现场对密集管束直径及氧化膜厚度进行测量的装置和方法与流程

本发明属于核工业检测技术领域，具体涉及一种现场对密集管束直径及氧化膜厚度进行测量的装置和方法。

背景技术：

在某燃料棒材料研制过程中，将不同型号的锆合金材料制备成类似于可燃毒物的样管束插入燃料组件中进行辐照考验，经过若干个考验循环后，需要测量出样管束辐照后尺寸的微小变化，比如直径以及氧化膜厚度的微小变化。

样管束由16根3m细长的考验样管和若干根短棒组成，且仅上端相对位置固定，布置较为密集，且下端自由，在水中像风铃一样，水下对其进行全行程任意位置尺寸测量，难度巨大。目前，尚未有成熟的检测装置能在乏燃料水池进行样管束的直径以及氧化膜厚度测量。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是现有现场对于密集管束直径及氧化膜厚度测量时难以进行全行程任意位置尺寸测量，测量的误差大，其目的在于提供一种现场对密集管束直径及氧化膜厚度进行测量的装置和方法，该装置和方法能够在现场对密集管束直径及氧化膜厚度进行全行程任意位置的精确测量，而且测量高效、安全、可靠。

本发明通过下述技术方案实现：

现场对密集管束直径及氧化膜厚度进行测量的装置，包括安装在测量台架上的若干个棒径测量单元和若干个氧化膜厚度测量单元，所述棒径测量单元均设置在同一水平面内，氧化膜厚度测量单元均设置在同一水平面内，每个棒径测量单元内部和每个氧化膜厚度测量单元内部均设置有供样管穿过的通道，且每个棒径测量单元的通道对应与其中一个氧化膜厚度测量单元的通道同轴。在核电厂中，样管束经过循环使用后，其直径以及氧化膜的厚度会产生变化，需要将这些变化测量出来，如果将其完全拆卸下来，送到实验室中单独对每根样管进行测量，借助先进的测量仪器和手段，能够实现全行程任意位置的精确测量，但是整个过程繁琐，而且要对样管进行拆装，造成等待时间长，而且拆装过程甚至会造成样管所处的环境变化而使得测量结果受到影响，同时样管本身又具有高放射性，对人体危害性大，需要专门的运输，非常麻烦。因此最好能够在现场直接对样管进行测量，而现场的样管束由16根3m细长的考验样管和若干根短棒组成，且仅上端相对位置固定，布置较为密集，相邻样管之间的距离小，测量仪器无法进入到其中，而且样管的下端自由，在水中像风铃一样随着水流摆动，测量仪器插入后容易产生碰撞，同时晃动的样管也造成测量设备无法进行准确测量，现有的测量结构和方法无法在水下对其进行全行程任意位置尺寸测量，测量的难度大，误差大。本方案则能够解决上述问题，其通过设计独特的结构，在现场根据密集样管束的排列位置，形成对应的布置关系，能够将单一区域的样管一次性容纳并固定，再利用安装在测量台架上的棒径测量单元和氧化膜厚度测量单元，实现对该区域的样管束的直径及氧化膜厚度进行全行程任意位置的精确测量，由于是将样管束进行了固定而且批量测量，使得测量的效率更高，同时也不需将样管拆卸，而且样管之间进行了固定，其不会产生晃动，同时无人为接触，测量过程更加安全，测量得到的数据更加可靠。

测量台架是用于对整个测量装置的固定结构，测量台架包括定位管、主支撑板、棒径测量单元定位板、氧化膜测量单元定位板和抓具定位板，定位管的顶端与主支撑板固定，从下至上棒径测量单元定位板、氧化膜测量单元定位板和抓具定位板依次设置在主支撑板上方且彼此固定，棒径测量单元均设置在棒径测量单元定位板和氧化膜测量单元定位板之间并与棒径测量单元固定，氧化膜厚度测量单元均设置在氧化膜测量单元定位板和抓具定位板之间并与氧化膜测量单元定位板固定。使得在整个测量过程中保持稳定，不会由于水流或者设备移动时产生的摩擦力或者其它接触力而导致测量单元出现移动，影响测量结果。主支撑板工作时放置在乏燃料格架上端，承载测量装置的重量。

