核燃料包壳管双轴蠕变测试系统的制作方法

1.本发明涉及管件的内外压疲劳测试技术领域，尤其涉及一种核燃料包壳管双轴蠕变测试系统。


背景技术：

2.目前，国内的核燃料棒包壳管的疲劳研究仅仅采用单一形式的内压疲劳试验，进而仅能了解到单一疲劳工况下的材料特性能力，随着核电技术的革新应用需求，对包壳管的疲劳特性研究条件越来越苛刻，其实际工况环境下内压疲劳和外拉压疲劳同时存在，因此，也需要对包壳管进行外拉压疲劳测试，此外，目前对于核燃料棒包壳管径向变形量的测量大多采用接触式的方式，即使用直径测微针进行直接接触测量，当包壳管受外界因素震动或移动时，会影响测量精度，且布置复杂、安装维护不便。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种核燃料包壳管双轴蠕变测试系统，以解决上述问题。
4.为实现上述目的，采用以下技术方案：
5.一种核燃料包壳管双轴蠕变测试系统，包括：
6.高温真空炉，所述高温真空炉上还安装有夹持模块，夹持模块用于将布置于高温真空炉内的待测试的包壳管夹持固定；
7.轴向拉压模块，所述轴向拉压模块与夹持模块连接，轴向拉压模块用于经夹持模块对待测试的包壳管进行反复拉压；
8.内压控制模块，所述内压控制模块与待测试的包壳管连接，用于对包壳管内部进行增压；
9.3d蠕变测量模块，所述3d蠕变测量模块用于测量包壳管在经轴向拉压模块对其拉压时的轴向变形量，以及在经内压控制模块对其内部进行增压时的周向上的变形量。
10.进一步地，所述高温真空炉的正面和背面还各布置一观察窗；所述3d蠕变测量模块包括两个图像采集组件，两图像采集组件分别靠近一观察窗布置；每一所述图像采集组件均包括安装支架、以及安装于安装支架上的照明灯和两个摄像头。
11.进一步地，所述夹持模块包括两夹具，且两夹具分别布置于高温真空炉的一端；所述包壳管连接于两夹具之间。
12.进一步地，所述轴向拉压模块包括伺服电机、与伺服电机连接的减速机、与减速机连接的同步带组件，以及与其中一夹具连接的丝杆组件；所述伺服电机用于经同步带组件驱动丝杆组件运转，所述丝杆组件用于驱动夹具平移以向包壳管施加拉力或压力。
13.进一步地，所述丝杆组件与夹具的连接处还安装有第一压力传感器。
14.进一步地，所述内压控制模块包括气源、增压组件、控压组件；所述气源用于向包壳管提供增压用的气体介质；所述控压组件与气源连接，控压组件用于调节气源提供的气体介质的压力；所述增压组件连接于控压组件与包壳管之间，增压组件用于对气体介质进
行增压，并将增压后的气体介质输出至包壳管内。
15.进一步地，所述增压组件与包壳管之间还连接有保温组件，保温组件用于对增压后的气体介质进行保温。
16.进一步地，所述增压组件包括连接于控压组件与保温组件之间的气驱增压泵，以及用于为气驱增压泵提供动力的气驱组件；所述气驱组件包括空压机、电气比例阀；所述空压机经电气比例阀与气驱增压泵连接，且空压机与电气比例阀之间还连接有压力开关、气体过滤器。
17.进一步地，所述控压组件包括依次连接于气源与气驱增压泵之间的第二压力传感器、气控球阀、减压阀。
18.进一步地，所述保温组件包括与气驱增压泵连接的恒温缓冲器，以及安装于恒温缓冲器上的加热器；所述恒温缓冲器与气驱增压泵之间还连接有第一单向阀，所述恒温缓冲器与包壳管之间还依次连接有第一气控针阀、安全阀和第三压力传感器；所述恒温缓冲器与第一单向阀的公共连接端还连接有第二气控针阀、第一消声器；所述恒温缓冲器与第一气控针阀之间还连接有泄压阀、第二消声器。
19.采用上述方案，本发明的有益效果是：
20.1)通过轴向拉压模块和内压控制模块的相互配合，实现了包壳管内压疲劳和外拉压疲劳同步试验的模拟工况，获得了同步试验的实时研究数据，完全实现了核电材料包壳管的疲劳强度试验，进而可以优化包壳管的设计、生成等等环节，以提高核电应用的安全使用性；
21.2)内压控制模块采用pwm高频无泄漏电磁阀进行泄压控压，消除充压过程中，因高温真空炉的温度变化而带来的压力波动问题，同时，采用恒温缓冲器消除环境温度变化对压力波动的影响，可实现输出压力可调、升压速率可调、长周期内输出高精度稳定的压力等功能，同时，可减少空压机工作时间和启动频率，达到节能的目的；
22.3)基于3d蠕变测量模块，可实现对包壳管的轴向、径向变形量的非接触式实时测量，相比常规的接触式测量方式，可消除因包壳管震动而影响测量精度的问题，进而提高测量精度；
