ЛАБОРАТОРНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ ТВЭЛЬНЫХ ОБОЛОЧЕК

Полезная модель относится к атомной энергетике, в частности к устройству для механического испытания трубчатых оболочек, и может найти применение на предприятиях для исследования напряженно-деформированного состояний оболочек тепловыделяющих элементов для реакторов типа ВВЭР и PWR.
Тепловыделяющие элементы (твэлы) являются наиболее ответственными и самыми напряженными конструкциями активной зоны современного ядерного энергетического реактора. Оболочка твэла обеспечивает требуемую механическую прочность конструкции, а также защищает ядерное топливо и продукты деления от коррозионно-эрозионного воздействия теплоносителя. Выход твэла из строя приводит к наиболее опасным последствиям - попаданию ядерного топлива и продуктов деления в контур теплоносителя. Помимо механического взаимодействия топлива, в результате которого в оболочке возникают окружные и осевые растягивающие напряжения, на оболочку одновременно воздействуют продукты деления. Совместное взаимодействие этих двух факторов и может привести к разрушению оболочки - коррозионному растрескиванию под напряжением. [Ф.Г. Решетников, Ю.К. Бибилашвили, И.С. Головнин и др. Разработка, производство и эксплуатация тепловыделяющих элементов энергетических реакторов. Книга 1, М.: Энергоатомиздат, 1995, стр. 40-44; 173-178].
Одним из факторов, приводящих к накоплению повреждений и соответствующему снижению ресурсных характеристик твэла, является термомеханическое взаимодействие таблеток топлива с оболочкой твэла в переходных режимах эксплуатации реакторной установки. Данный фактор приводит к высоким растягивающим напряжениям в циркониевой оболочке, при которых возможно повреждение последней по механизму коррозионного растрескивания под напряжением. Критерием термомеханического взаимодействия таблеток топлива с оболочкой твэла в переходных режимах эксплуатации реакторной установки является предел остаточной деформации циркониевой оболочки. Для того чтобы провести экспериментальное обоснование указанного критерия нужно провести испытания оболочек твэла в условиях взаимодействия топлива с оболочкой твэла.
Известен комплекс, принятый в качестве прототипа, для механических испытаний трубчатых оболочек твэла в условиях взаимодействия топлива с оболочкой твэла [An Out-of-Pile Method to Investigate Iodine-induced SCC of Irradiated Cladding Proceedings of Top (Proceedings of Top Fuel 2009 Paris, France, September 6-10, 2009 Paper 2179)]. Комплекс состоит из нагружающей машины, устройства нагружения, нагревательной печи, бесконтактного лазерного экстензометра и профилометра. Нагружающая машина создает осевую нагрузку и через устройство нагружения передает ее на опытный образец. Образец подогревается до необходимой температуры при помощи нагревательной печи. Замер деформации проводится через отверстие в нагревательной печи при помощи лазерного экстензометра на одной высоте образца в одном сечении. После проведения эксперимента и остывания образца при помощи профилометра производится профилографирование поверхности образца.
Недостатками данного комплекса является оценка деформации лазерным экстензометром, который осуществляет замер только одного диаметра по всей оболочке. Нагружающая машина обеспечивает узкий диапазон исследуемых скоростей деформации и сравнительно низкий уровень точности фиксации параметров перемещения и нагрузки. Невозможность прямого наблюдения процесса деформирования вследствие закрытой конструкции нагревательной печи.
Задачей полезной модели является усовершенствование комплекса, повышение качества и достоверности измерений, в том числе получение трехмерного распределения полей деформации по поверхности образца в течение всего эксперимента.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является возможность осуществлять прямой замер деформации с получением распределения деформации в виде трехмерного образа в течение эксперимента, в том числе при испытаниях при повышенной температуре и присутствии агрессивной среды, а так же возможность верификации трехмерных кодов метода конечных элементов (МКЭ) по результатам испытаний.
Технический результат достигается тем, что лабораторный комплекс для испытания твэльных оболочек включает нагружающую машину, на тягах которой установлено механическое нагружающее устройство с подведенными патрубками контура подачи агрессивной среды, климатическую камеру, установленную на горизонтальных направляющих нагружающей машины, систему трехмерной бесконтактной оценки деформации и информационно-управляющую систему, соединенную кабелями с нагружающей машиной, контуром подачи агрессивной среды, климатической камерой и системой трехмерной бесконтактной оценки деформации.