棒径测量单元均包括安装座，安装座固定在棒径测量单元上，安装座中设置有导向杆一，导向杆一上套有移动块一和移动块二，且移动块一和移动块二均能够在导向杆一上沿着导向杆一的轴线方向移动，导向杆一上还套有弹簧一，弹簧一设置在移动块一或移动块二和安装座内壁之间，且弹簧一能够在导向杆一上沿着导向杆一的轴线方向伸缩，移动块一和移动块二之间设置有棒径测量座，棒径测量座穿过安装座并与安装座固定，导向杆一的数量优选为两根且相互平行，棒径测量座设置在导向杆一之间，棒径测量座朝向移动块一和移动块二的外壁内凹形成缺口，且缺口与棒径测量座的内腔连通，缺口中均设置有接触棒，接触棒分别与对应的移动块一或移动块二固定，移动块一或移动块二上安装有位移传感器。棒径测量单元用于测量单一点的棒径，棒径测量座对移动块一和移动块二有位置限制作用，防止移动块一和移动块二靠得太近造成燃料棒无法插入。在工作时，燃料棒插入对应的棒径测量单元，使接触棒撑开，进一步使移动块一和移动块二移动，并带动微小位移传感器的移动，从而对棒径进行测量。位移传感器是现有结构，用于对微小位移进行显示，其精确度高，能够在市面上购买到。

氧化膜厚度测量单元为接触式结构，设有水平方向移动的自适应二维移动平台，氧化膜厚度测量单元均包括底部氧化膜厚度测量座，底部氧化膜厚度测量座与氧化膜测量单元定位板固定，底部氧化膜厚度测量座中设置有导向杆二，导向杆二上套有弹簧二和上部氧化膜厚度测量座，弹簧二设置在上部氧化膜厚度测量座和底部氧化膜厚度测量座内壁之间，且上部氧化膜厚度测量座能够在导向杆二上沿着导向杆二的轴线移动，弹簧二能够在导向杆二上沿着导向杆二的轴线伸缩，这样构成x向自适应移动平台；上部氧化膜厚度测量座中设置有导向杆三，导向杆三上同时套有弹簧三、移动块三和移动块四，弹簧三设置在移动块三或移动块四与上部氧化膜厚度测量座内壁之间，且移动块三和移动块四均能够在导向杆三上沿着导向杆三的轴线方向移动，弹簧三能够在导向杆三上沿着导向杆三的轴线方向伸缩，且导向杆三的轴线和导向杆二的轴线垂直，这样构成y向自适应平台，移动块三和移动块四之间设置有氧化膜厚度测量座，且氧化膜厚度测量座穿过上部氧化膜厚度测量座并与上部氧化膜厚度测量座固定，导向杆三的数量优选为两根且相互平行，氧化膜厚度测量座设置在导向杆三之间，氧化膜厚度测量座朝向移动块三和移动块四的壁面均内凹形成安装槽，且安装槽均与氧化膜厚度测量座的内腔连通，移动块三上安装有氧化膜厚度测量传感器，氧化膜厚度测量传感器的一端插入到朝向移动块三的安装槽中，移动块四上安装有导向轮，且导向轮能够沿着轴线转动，导向轮的轮面设置在朝向移动块四的安装槽中。由于现场测量时样管无法转动，工作时，燃料棒插入氧化膜厚度测量单元，在导向轮的作用下，通过自适应二维移动平台的调整，燃料棒处在氧化膜厚度测量传感器的正中，实现在单一点的厚度测量。氧化膜厚度测量传感器是微小位移传感器，用于对微小位移状态进行显示，其精确度高，能够在市面上购买到。

为了实现将主支撑板、棒径测量单元定位板、氧化膜测量单元定位板和抓具定位板进行固定，在主支撑板上设置有若干根定位销，由于主支撑板、棒径测量单元定位板、氧化膜测量单元定位板和抓具定位板外形呈四边形，所以定位销优选为四根，其对应设置在四个角处，且每根定位销均同时穿过主支撑板、棒径测量单元定位板、氧化膜测量单元定位板和抓具定位板。