23.4)在包壳管内部还添加有一定壁厚的芯轴，芯轴的存在有效保障了施加于包壳管上力的均匀性，不会造成包壳管的塌陷等现象出现，进而提高测量的成功率。
附图说明
24.图1为本发明的原理图；
25.图2为本发明的内压控制模块的原理图；
26.其中，附图标识说明：
27.1—高温真空炉；
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2—轴向拉压模块；
28.3—内压控制模块；
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4—3d蠕变测量模块；
29.5—夹具；
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21—伺服电机；
30.22—减速机；
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23—同步带组件；
31.24—丝杆组件；
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25—第一压力传感器；
32.31—气源；
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32—增压组件；
33.33—控压组件；
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34—保温组件；
34.321—气驱增压泵；
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322—空压机；
35.323—电气比例阀；
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324—压力开关；
36.325—气体过滤器；
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326—调压阀；
37.327—气控电磁阀；
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331—第二压力传感器；
38.332—气控球阀；
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333—减压阀；
39.341—第一单向阀；
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342—第一气控针阀；
40.343—安全阀；
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344—第三压力传感器；
41.345—第二气控针阀；
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346—第一消声器；
42.347—泄压阀；
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348—第二消声器。
具体实施方式
43.以下结合附图和具体实施例，对本发明进行详细说明。
44.参照图1至2所示，本发明提供一种核燃料包壳管双轴蠕变测试系统，包括：
45.高温真空炉1，所述高温真空炉1上还安装有夹持模块，夹持模块用于将布置于高温真空炉1内的待测试的包壳管夹持固定；
46.轴向拉压模块2，所述轴向拉压模块2与夹持模块连接，轴向拉压模块2用于经夹持模块对待测试的包壳管进行反复拉压；
47.内压控制模块3，所述内压控制模块3与待测试的包壳管连接，用于对包壳管内部进行增压；
48.3d蠕变测量模块4，所述3d蠕变测量模块4用于测量包壳管在经轴向拉压模块2对其拉压时的轴向变形量，以及在经内压控制模块3对其内部进行增压时的周向上的变形量。
49.其中，所述高温真空炉1的正面和背面还各布置一观察窗；所述3d蠕变测量模块4包括两个图像采集组件，两图像采集组件分别靠近一观察窗布置；每一所述图像采集组件均包括安装支架、以及安装于安装支架上的照明灯和两个摄像头；所述夹持模块包括两夹具5，且两夹具5分别布置于高温真空炉1的一端；所述包壳管连接于两夹具5之间；所述轴向拉压模块2包括伺服电机21、与伺服电机21连接的减速机22、与减速机22连接的同步带组件23，以及与其中一夹具5连接的丝杆组件24；所述伺服电机21用于经同步带组件23驱动丝杆组件24运转，所述丝杆组件24用于驱动夹具5平移以向包壳管施加拉力或压力；所述丝杆组件24与夹具5的连接处还安装有第一压力传感器25；所述内压控制模块3包括气源31、增压组件32、控压组件33；所述气源31用于向包壳管提供增压用的气体介质；所述控压组件33与气源31连接，控压组件33用于调节气源31提供的气体介质的压力；所述增压组件32连接于控压组件33与包壳管之间，增压组件32用于对气体介质进行增压，并将增压后的气体介质输出至包壳管内。
