АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ УСТАНОВКА НЕПРЕРЫВНОГО КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ СПЕЦИАЛЬНОЙ ГЕОМЕТРИИ
COMPUTER-BASED PLANT TO CONTINUOUSLY CONTROL TIGHTNESS OF SPECIAL-SHAPE FUEL CELLS

Изобретение относится к области ядерной энергетики и может быть использовано для контроля герметичности тепловыделяющих элементов (твэлов) специальной геометрии на стадии их производства.
Известно устройство для контроля герметичности тепловыделяющих элементов (Авторское свидетельство СССР №647570, G01M 3/04, Б.И. №6, 1979), состоящее из нагреваемой вакуумной реторты и сообщающихся с ней течеискателя и форвакуумных и высоковакуумных средств откачки. Твэлы, содержащие пробный газ (гелий), помещают в вакуумную камеру и перед подключением течеискателя нагревают до необходимой для вскрытия микродефектов температуры (300-400°С) и выдерживают при этой температуре необходимое время. Затем к реторте подключается течеискатель, и фиксируется сигнал от контролируемых изделий.
Недостатками устройства являются:
- искажение результатов контроля, связанное с интенсивным газоотделением из материала оболочек и концевых деталей твэлов при их нагреве до указанных температур, сопровождающееся существенным увеличением сигналов течеискателя и приводящее к ложной забраковке изделий;
- повышенный брак по механическим повреждениям, связанный с большим количеством ручных операций по снаряжению и расснаряжению специальной кассеты для загрузки твэлов в испытательную реторту;
- возможность пропуска негерметичных изделий в результате откачки пробного газа через крупные дефекты в период до подключения течеискателя;
- сложность его автоматизации и вследствие этого нетехнологичность в условиях массового производства.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению (прототипом) является устройство для осуществления способа непрерывного контроля герметичности тепловыделяющих элементов (Патент РФ №2164672, G01M 3/04, G21C 21/02, 17/07, Б.И. №9, 2001), состоящее из модуля сушки и модуля контроля герметичности, при этом модуль сушки снабжен транспортной системой и щелевыми нагревателями, модуль контроля герметичности состоит из камеры контроля, соединенной с течеискателем и соосно установленными с противоположных ее сторон вакуумными камерами снижения и повышения остаточного давления с соответствующими средствами откачки, образующими единый канал для прохода контролируемого твэла и установленные между камерами лабиринтные уплотнения, выполненные в виде набора кольцевых элементов.
Недостатками устройства являются:
- невозможность проведения контроля твэлов, имеющих специальную геометрию. К таким твэлам относятся, например, твэлы для реакторов на быстрых нейтронах, имеющие на наружной цилиндрической поверхности намотанную с определенным шагом дистанционирующую проволоку, которая крепится к концам твэла контактной точечной сваркой, а также твэлы с профилированной оболочкой для реакторов специального назначения. Наличие проволоки или профилированной оболочки не позволяет использовать транспортную систему с протяжными роликами для перемещения твэла по каналу модуля контроля герметичности, а конструкция элементов лабиринтных уплотнений не обеспечивает надежную герметизацию твэлов в форвакуумных и высоковакуумных камерах, а также камере контроля, что препятствует нормальной работе течеискателя, резко снижая надежность и достоверность контроля;
- высокая газовая нагрузка на откачные средства как форвакуумных, так и высоковакуумных камер снижения и повышения остаточного давления, что снижает надежность их работы.
Настоящее техническое решение направлено на:
1. Создание возможности автоматизации и проведения непрерывного контроля герметичности твэлов специальной геометрии.
2. Снижение газовой нагрузки на форвакуумную ступень снижения остаточного давления и, как следствие, повышение надежности работы установки в целом, а также предотвращение механических повреждений поверхности контролируемых твэлов.
Указанный технический результат достигается за счет того, что автоматизированная установка непрерывного контроля герметичности тепловыделяющих элементов специальной геометрии снабжена системой одновременной транспортировки двух твэлов по оси канала модуля контроля герметичности, состоящей из толкателя и вытягивателя, которые установлены на одной оси с каналом, первый - до входа в вакуумные камеры, второй - после выхода из вакуумных камер, при этом имеют возможность продольного перемещения по ходу и против хода твэлов, причем их перемещение по ходу твэлов синхронизировано, а вытягиватель имеет возможность дополнительного продольного перемещения по отношению к толкателю; на входе в канал для прохода контролируемого твэла установлено устройство стабилизации скорости продольного его перемещения вдоль канала; кольцевые элементы лабиринтного уплотнения имеют два взаимно перпендикулярных разреза и установлены пакетами из, как минимум, трех элементов со смещением разрезов внутри пакета на угол α≤30.