抓具定位板上设置四个定位孔，定位孔分别设置在抓具定位板的四个角处，定位孔是用于抓具的定位。

为了对测量过程进行监测，设置了摄像头，摄像头的数量优选为两个，都采用高清摄像头，使得检测效果更好。摄像头都进行水平设置，用于监测整个测量过程，每个摄像头分别用于对棒径测量单元和氧化膜厚度测量单元进行拍摄。

现场对密集管束直径及氧化膜厚度进行测量的方法，包括以下步骤：

（1）将检测装置吊入乏燃料水池，使定位管插入乏燃料贮存格架组件孔中，主支撑板置于乏燃料贮存格架上；

（2）使用抓具将辐照样管束从组件中抓出，移至测量台架上方，调整朝向后将定位棒插入测量台架的抓具定位板中，并做好标识；

（3）操作抓具将辐照样管束插入测量台架，将棒径测量单元出现数据时，记录此时的抓具的z向坐标；

（4）以步骤三中z向坐标为基准，驱动抓具进行插棒，能够同时进行8根辐照考验样管竖向全行程任意位置棒径和氧化膜厚度测量；

（5）待8根辐照考验样管测量完成后，将辐照考验样管束提出测量台架，并按照步骤二的标识顺时针旋转90º，重复步骤二至步骤四，完成剩余8根辐照考验样管束的棒径和氧化膜厚度测量。

本发明通过上述测量方法，能够在现场直接对水下高放射性密集管束进行直径及氧化膜厚度测量，在整个测量过程中，样管之间无碰撞并且位置被固定，通过接触式测量，预先通过插入标准杆设定标准值，利用传感器对直径和厚度进行测量，得到准确的测量数值，在整个测量过程中，由于样管束无法转动，其所测量到的点从样管的整个行程来看，都是全行程任意竖向位置的测量，整个测量过程无人体直接接触，防止辐射伤害，同时由于是在现场进行直接测量，不需对样管进行拆卸，而且呈批量的测量，大大提高了测量效率，人们只需根据测量需要实现对不同竖向位置的测量，根据传感器反馈的信号得到准确的数值，满足需求，整个测量结果可靠。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明通过将密集管束进行分类，能够在现场直接对密集管束直径及氧化膜厚度进行全行程任意位置的精确测量；

2、本发明在测量过程无人体直接接触，其通过传感器对直径及氧化膜厚度的微小变化进行测量，检测更加安全、高效、可靠；

3、本发明充分考虑了某一测量单元发生故障时，仍然能完成测量工作。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明结构示意图；

图2为棒径测量单元的结构示意图；

图3为氧化膜测量单元的结构示意图；

图4为氧化膜测量单元布局图；

图5为燃料棒插入时的测量示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-摄像头一，2-定位销，3-氧化膜测量单元定位板，4-摄像头二，5-主支撑板，6-定位管，7-吊耳，8-棒径测量单元定位板，9-抓具定位板，10-辐照样管束，11-位移传感器，12-弹簧一，13-接触棒，14-棒径测量座，15-氧化膜厚度测量传感器，16-移动块三，17-氧化膜厚度测量座，18-导向轮，19-上部氧化膜厚度测量座，20-移动块四，21-底部氧化膜厚度测量座，22-弹簧三，23-导向杆三，24-导向杆一，25-安装座，26-移动块一，27-移动块二。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1：

如图1至图5所示，本发明涉及核电厂及研究堆辐照后的在现场对高放射性密集样管的直径及氧化膜厚度测量装置和方法，辐照样管束由16根辐照样管组成，布局对应图4外围16个位置，本实施例针对16根辐照样管进行棒径和氧化膜厚度测量。其硬件结构包括安装在测量台架上的8个棒径测量单元和8个氧化膜厚度测量单元，对应于辐照样管束的结构，可以根据辐照管束的结构进行调整，其中棒径测量单元均设置在同一水平面内，氧化膜厚度测量单元均设置在同一水平面内，氧化膜厚度测量单元设置在棒径测量单元上方，每个棒径测量单元内部和每个氧化膜厚度测量单元内部均设置有供样管穿过的通道，且每个棒径测量单元的通道对应与其中一个氧化膜厚度测量单元的通道同轴，即在进行测量时，每根样管必能同时插入一个插入氧化膜厚度测量单元和棒径测量单元，每个氧化膜厚度测量单元对应与一个棒径测量单元成组配套。