Нагружающая машина состоит из основания, нагружающего поршня соединенного с закрепленным в основании комбинированным сервоэлектрическим приводом, нижней и верхней тяг, механического нагружающего устройства с трубчатой оболочкой, которое соединено с нижней и верхней тягами, при этом верхняя тяга имеет датчик силы и закреплена в траверсе, соединенной с гидроцилиндрами и вертикальными направляющими.
Механическое нагружающее устройство состоит из двух соосных штанг, установленных с возможностью перемещения в осевом направлении, в торцевых зонах штанг с помощью сильфонов размещены зажимы для герметичного и концентричного размещения трубчатой оболочки, на торце верхней штанги размещен пуансон с коническим наконечником, а на торце нижней штанги размещена трубчатая оболочка со вставкой цилиндрической формы с центральной полостью для ввода наконечника, вставка расположена внутри трубчатой оболочки, на наружной поверхности вставки выполнены сквозные продольные прорези, при этом внутренние объемы сильфонов и трубчатой оболочки сообщены с патрубками подвода и отвода газа, соединенными с контуром подачи агрессивной среды.
Контур подачи агрессивной среды состоит из баллонов с инертным газом, термопар, запорно-регулирующей, предохранительной арматуры и емкости для возгонки йода, соединенных трубопроводом, термокабелей, которые навиты на трубопровод, идущий от емкости для возгонки йода к патрубку подвода механического нагружающего устройства и контроллера для управления и поддержания необходимых условий.
Климатическая камера оснащена сегментными вставками и отверстием для введения дополнительного оборудования, при этом на передней стороне климатической камеры имеется дверца со смотровым окном.
Система трехмерной бесконтактной оценки деформации состоит из оптического модуля и программного модуля.
Оптический модуль состоит из фото-видео камер, соединенных кабелями, осветительного прибора, смонтированных на кронштейне крепления.
Информационно-управляющая система состоит из контроллера нагружающей машины, контроллера контура подачи агрессивных среды, программного модуля системы трехмерной бесконтактной оценки деформации и персонального компьютера.
Данный лабораторный комплекс позволяет оценивать деформацию твэльной трубчатой оболочки в условиях близких к взаимодействию топлива с оболочкой в реакторе, в том числе при повышенной температуре - 380°C и при наличии агрессивной среды внутри трубчатой оболочки. Необходимость данных исследований обусловлена потребностью в обосновании работоспособности оболочек твэлов в новых режимах эксплуатации топлива и длительных загрузках с увеличенным выгоранием топлива. Получаемые в ходе исследований трехмерные распределения полей деформации образца в течение всего процесса деформирования позволяют осуществить валидацию трехмерных МКЭ кодов.
На фиг. 1 изображен лабораторный комплекс для испытания твэльных оболочек.
На фиг. 2 изображена нагружающая машина.
На фиг. 3 изображено механическое нагружающее устройство (МНУ).
На фиг. 4 изображен контур подачи агрессивной среды.
На фиг. 5 изображен оптический модуль системы трехмерной бесконтактной оценки деформации.
На фиг. 6 изображена климатическая камера.
На фиг. 7 изображена информационно-управляющая система.
На фиг. 8 изображена диаграмма нагружения образца №01_04 и его внешний вид после проведения эксперимента.
На фиг. 9 изображен пример графического отображения радиальной составляющей измеренной деформации образца.
На фиг. 10 изображен образ поля деформации, наложенный на фото изображение образца.
Лабораторный комплекс для испытания твэльных оболочек включает нагружающую машину А, контур подачи агрессивной среды Б, климатическую камеру Г, систему трехмерной бесконтактной оценки деформации (система VIC-3D) и информационно-управляющую систему Д, соединенной кабелями с нагружающей машиной А, контуром подачи агрессивной среды Б, климатической камерой Г и системой трехмерной бесконтактной оценки деформации. На тягах 4, 6 нагружающей машины А установлено механическое нагружающее устройство (МНУ) 5 с подведенными патрубками 18 контура подачи агрессивной среды Б. Климатическая камера Г, установлена на горизонтальных направляющих 34 нагружающей машины А.
