曹 微，張小剛*，朱永利，叢 林

（中核北方核燃料元件有限公司，內蒙古 包頭）

引言

燃料組件骨架是燃料組件支撐燃料棒的重要結構部件，它承受冷卻劑的沖刷和緊急停堆時數(shù)十公斤的控制棒突然下落產生的沖擊力。此外，堆內的高溫和強烈的中子輻照也會使骨架的機械性能發(fā)生變化甚至發(fā)生彎曲[1]。因此骨架的結構決定了燃料組件的剛性，它的幾何尺寸直接影響組件的整體外形。

骨架外形尺寸測量主要有兩種方法[2-3]：一種為非標設備，單個長度測頭依靠光柵尺搭載移動小車，人工測量，該方法測量工裝結構固定，無法兼顧多種類型骨架；檢測過程需要人工翻轉骨架，存在安全風險；檢測效率較低，測量精度和重復性不高。

另一種，使用大型三坐標自動測量，將骨架放置在大理石平臺上，建立測量基準后，進行采點測量。測量精度通?？蛇_到幾微米，但測量過程中需要人工干預切換不同類型的測頭；檢測時需要先采點建立坐標系；針對不同產品，需要重新編程實現(xiàn)測量；設備占地面面積大，需要建立專用恒溫測量室；同時測量、校準操作和維護需要專業(yè)知識和技術[4]。

壓水堆產品種類增多，AFA3G、CF3、環(huán)形骨架結構及尺寸差異，統(tǒng)一測量方法難度較大；檢測通量提高，已制約燃料組件整體檢測效率，需要提升檢測效率；自主研制，兼顧眾多種類骨架，為現(xiàn)階段及后續(xù)壓水堆研發(fā)提供骨架測量技術支持。

1 測量原理

基于三坐標測量機原理，依據(jù)固定基準通過控制探頭在三個方向上移動[5]，以獲取被測物體各點的坐標值，并利用測量原理計算出骨架外形參數(shù)，在軟件上對測量數(shù)據(jù)進行處理和分析，以得到較高精度的測量結果。

1.1 下管座R 面的垂直度

檢測橋架帶動針式測頭對下管座R 面進行測量，下管座R 面支腿四個測量點的極差值作為下管座R面的垂直度。按式（1）進行計算。

式中：R0、R1、R2、R3- 針式測頭在下管座R 面四個測量點的測量值，mm；ΔR- 下管座R 面的垂直度，mm。

管座R 面四個測量點見圖1。

圖1 管座R 面四個測量點

1.2 長度測量

骨架尺寸全自動測量裝置長度測量示意如圖2所示，下管座R 面到導向管端面的距離作為骨架的長度。端部擋板緊靠導向管端面，以骨架下管座R 面為零面基準，檢測橋架帶動針式測頭對骨架長度進行測量。按式（2）進行計算。

圖2 骨架長度測量示意

式中：L- 骨架長度，包括四個面測量結果，mm；L0、L1、L2、L3- 針式測頭在端部擋板四個測量點的測量值，mm；R0- 針式測頭在下管座R 面R0處測量值，mm。

1.3 格架相對于下管座R 面位置尺寸

格架相對于下管座R 面位置尺寸測量時以骨架下管座R 面為零面基準，檢測橋架帶動針式測頭對每層格架進行位置測量。按式（3）、（4）進行計算。

式中：An0、An1、An2、An3- 針式測頭在每層格架四個測量點的測量值，mm；An- 每層格架位置，mm；R0- 針式測頭在下管座R 面R0處測量值，mm；ΔAn- 每層格架垂直度，mm。

格架測量點示意見圖3。

圖3 格架測量點示意

骨架尺寸全自動測量裝置每層格架位置及垂直度測量示意如圖4 所示。

圖4 格架位置及垂直度測量示意

1.4 導向管套管端面共面區(qū)平面度

將骨架下管座R 面為零面基準，圓形測頭自動采集根導向管套管端面相對于零面基準的距離，取最大值與最小值的差值作為導向管套管端面共面區(qū)平面度。按式（5）進行計算。

式中：Z1、Z2...Zn- 圓形測頭在n 根導向管端面的測量值，mm；R0- 針式測頭在下管座R 面R0處測量值，mm；ΔZn- 導向管套管端面共面區(qū)平面度，mm。

導向管端面平面度測量示意見圖5。

圖5 導向管端面平面度測量示意

1.5 導向管套管端面到儀表管距離

將骨架下管座R 面為零面基準，圓形測頭自動采集n 根導向管套管端面和儀表管相對于零面基準的距離，取n 個測量值的平均值作為導向管套管端面擬合平面。按式（6）、（7）計算儀表管到導向管套管端面的距離。