Диаметр описанной окружности разрезов которых равен:
op
тв
пр
D=(1,45-1.5) (d+2d),
op
где D - диаметр описанной окружности разрезов,
тв
d - диаметр твэла,
пр
d - диаметр дистанционирующей проволоки (или высота ребра профилированной оболочки).
При этом вытягиватель выполнен в виде пневмозажима, рабочим элементом которого является эластичная трубка, выполненная из термостойкого материала (например, силиконовой резины), при этом эффективная длина рабочего элемента и внутренний диаметр определяются соотношениями:
L≥S;
вн
тв
пр
D=1,1d+2d;
где L - эффективная длина рабочего элемента вытягивателя,
S - шаг навивки дистанционирующей проволоки или профилирования оболочки,
вн
D - внутренний диаметр рабочего элемента вытягивателя,
а устройство стабилизации скорости продольного перемещения контролируемого твэла вдоль канала для его прохода по модулю контроля герметичности выполнено в виде цанги, изготовленной из термостойкого материала с низким коэффициентом трения скольжения (например, тефлона), на наружной поверхности которой установлены кольцевые упругие элементы с внутренним диаметром, меньшим, чем наружный диаметр цанги.
Реализация заявляемых технических решений позволяет проводить непрерывный автоматизированный контроль герметичности твэлов специальной геометрии на стадии их производства, снизить газовые нагрузки на откачные средства форвакуумных и высоковакуумных камер, повысить надежность и достоверность контроля.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена принципиальная схема автоматизированной установки контроля герметичности тепловыделяющих элементов специальной геометрии; на фиг.2 показаны основные позиции твэла в процессе его прохождения через установку; на фиг.3 - модуль сушки; на фиг.4 изображена система одновременной транспортировки двух твэлов; на фиг.5 показана конструкция вытягивателя; на фиг.6 - устройство стабилизации скорости продольного перемещения твэла; на фиг.7 - модуль контроля герметичности; на фиг.8 - лабиринтное уплотнение.
Автоматизированная установка контроля герметичности состоит из трех модулей - модуля сушки 1, модуля контроля герметичности 2, модуля дальнейшей транспортировки 3, системы одновременной транспортировки двух твэлов 4 по оси канала модуля контроля герметичности и системы автоматизированного управления с управляющим контроллером 5.
Модуль сушки 1 включает устройство поперечного перемещения твэлов 6 с приводом 7, датчики 8 и 9 наличия твэлов на первой позиции (позиция I) и последней (позиция II) модуля сушки, щелевые нагреватели 10, дополнительный нагреватель 11.
Установка работает следующим образом.
Предназначенные для контроля герметичности твэлы подаются на исходную позицию I транспортного модуля 1. При этом, как только первый твэл поступает на транспортный модуль, датчик 8 наличия твэла на позиции I подает сигнал на контроллер 5 системы управления, который включает привод 7 устройства поперечного перемещения твэлов 6. При этом поступивший твэл передвигается в поперечном (относительно его оси) направлении на одну позицию, освобождая исходную. На нее поступает следующий твэл, и описанный цикл повторяется. Таким образом, твэлы движутся по транспортному модулю сушки с ритмом, определяемым производительностью установки. При движении твэлов в поперечном направлении их концевые участки входят в щелевые нагреватели 10, полости которых через вводы 12 заполнены инертным газом, например аргоном. Необходимое время нахождения концевых частей твэлов в зоне нагрева (реально составляющее 40-60 мин - время, необходимое для вскрытия микродефектов, характеризующихся минимально допустимыми потоками гелия) и ритм движения определяют количество одновременно находящихся на транспортном модуле 1 твэлов.