Нагружающая машина А состоит из: основания 1, комбинированного сервоэлектрического привода 2, нагружающего поршня 3, нижней 4 и верхней 6 тяг, МНУ 5 с образцом - трубчатой оболочкой 13, траверсы 8, гидроцилиндров 9 и вертикальных направляющих 10. Нагружающий поршень 3 соединен с закрепленным в основании 1 комбинированным сервоэлектрическим приводом 2. МНУ 5 соединено по резьбовым соединениям штанг 14, 16 с нижней 4 и верхней 6 тягами. При этом верхняя тяга 6 имеет датчик силы 7 и закреплена в траверсе 8. Траверса 8 соединена с гидроцилиндрами 9 и вертикальными направляющими 10. Вертикальные направляющие 10 и гидроцилиндры 9 в свою очередь закреплены в основании 1. Нагружающий поршень 3, нижняя 4 и верхняя 6 тяги и МНУ 5 с образцом 13 закрепляются соосно. На основании 1 установлены горизонтальные направляющие 34 для монтажа климатической камеры Г. Использование нагружающей машины А с комбинированным сервоэлектрическим приводом 2 обуславливается необходимостью создания требуемых условий точности перемещения и скорости проведения эксперимента.
Для управления процессом проведения эксперимента и обеспечения сбора, контроля, обработки получаемых данных и осуществления обратных связей нагружающая машина Л подключена к контроллеру 35. Контроллер 35 нагружающей машины А соединен с контролером 36 контура подачи агрессивных среды Б, климатической камерой Г, программным модулем 37В системы VIC-3D. К контроллеру 35 нагружающей машины А подключен персональный компьютер 37 для обеспечения взаимодействия оператора с лабораторным комплексом и хранения получаемой и обработанной информации. Нагружающая машина А и МНУ 5 образуют цепь нагружения: комбинированный сервоэлектрический привод 2 - нагружающий поршень 3 - нижняя тяга 4 - нижняя часть МНУ 5 - образец (трубчатая оболочка) 13 - верхняя часть МНУ 5 - верхняя тяга 6 - датчик силы 7 - траверса 8.
Расстояние от траверсы 8 до основания 1 нагружающей машины А, при подготовке цепи нагружения, можно регулировать при помощи гидроцилиндров 9. Вследствие наличия обратных связей в нагружающей машине А есть возможность контроля силы во время сборки цепи нагружения. При установке МНУ 5 необходимо предусмотреть ограничение в 10-40Н силы, при которых прекращается перемещение, с закрепленной верхней частью МНУ 5, при касании пуансоном 15 имитатора топливной таблетки 17 (функция защиты образца).
МНУ 5 состоит из двух соосных штанг 14, 16, установленных с возможностью перемещения в осевом направлении, в торцевых зонах штанг 14, 16 с помощью сильфонов 11 размещены зажимы (гайки) 12 для герметичного и концентричного размещения трубчатой оболочки 13. На торце верхней штанги 14 размещен пуансон 15 с коническим наконечником. А на торце нижней штанги 16 размещена трубчатая оболочка 13 со вставкой 17 (имитатор топливной таблетки) цилиндрической формы с центральной полостью для ввода наконечника. Вставка 17 расположена внутри трубчатой оболочки 13. На наружной поверхности вставки 17 выполнены сквозные продольные прорези. При этом внутренние объемы сильфонов 11 и трубчатой оболочки 13 сообщены с патрубками 18 подвода и отвода газа. Патрубки 18 подвода и отвода газа соединены с контуром подачи агрессивной среды Б. Элементы МНУ 5 с резьбовыми соединениями - собираются, а в местах герметизации между штангами 14, 16 и сильфонами 11 устанавливаются отожженные медные прокладки. Трубчатая оболочка 13 крепится соосно МНУ 5 и тягам 4,6 нагружающей машины А благодаря гайкам 12 сильфонов 11 с асбестовым уплотнением. Трубчатая оболочка 13, до упора в торец нижней штанги 16, ставится на нижнюю штангу 16 МНУ 5, сверху одевается гайка 12 с асбестовым уплотнением и плотно закручивается в сильфон 11. В закрепленную трубчатую оболочку 13 помещается вставка 17 отверстием к верху, сверху на трубчатую оболочку 13 одевается еще одна гайка 12 с асбестовым уплотнением, расположенная зеркально нижней гайке 12. После сведения верхней и нижней частей МНУ 5, при касании пуансоном 15 вставки 17, закручивается верхняя гайка 12 с асбестовым уплотнением.
