檢查階段（Check）

在PDCA工作程序中，檢查階段（Check）是評價方案是否有效、目標是否完成的階段。將采取的對策進行確認后，對采集到的證據進行總結分析，把完成情況同目標值進行比較，看是否達到了預定的目標。如果沒有出現預期的結果時，應該確認是否嚴格按照計劃實施對策。對于此異物過濾試驗，希望達到的目標為過濾效率80%。

根據異物過濾試驗，得到Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型下管座異物過濾效果如下：

（1）對于滾珠、銷釘、墊圈、螺母和金屬絲過濾效果：I型>Ⅲ型>Ⅱ型;

（2）對于金屬切屑過濾效率：I型≈Ⅲ型>Ⅱ型;

（3）對于金屬片過濾效率：I型=Ⅱ型=100%;

（4）總效率：I型≈87%，Ⅱ型≈80%，Ⅲ型≈78%;

（5）總效率對比：I型>Ⅱ型≈Ⅲ型。

I型下管座較其他兩型下管座更容易發生異物卡塞，且卡塞相對更牢固，特別是圓柱狀金屬絲不易取出。對于卡塞位置，圓柱狀金屬絲異物縱向卡塞在I型下管座兩個葉片之間和橫向卡塞在Ⅱ型和Ⅲ型下管座濾網下的方格內。整體來看，I型和Ⅱ型均達到預期目標，Ⅲ型下管座的過濾效率也接近預期目標。

6 處理階段（Action）

在PDCA工作程序中，處理階段（Action）是PDCA循環的關鍵。因為處理階段就是解決存在問題，總結經驗和吸取教訓的階段。根據檢查階段的效果檢驗，三種設計方案均達到或接近預期目標，在一定程度上說明計劃階段中分析得到的影響下管座防異物過濾能力的主要因素確實為過濾結構形式設計和過濾結構尺寸設計，今后應該在設計過程中對于過濾結構形式設計和過濾結構尺寸設計優先考慮。計劃階段的預期目標偏低，今后對于進一步的設計優化和類似試驗，可以定更高的預期目標。I型下管座是防異物過濾能力最高的方案，對于今后的下管座設計有著重要的借鑒價值。

在CF3下管座先導組件研制中，空間曲面下管座出現了邊流道被釬料堵塞現象。根據PDCA工作程序，需要對上個PDCA循環總結檢查的結果進行處理，對于成功的經驗加以肯定;對于失敗的教訓引起重視。對于沒有解決的問題，在下一個PDCA循環中去解決。那么下一步將根據實際問題，開始新一輪的PDCA工作程序。

7 結束語

本文將PDCA這種質量管理學中的模型應用在探究CF3燃料組件下管座防異物過濾能力中，從下管座設計的各方面對影響下管座過濾能力的因素進行了分析。在計劃并實施了試驗后，通過對試驗結果的對比分析，驗證了設計中對于下管座防異物過濾能力的主要影響因素，并從備選型號中找到了過濾異物能力最佳的型號。

整個過程中，PDCA工作程序的應用使科研人員分析處理問題的思路更加清晰，更有條理，從而能合理高效地解決問題。將PDCA應用于CF3燃料組件下管座防異物過濾能力設計中，驗證了設計過程中的重要影響因素，解決了比較備選型號下管座過濾能力的問題，并能更好地達到了預期效果。

PDCA工作程序又被稱為PDCA循環，是因為這四個過程不是運行一次就完結，而是要周而復始地進行。一個循環完了，解決了一部分的問題，可能還有其他問題尚未解決，或者又出現了新的問題，再進行下一次循環。PDCA循環的四個階段體現著科學認識論的一種具體管理手段和一套科學的工作程序。PDCA工作程序的應用對我們提高日常工作的效率有很大益處，它不僅在質量管理工作中可以運用，同樣也適合于設計工作。對于燃料組件的設計而言，PDCA的引入有著重要價值，會在今后得到科研設計人員的重視，從而發揮更大的作用。

參考文獻

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