50.所述增压组件32与包壳管之间还连接有保温组件34，保温组件34用于对增压后的气体介质进行保温；所述增压组件32包括连接于控压组件33与保温组件34之间的气驱增压泵321，以及用于为气驱增压泵321提供动力的气驱组件；所述气驱组件包括空压机322、电气比例阀323；所述空压机322经电气比例阀323与气驱增压泵321连接，且空压机322与电气比例阀323之间还连接有压力开关324、气体过滤器325；所述控压组件33包括依次连接于气
源31与气驱增压泵321之间的第二压力传感器331、气控球阀332、减压阀333；所述保温组件34包括与气驱增压泵321连接的恒温缓冲器，以及安装于恒温缓冲器上的加热器；所述恒温缓冲器与气驱增压泵321之间还连接有第一单向阀341，所述恒温缓冲器与包壳管之间还依次连接有第一气控针阀342、安全阀343和第三压力传感器344；所述恒温缓冲器与第一单向阀341的公共连接端还连接有第二气控针阀345、第一消声器346；所述恒温缓冲器与第一气控针阀342之间还连接有泄压阀347、第二消声器348。
51.本发明工作原理：
52.继续参照图1至2所示，本实施例中，该系统还包括数据采集模块、电气控制模块，以及用于控制各个模块工作的主控模块，主控模块以计算机服务器为基础，采用通讯的方式分别和其他各个模块进行通讯交互，发送控制命令给各个模块，并实时监控各模块的运行状况和实时获取数据采集信息；数据采集模块利用板卡结合的方式从其他模块中的器件，如压力传感器，摄像头等获取相应的数据信息，并传送至后台进行处理分析；该系统通过轴向拉压模块2和内压控制模块3的相互配合，实现了包壳管内压疲劳和外拉压疲劳同步试验的模拟工况，获得了同步试验的实时研究数据，完全实现了核电材料包壳管的疲劳强度试验，进而可以优化包壳管的设计、生成等等环节，以提高核电应用的安全使用性，具体地：
53.3d蠕变测量模块4：该实施例中，高温真空炉1的正面和背面各布置一观察窗，每一观察窗处布置两个摄像头，最大视角可达到240
°
的三维测量，可最大限度的观察和测量包壳管的轴向、周向方向上的变形量，可以任意读取相关区域的变形量数据，便于后续的研究工作的展开，该实施例中，3d蠕变测量模块4是基于vic-3d测量系统(非接触全场应变测量系统)进行实时拍照采集分析试验过程中包壳管的轴向、径向的应力、应变变化数据，并将得到的应变数据以及相应曲线输出后台进行处理分析，在进行实时测量时，需预先在被测对象表面(即包壳管)制作高对比度的随机散斑场，之后，由摄像头对特定散斑场图像的同一区域进行图像采集，采集完成后，将摄像头采集的图像数据按时间序列进行编组，对每组图像中的同一目标点进行关联分析；随后，利用摄像头拍摄变形前后的包壳管表面的数字散斑图像，通过匹配变形前后散斑图像中的对应图像的像素集合和像素的灰度值，从而获得包壳管的位移量；最后，再基于已获得的包壳管表面的位移量信息，基于fea/fem分析理论，即可得到包壳管各点的应变信息，即包壳管的轴向、周向(径向)变形量，其中，其具体的图像匹配和分析过程如下：
54.1)在参考图像(未变形的图像)定义一个像素集合，并将其命名为subset；
55.2)基于subset，在变形的图像中去匹配，寻找最佳的subset，其中一个subset只在其中心生成一个数据点；
56.3)匹配完成后，即可得到该点相对于变形前的位移信息。
57.为消除人为震动等因素影响测量精度，该实施例中，每一图像采集组件还包括安装支架，摄像头和照明灯固定安装于安装支架上，保证摄像头与待测量的包壳管之间相对固定，可消除因包壳管震动而影响测量精度的问题，进而提高测量精度。
58.轴向拉压模块2：该实施例中，轴向拉压模块2还包括安装机架，安装机架呈双立柱门式结构，通过伺服电机21经同步带组件23(包括同步齿形带、齿轮)驱动丝杆组件24运转，进而带动夹具5移动，从而给包壳管施加拉力或压力，以达到测量其轴向变形量的目的，简