Контур подачи агрессивной среды Б состоит из баллонов 19 с инертным газом, термопар 21, запорно-регулирующей 22, предохранительной арматуры 23 и емкости для возгонки йода (йодной ванны) 25, которые соединены трубопроводом 20, термокабелей 24 и контроллера 36 для управления и поддержания необходимых условий. Подача газа осуществляется из баллонов 19 в йодную ванну 25 через трубопроводы 20 и запорно-регулирующую арматуру 22. В контуре между йодной ванной 25 и МНУ 5 обеспечивается подогрев трубопроводов 20 до необходимой (рассчитанной по параметрам эксперимента) температуры при помощи термокабелей 24. Термокабели 24 покрыты термоизоляцией и навиты на трубопровод 20, идущий от емкости для возгонки йода 25 к (нижнему) патрубку 18 подвода газа МНУ 5. Запорно-регулирующая 22 и предохранительная арматура 23, термопары 21 и термокабели 24 соединены с контроллером 36 контура подачи агрессивной среды Б для управления и поддержания необходимых условий. Возгонка йода в йодной ванне 25 обеспечивается нагревом до расчетной температуры, обеспечивающей необходимую упругость паров йода.
Система трехмерной бесконтактной оценки деформации (система VIC-3D) состоит из оптического модуля В и программного модуля 37В. Оптический модуль В состоит из фото-видео камер 26, соединенных кабелями 27, осветительного прибора 29. Фото-видео камеры 26 и осветительный прибор 29 смонтированы на кронштейне крепления 28. Осветительный прибор 29 предназначен для обеспечения необходимой освещенности рабочей зоны (области ограниченной траверсой 8, вертикальными направляющими 10 и основанием 1). Программный модуль 37В состоит из программного обеспечения, персонального компьютера 37, соединительных кабелей 27 и соединяется с контроллером 35 нагружающей машины А. Персональный компьютер 37, присоединенный к оптическому модулю В, производит предварительную и основную обработку данных и синхронизированную коммутацию контроллера 35 нагружающей машины А с программным модулем 37 В системы VIC-3D для обеспечения однозначной связи внутреннего времени нагружающей машины А и программного модуля 37В системы VIC-3D. Возможна работа системы VIC-3D в режиме текущих измерений с наглядным построением полей деформации по получаемым в ходе текущего эксперимента данным.
Климатическая камера Г оснащена сегментными вставками 30. Вставки 30 позволяют выдвигать климатическую камеру Г из рабочей зоны, без разбора цепи нагружения. При снятии вставок 30 обеспечивается возможность прохода нижней и верхней тяг 4,6 нагружающей машины А через климатическую камеру Г. На передней стороне климатической камеры Г имеется дверца 31 со смотровым окном 32. Климатическая камера Г обеспечивает необходимый нагрев образца 13 в МНУ 5. Климатическая камера Г может быть соединена с контроллером 35 нагружающей машины А или управляться с отдельного пульта. В климатической камере Г сделано отверстие 33 для введения дополнительного оборудования. На климатической камере Г есть винты фиксации для предотвращения перемещения по горизонтальным направляющим 34 во время эксперимента.
Информационно-управляющая система Д состоит из контроллера 35 нагружающей машины А, контроллера 36 контура подачи агрессивных среды Б, программного модуля 37 В системы VIC-3D и персонального компьютера 37, обеспечивающих управление экспериментом, сбор, хранение и предварительную обработку полученных данных.
МНУ 5 с образцом 13 крепится в тягах 4, 6 нагружающей машины А. Климатическая камера Г смонтирована на горизонтальных направляющих 34 и помещена в рабочую зону нагружающей машины А. Оптический модуль В системы VIC-3D может быть жестко закреплен тремя следующими способами:
- на дверце 31 климатической камеры Г;
- на дополнительных кронштейнах к нагружающей машине А;
- на полу при помощи дополнительных опорных устройств.