導向管套管端面到儀表管距離測量示意見圖6。

圖6 導向管套管端面到儀表管距離測量示意

2 系統(tǒng)設計

2.1 測量基準建立

為兼顧AFA3G、CF3 和環(huán)形燃料骨架的外形尺寸測量，首先需要建立統(tǒng)一的基準。用于多種類型骨架外形尺寸測量裝置安裝了側定位軸和頭部定位塊，與大理石平臺地面垂直，保證骨架放置在大理石平臺上，中心軸線平直。定位確保骨架每次放置位置偏差盡可能的小，同時，避免了定位部件對骨架測量的干涉[6]。硬件固定式基準更容易保證人工放置骨架的定位精度，檢測系統(tǒng)布距如圖7 所示。

圖7 導向管套管端面到儀表管距離測量示意

2.2 專用測頭設計

根據(jù)AFA3G、CF3 和環(huán)形燃料骨架中五種格架結構特點及間距等客觀因素的影響，導向管數(shù)量、布局、尺寸存在差異，每個格架和下管座采集4 個點，擬合成平面，測量點最大面積覆蓋整個格架和管座，要避開焊點、攪渾翼。同時，下管座和第一層格架間距僅為50 mm，測量空間狹小。

針對骨架外形尺寸測量原理，測頭外形需要盡可能的短，連接部件盡可能的少，測量面最好為平面的原則，減小測量誤差[7]。設計研發(fā)可同時兼顧三種不同類型的骨架外形尺寸測量的專用測頭。專用測頭分為針型測頭和圓型測頭兩種。針型測頭用于骨架的下管座R 面垂直度、格架位置、格架垂直度、長度尺寸測量。圓型測頭用于導向管端面平面度以及儀表管到導向管端面的距離尺寸測量。

測頭設計見圖8。

圖8 測頭設計

2.3 電氣及測量控制系統(tǒng)開發(fā)

光柵尺和齒輪齒條直線導軌，安裝于5 米大理石平臺側面，2 個接觸式傳感器測頭安裝在橋架上，由伺服電機驅動，橋架在X 軸方向運動；滾珠絲桿直線導軌安裝在橋架上，由伺服電機驅動, 接觸式傳感器測頭在Y 軸和Z 軸方向的運動；氣缸驅動擋板靠近骨架尾端；控制及數(shù)據(jù)采集器選用固高GTS 系列6 軸控制器。測量軟件采用開發(fā)使用C#編程語言。

設計兼顧AFA3G、CF3、環(huán)形燃料三種類型骨架的測量程序，實現(xiàn)了自動標定、自動測量，可固化應用到批量在線測量，具有靈活性和兼容性，可推廣應用到AP1000、AP1400 燃料骨架外形尺寸測量，也可推廣到其他新型壓水堆燃料骨架形尺寸測量。

工藝流程如下：系統(tǒng)接通電源—啟動控制系統(tǒng)打開計算機—將骨架放置在大理石平臺上下管座R 面緊靠定位塊—打開檢測軟件—系統(tǒng)找零位—傳感器測量方箱系統(tǒng)標定—選定自動檢測程序—氣缸驅動擋板靠近骨架尾端—測量橋架動作—傳感器在下管座R 面進行4 次接觸測量—傳感器在每層格架進行4 次接觸測量—傳感器在擋板進行4 次接觸測量—圓形測頭在n 根導向管端面測量—測量橋架動作回初始位—不合格尺寸復測—采集數(shù)據(jù)算法處理和報表打印—自動測量結束。

2.4 檢測系統(tǒng)驗證

使用激光跟蹤儀對設備長度方向上的檢測準確性進行驗證，檢測精準度，驗證檢測準確性在長度（0～5 m）范圍優(yōu)于0.01 mm。

針對同一個AFA3G 骨架，使用人工設備和自動測量設備重復測量5 次，比對驗證各個檢測項目的準確性，驗證結果表明符合標準要求。

骨架外形尺寸見表1。

表1 骨架外形尺寸

各選取骨架下管座R 面垂直度、格架相對于下管座R 面位置、格架垂直度、骨架度一組數(shù)據(jù)進行比對。在相同檢測條件下，對AFA3G 燃料骨架、CF3 燃料骨架、環(huán)形燃料骨架分別進行15 次測量，驗證設備重復性，重復性優(yōu)于0.02 mm。

3 結論

基于三坐標測量原理，建立了用于多種類型骨架外形尺寸測量方法，研制骨架外形尺寸測量裝置，實現(xiàn)了可兼顧AFA3G、CF3、環(huán)形骨架外形尺寸的自動測量。設置多重保護措施自動測量全過程可無人職守操作。單個骨架外形尺寸測量效率達30 min/個。降低了勞動強度，提升了檢測效率。裝置研制價格為普通大型三坐標的四分之一，檢測成本大幅度減少，測量結果準確可靠，能反映骨架真實尺寸。