单高效，同时，在丝杆组件24与夹具5的连接处还安装有第一压力传感器25，通过第一压力传感器25反馈的压力信号来实现闭环控制，可以精准的控制包壳管在长期蠕变状态下的受力状态，进而保证测量精度。
59.内压控制模块3：该实施例中，气源31为高纯氩气瓶，其经过高压软管与控压组件33连接，可为包壳管提供高纯氩气，即增压用的气体介质；控压组件33可对高纯氩气瓶提供的气体介质的压力进行调节，保证气体介质的气压的稳定性，从而便于增压组件32对平稳的气体介质进行增压输出；增压组件32连接在控压组件33与包壳管之间，可将气体介质增压至预设值并输出至包壳管内以对其进行增压，进而实现对包壳管周向变形量的测量，此外，在测量过程中，为避免因温差，如季节性变化、昼夜交替等影响增压组件32输出的气体介质的压力稳定性，在增压组件32与包壳管之间连接一保温组件34，保温组件34可对气体介质进行加热保温，进而保证流入包壳管内的气体介质的温度处于恒温状态，从而降低温差对气体介质压力的影响，提高测量精度。
60.此外，增压组件32包括气驱增压泵321，气驱增压泵321可对气体介质进行增压，其是利用大面积活塞的低气压产生小面积活塞的高压，其增压稳定、易于调节、方便安全；该实施例中，空压机322可为气驱增压泵321提供压缩空气以驱动其工作，同时，为保证输出至气驱增压泵321的压缩气体的气压稳定性，还设有一电气比例阀323，可对压缩空气的压力进行精确调节；此外，在空压机322与电气比例阀323之间还依次连接有压力开关324和气体过滤器325，通过气体过滤器325可对空压机322提供的压缩空气进行过滤，进而避免杂质流入至气驱增压泵321，造成堵塞；同时，在气体过滤器325与电气比例阀323之间还连接一调压阀326，调压阀326连接有若干个气控电磁阀327(pwm高频无泄漏电磁阀)，通过调压阀326及气控电磁阀327可对其他模块(如控压组件33)提供驱动气体，以驱动其正常工作。
61.该实施例中，控压组件33包括依次连接于气源31与气驱增压泵321之间的第二压力传感器331、气控球阀332、减压阀333；通过减压阀333可对气源31提供的气体介质的压力进行初步调节，保证流入至气驱增压泵321内的气体介质的压力稳定性；第二压力传感器331用于检测气源31提供的气体介质的压力值，并反馈至后台，后台可通过减压阀333调节气体介质的压力，提高压力调节的精度(形成闭环控制)；同时，通过气控球阀332(通过气控电磁阀327控制其开闭)实现气源31输入的气体介质的导通及截止；保温组件34包括一恒温缓冲器，恒温缓冲器上安装有加热器(可为加热电阻丝)，可对恒温缓冲器进行加热并保温，经气驱增压泵321增压后的气体介质会流入至恒温缓冲器进行保温，再流入至包壳管内，进而消除环境温度变化对压力波动的影响，同时，在恒温缓冲器与包壳管之间还连接有第一气控针阀342、安全阀343、第三压力传感器344，通过第一气控针阀342控制气体介质的导通及截止，设置安全阀343可提高工作的安全性，通过第三压力传感器344可测量流入包壳管内的气体介质的压力，以便形成闭环控制，保证压力输出稳定；此外，还设有第二气控针阀345、泄压阀347，可将气体介质排泄至外界进行泄压，还设有第一消声器346、第二消声器348，可降低气体排泄的噪音。
62.高温真空炉1：高温真空炉1是一种在接近真空状态下(通过真空泵等其他元件对炉内抽真空)通过电热元件(电阻炉丝等)进行加热的工业炉，其周期工作温度≥500℃，最大为550℃，炉内温度偏差小、温度均匀、可模拟包壳管真实的工作环境，保证包壳管在真实的环境下进行轴向、周向变形量测量；包壳管布置于高温真空炉1内，并通过两夹具5夹持固
定，在包壳管内部还添加有一定壁厚的芯轴，芯轴的存在有效保障了施加于包壳管上力的均匀性，不会造成包壳管的塌陷等现象出现，进而提高测量的成功率；同时，该实施例中，采用三测三控的方式来达到精准控制包壳管表面温度的目的，即还设有3个温度传感器，3个温度传感器可采用高精度的k型热电偶温度探头，且可经钢丝分别固定于包壳管的前、中、后上(分别对包壳管的前、中、后的位置进行测温控温)，提高其温度测量的精确性，此外，高温真空炉1还连接有风冷式水冷机，测量结束后，可对其进行降温，使高温真空炉1表面温度接近常温，提高操作人员的安全性。
63.以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。