Оптический модуль В направлен в сторону МНУ 5 с образцом 13 и откалиброван на рабочее расстояние. Программный модуль 375 системы VIC-3D посредством коммутационного кабеля соединен с контроллером 35 нагружающей машины А.
В климатическую камеру Г через отверстие 33 заведены трубопроводы 20 контура подачи агрессивной среды Б и подсоединены к патрубкам 18 подвода и отвода газа МНУ 5. Управление контуром подачи агрессивной среды Б синхронизировано с процессом деформирования через контроллер 35 нагружающей машины А.
Лабораторный комплекс для испытания твэльных оболочек работает следующим образом.
При сборке цепи нагружения, когда образец 13 установлен в МНУ 5 - подводится верхняя тяга 6 нагружающей машины А. В установках нагружающей машины А включается ограничение на 10-40Н силы, при которых прекращается перемещение, в момент касания пуансона 15 с имитатором топливной таблетки 17. Далее в верхнем сильфоне 11 плотно закручивается одетая на образец 13 верхняя гайка 12.
В рабочую зону нагружающей машины А по горизонтальным направляющим 34 выкатывается климатическая камера Г, и которая от откатывания фиксируется винтами. Далее крепятся сегментные вставки 30 на своих местах для предотвращения тепловых потерь во время испытаний.
Проверяется функционирование и соединение контроллера 36 системы подачи агрессивных среды Б с контроллером 35 нагружающей машины А.
Оптический модуль В системы VIC-3D жестко крепится одним из трех возможных способов и оптически калибруется по образцу 13, установленному в МНУ 5. Проверяется соединение программного модуля 37 системы VIC-3D с контроллером 35 нагружающей машины А и лабораторный комплекс приводится в режим ожидания начала эксперимента.
Далее обеспечивается нагрев образца 13 и МНУ 5 климатической камерой Г до необходимой температуры с учетом времени выдержки для равномерного прогрева. Во время нагрева элементы цепи нагружения, находящиеся в рабочей зоне, расширяются под воздействием температуры. В устройстве нагружающей машины А включена функция защиты образца 13, которая при увеличении регистрируемой на датчике силы 7 величины, производит соответствующее перемещение нижней тяги 4 и обеспечивает постоянное соприкосновение элементов всей цепи нагружения без избыточной нагрузки.
Производится продувка чистым аргоном контуром подачи агрессивных среды Б внутреннего объема МНУ 5 и образца 13 для вытеснения воздуха. Аргон пропускается через трубопроводы 20 контура подачи агрессивных среды Б и подается в (нижний) патрубок 18 подвода газа МНУ 5. По (нижнему) патрубку 18 подвода газа через кольцевой канал (образован штангой 16 и сильфоном 11) газ попадает внутрь трубчатой оболочки 13. Внутри трубчатой оболочки 13 газ проходит по сквозным продольным прорезям имитатора топливной таблетки 17.
Далее газ проходит между трубчатой оболочкой 13 и пуансоном 15. Из трубчатой оболочки 13 газ выходит через кольцевой канал (образован штангой 14 и сильфоном 11) по (верхнему) патрубку 18 отвода газа. Далее трубопроводы 20 контура подачи агрессивной среды Б между МНУ 5 и йодной ванной 25 прогреваются при помощи термокабелей 24. После прогрева йодной ванны 25 производится подача среды йода с аргоном необходимой концентрации в той же последовательности, что и чистый аргон. Концентрация йода дополнительно уточняется после отбора пробы на выходе из патрубка 18 МНУ 5.
Нагрев подводящих трубопроводов 20 контура подачи агрессивной среды Б производится во время начала нагрева климатической камеры Г при помощи термокабелей 24 до температуры на 20-40°C выше, чем необходима при испытаниях. Температура в йодной ванне 25 устанавливается согласно расчету упругости йодного пара, и необходимой концентрации в зоне деформирования (зона механического взаимодействия вставки 17 и образца 13) образца 13 на уровне 20-70°C.
После достижения необходимой температуры образца 13 и концентрации йода в зоне деформирования, происходит старт испытания с заданными параметрами скорости нагружения, силы нагружения или по получаемой деформации.