По окончании времени сушки твэл поступает на позицию II, являющуюся исходной для продольного транспорта, вдоль которой установлен дополнительный подогреватель 12. Датчик 9 наличия твэла на позиции II подает сигнал на контроллер 5, который включает систему одновременной транспортировки двух твэлов 4 по оси канала модуля контроля герметичности 2, состоящую из толкателя 13 и вытягивателя 14, которые установлены на одной оси с каналом, первый - до входа в модуль контроля герметичности, второй - после выхода из него. Оба имеют возможность продольного перемещения по ходу и против хода твэлов, причем их перемещение по ходу твэлов синхронизировано, а вытягиватель имеет возможность дополнительного продольного перемещения по отношению к толкателю. Синхронное перемещение толкателя 13 и вытягивателя 14 обеспечивается приводами 15 и 16 с зубчатыми ремнями 17 и 18. Толкатель представляет собой втулку, охватывающую концевую деталь твэла и имеющую возможность свободного вращения вокруг собственной оси. Вытягиватель 14 выполнен в виде пневмозажима, рабочим элементом которого является трубка 19, выполненная из эластичного термостойкого материала (например, силиконовой резины), и также имеющего возможность свободного вращения вокруг собственной оси в подшипниковом узле 20. Эффективная длина рабочего элемента и внутренний диаметр определяются соотношениями:
L≥S;
вн
тв
пр
D=1,1d+2d;
где L - эффективная длина рабочего элемента вытягивателя,
S - шаг навивки дистанционирующей проволоки или профилирования оболочки;
вн
D - внутренний диаметр рабочего элемента вытягивателя.
При включении системы транспортировки твэлов одновременно включаются приводы 15 и 16, а также в пневмозажим вытягивателя подается давление сжатого воздуха, при этом передний конец имитатора твэла 21 фиксируется в нем. Толкатель начинает движение, упирается в концевую деталь твэла и двигает его в продольном направлении к модулю контроля герметичности. Одновременно с этим вытягиватель синхронно с толкателем выводит имитатор твэла 21 из модуля контроля герметичности. При их совместном движении расстояние между задним концом имитатора и передним концом твэла обеспечивается в пределах 10…20 мм. В процессе движения передний конец твэла проходит устройство стабилизации скорости продольного перемещения контролируемого твэла 22, которое выполнено в виде цанги 23 с продольными сквозными пазами 24, на наружную поверхность которой установлен пружинный элемент 25 с внутренним диаметром, меньшим, чем наружный диаметр втулки. Втулка изготовлена из термостойкого материала с низким коэффициентом трения скольжения (например, тефлона). Деформация цанги осуществляется за счет радиального усилия, создаваемого кольцевыми упругими элементами 25 на перемычки между сквозными пазами 24, прижимая их к поверхности движущегося твэла. Необходимость установки устройства 22 вызвана тем, что в момент входа твэла в вакуумные камеры часто происходит его «засасывание» внутрь модуля контроля герметичности. При этом движение твэла ускоряется, он выходит из контакта с толкателем, передний его конец догоняет и обгоняет предыдущий твэл и в итоге заклинивает движение обоих. Толкатель, продолжая продольное движение, упирается в остановившийся задний конец твэла, сгибает и ломает его. Использование устройства 22 на входе в канал для прохода твэла через модуль контроля герметичности позволяет предотвратить «засасывание» твэла, стабилизировать скорость его протяжки и полностью исключить возможность возникновения описанной выше ситуации. При этом наличие кольцевых упругих элементов 25 уменьшает внутренний диаметр цанги 23 за счет упругой деформации перемычек между пазами 24, создавая сопротивление проходу твэла. Кроме того, оно позволяет сглаживать прохождение твэлов с повышенной кривизной или отклонениями геометрии.
Пройдя устройство 22 передний конец твэла входит в единый транспортный канал модуля контроля герметичности, образованный форвакуумной 26 и высоковакуумной 27 камерами снижения остаточного давления, камерой контроля 28, высоковакуумной 29 и форвакуумной 30 камерами повышения остаточного давления, перед и после которых установлены лабиринтные уплотнения 31. Кольцевые элементы 32 лабиринтного уплотнения имеют два взаимно перпендикулярных разреза,
диаметр описанной окружности которых равен:
op
тв
пр
D=(1,45-1.5) (d+2d),
op
где D - диаметр описанной окружности разрезов,
тв
d - диаметр твэла,
пр
d - диаметр дистанционирующей проволоки (или высота ребра профилированной оболочки).
Кольцевые элементы 32 установлены пакетами из как минимум трех штук со смещением разрезов внутри пакета на угол α≤30.
Форвакуумные камеры 26 и 30 откачиваются через клапаны 34 форвакуумными насосами 35, высоковакуумные камеры 27 и 29 - через клапаны 36 высоковакуумными насосами 36. Имитатор 21 устанавливается в модуле контроля герметичности 2 для выхода всех вакуумных насосов на рабочий режим при запуске установки и ее выключении.