Далее осуществляют механическое нагружение трубчатой оболочки 13. Комбинированный сервоэлектрический привод 2 приводит в движение нагружающий поршень 3 и нижнюю тягу 4 с прикрепленной нижней штангой 16 МНУ 5. Пуансон 15 воздействует на вставку 17, а именно на внутреннюю часть вставки 17. В результате этого во внутренней части вставки 17 будут образовываться окружные напряжения и передаваться на наружную часть вставки 17, которая в свою очередь нагружает трубчатую оболочку 13. В результате имитации взаимодействия топлива с оболочкой твэла в трубчатой оболочке 13 могут возникнуть трещины при достаточной величине деформирования. Данная схема моделирования имитирует тепловое расширение реальной топливной таблетки с трещинами.
Оптический модуль В системы VIC-3D включается одновременно с началом эксперимента и производит съемку процесса до его окончания. Конец испытания определяется достижением необходимого параметра:
- величина конечной деформации образца 13;
- время деформирования;
- конечная скорость деформирования (в случае возрастающей, убывающей скорости или сложной функции скорости);
- величина конечной силы нагружения (в случае изменяющейся или сложной функции силы нагружения).
Так же возможна остановка испытания по косвенно вычисленной функции, рассчитанной по прямым параметрам.
Данный лабораторный комплекс позволяет при испытаниях твэльных трубчатых оболочек получить данные о нагрузке, скорости деформирования и получаемого профиля деформации в течение всего процесса испытания. Подобный набор данных позволяет в полной мере описать моделируемое напряженно-деформированное состояние циркониевой трубчатой оболочки для дальнейшей верификации программных кодов. МНУ создает деформированное состояние трубчатой оболочки, а лабораторный комплекс осуществляет процесс деформирования, подачу агрессивной среды в зону деформирования и фиксацию полей деформации образца в течение испытания.
Пример.
Выбранная скорость нагружения во время испытаний - 0,3 мм/мин. Температура испытаний - 350°C.
Во время эксперимента производился контроль параметров:
- перемещения пуансона;
- нагрузка;
- регистрация деформации системой VIC-3D.
Параметром окончания нагружения выбрано перемещение пуансона, вследствие ограничения перемещения конструкцией нагружающего устройства.
Образец №01_04 нагружался до 6 мм перемещения пуансона.
Эксперимент проводился с преднагрузкой по силе до 500 Н.
Преднагрузка обеспечивает предварительное нагружение до определенной величины с целью выборки зазоров в цепи нагружения оснастки. После достижения нагрузки в 500 Н скорость эксперимента устанавливалась соответственно выбранной для эксперимента.
Для нагружения использовалось МНУ. В качестве нагревателя использовалась климатическая камера с максимальной температурой нагрева 350°C.
На пуансон с целью уменьшения трения и исключения конечного заклинивания во вставке наносилась смазка на основе никеля.
Образец представляет собой гладкую трубку, что не позволяет VIC-3D выбрать точки привязки для оценки деформации и приводит к необходимости дополнительной подготовки:
- наносится базовый слой краски (белой, матовой) высокотемпературной в данном случае;
- наносится слой контрольных точек (черной, матовой) краской.
Контрольные точки необходимо наносить с постоянной плотностью и избегать упорядоченной структуры сетки. В данном эксперименте использовалась высокотемпературная матовая эмаль.
Внешний вид образца после испытаний и диаграмма нагружения в координатах перемещения пуансона и силы нагружения показаны на фиг. 8.
Программный модуль системы бесконтактной оценки деформации позволяет выделить из общей деформации образца интересующие составляющие, такие как радиальная, осевая или отклонение от оси симметрии. На фиг. 9 показан пример отображения радиальной составляющей деформации. В результате экспериментов получаются файлы с данными готовые для дальнейшей обработки и восстановления профиля деформации, в том числе могут выводиться видео фрагменты, отображающие трехмерную деформацию образца в течение эксперимента или наложение двухмерного образа поля деформации на фотообраз испытуемого образца фиг.10.
Исходя из этого видно, что обеспечивается возможность осуществлять прямой замер деформации с получением распределения деформации в виде трехмерного образа в течение эксперимента, в том числе при испытаниях при повышенной температуре и присутствии агрессивной среды, а так же возможность верификации трехмерных МКЭ кодов по результатам испытаний.