При прохождении твэлом лабиринтных уплотнений 31 кольцевые элементы 32, установленные пакетами со смещением разрезов 33, охватывают наружную поверхность твэла, обеспечивая динамическую герметизацию, и в то же время обеспечивают беспрепятственное движение дистанционирующей проволоке, намотанной винтообразно с определенным шагом на наружной поверхности твэла. Смещение разрезов внутри каждого пакета кольцевых элементов на угол α≤30 препятствует образованию винтового канала (вдоль проволоки), соединяющего атмосферу с объемом вакуумных камер 26-30.
Сила трения между элементами лабиринтных уплотнений и витками проволоки создает усилие, направленное по касательной к поперечному сечению твэла, что обуславливает вращение твэла вокруг собственной оси при его движении вдоль канала модуля контроля герметичности. Для предотвращения возникновения механических надиров и царапин в местах контакта твэла с толкателем и вытягивателем последние имеют возможность свободного вращения вокруг собственной оси и при движении вращаются вместе с твэлом без взаимного проскальзывания.
-1
-3
-5
В форвакуумной камере 26, откачиваемой насосом 35, достигается остаточное давление Рост <13,3 Па (1·10 мм рт.ст.), в высоковакуумной камере 27, откачиваемой насосами 37, - Рост <1,3·10 Па (1·10 мм рт.ст.), которое замеряется датчиками давления 38 и 39 соответственно, связанными с контроллером 5, который регистрирует их в качестве технологических параметров. Камера контроля 28 через клапан 40 соединена с гелиевым течеискателем 41. В рабочем режиме камера контроля 28 откачивается только насосной группой течеискателя 41, который всегда находится в режиме регистрации сигнала по гелию.
Если при прохождении твэла через высоковакуумную камеру 27 остаточное давление не изменилось, а при прохождении камеры контроля 28 сигнал течеискателя не превысил определенного значения, установленного в качестве браковочного признака, то контроллером 5 твэл квалифицируется как «годное изделие», в противном случае - как «брак». Далее твэл последовательно проходит камеры ступенчатого повышения остаточного давления - высоковакуумную 29 и форвакуумную 30, и выводится из модуля контроля герметичности 2.
В то время, когда передний конец твэла проходит модуль контроля герметичности, задний его конец вместе с толкателем движется в полости дополнительного нагревателя 11, установленного на исходной позиции для продольной транспортировки. Указанный нагреватель предусмотрен для поддержания необходимой температуры заднего конца твэла, которая в противном случае успеет снизиться и выйти за нижний предел, установленный в технологическом процессе. Поддержание необходимой температуры на всех нагревателях установки (10 и 11) обеспечивает контроллер 5.
Когда толкатель 13 дошел до крайнего положения, передний конец твэла полностью прошел все камеры, контроллер 5 отключает привод толкателя 15 и привод вытягивателя 16. Твэл останавливается на промежуточной позиции III, освободив позицию II для следующего твэла. Одновременно с этим производится сброс давления сжатого воздуха в пневмозажиме вытягивателя 14, последний разжимается, включается привод 16 и вытягиватель отходит от имитатора 21, оставляя его на позиции IV модуля 3. С данной позиции по сигналу контроллера 5 в зависимости от результатов проведенного контроля изделие направляется по модулю 3 либо в годную продукцию (на дальнейшую транспортировку до позиции V), либо на накопитель брака (позиция VI). Имитатор 21, идущий первым, направляется на накопитель брака в любом случае.
Как только имитатор 21 освободил позицию IV, контроллер 5 включает приводы 15 и 16 и возвращает толкатель 13 и вытягиватель 14 в исходное положение, последний при этом охватывает передний конец проконтролированного твэла, остановившегося на позиции III. Затем на позицию II поступает следующий твэл и цикл начинается заново.
Итак, твэлы, двигаясь непрерывно друг за другом, проходят как подготовку к контролю (нагрев и выдержку при заданной температуре в течение заданного времени), так и непосредственно контроль герметичности. Когда все предназначенные для контроля твэлы поступили на транспортный модуль сушки 1, последним укладывается имитатор 21, который, дойдя до позиции III, перекрывает собой сквозной канал для прохода изделий в модуле контроля герметичности 2 и находится на этой позиции до тех пор, пока работа установки не будет возобновлена.
Таким образом, использование автоматизированной установки непрерывного контроля герметичности позволяет:
1. Автоматизировать и проводить непрерывный контроль герметичности твэлов специальной геометрии.
2. Повысить надежность работы установки за счет резкого снижения газовой нагрузки на форвакуумную ступень снижения остаточного давления, а также предотвратить механические повреждения поверхности контролируемых твэлов.