而测量台架包括定位管6、主支撑板5、棒径测量单元定位板8、氧化膜测量单元定位板3和抓具定位板9，定位管6的顶端与主支撑板5固定，定位管6是用于对样管进行定位固定的装置，其中棒径测量单元定位板8、氧化膜测量单元定位板3和抓具定位板9均设置在主支撑板5上方，棒径测量单元定位板8和氧化膜测量单元定位板3设置在抓具定位板9和主支撑板5之间，棒径测量单元定位板8设置在氧化膜测量单元定位板3和主支撑板5之间，主支撑板5四个角上分别设置有吊耳7，主支撑板5上设置有四根定位销2，且每根定位销2均同时穿过主支撑板5、棒径测量单元定位板8、氧化膜测量单元定位板3和抓具定位板9进行固定。还在抓具定位板9上设置四个定位孔，定位孔分别设置在抓具定位板9的四个角处来用于抓具的定位。而棒径测量单元均设置在棒径测量单元定位板8和氧化膜测量单元定位板3之间并与棒径测量单元固定，氧化膜厚度测量单元均设置在氧化膜测量单元定位板3和抓具定位板9之间并与氧化膜测量单元定位板3固定。为了实现对整个测量过程的监测，设置了两个摄像头，分别命名为摄像头一1和摄像头二4，摄像头一1和摄像头二4均水平设置，摄像头一1用于对氧化膜厚度测量单元的测量过程进行拍摄，摄像头二4用于对棒径测量单元的测量过程进行拍摄。

而棒径测量单元均包括安装座25，安装座25固定在棒径测量单元8上，为了使得结构更加紧凑，在安装座25顶面内凹形成凹槽，导向杆一24在安装座25的凹槽中，导向杆一24上套有移动块一26和移动块二27，且移动块一26和移动块二27均能够在导向杆一24上沿着导向杆一24的轴线方向移动，导向杆一24上还套有弹簧一12，弹簧一12设置在移动块一26或移动块二27和安装座25内壁之间，且弹簧一12能够在导向杆一24上沿着导向杆一24的轴线方向伸缩，移动块一26和移动块二27之间设置有棒径测量座14，棒径测量座14穿过安装座25并与安装座25固定，导向杆一24的数量为两根且相互平行，用于保证移动时能够保持同一直线，防止部件内部移动误差导致测量数据产生误差，而棒径测量座14设置在导向杆一24之间，棒径测量座14朝向移动块一26和移动块二27的外壁内凹形成缺口，且缺口与棒径测量座14的内腔连通，缺口中均设置有接触棒13，接触棒13分别与对应的移动块一26或移动块二27固定，接触棒13是用于与样管外壁接触的部件，在样管为插入时，弹簧一12处于正常状态，此时接触棒13是在缺口内，即位于棒径测量座14的内腔中，当插入样管后，由于样管本身的直径比棒径测量座14的内径略小，如果样管直径没有变化，接触棒13被挤开，移动块一26和移动块二27产生移动，其在位移传感器11上产生的数据与预先设定的标准值一致，根据插入位置的不同，随着样管的直径变化，位移传感器11能够将每个位置的棒径都测量出来，测量的数值准确，具体的计算过程都是现有的，对于本领域技术人员都是现有的。

而氧化膜厚度测量单元均包括底部氧化膜厚度测量座21，底部氧化膜厚度测量座21与氧化膜测量单元定位板3固定，底部氧化膜厚度测量座21顶面内凹形成安装槽，两根导向杆二设置在底部氧化膜厚度测量座21的安装槽中，导向杆二上套有弹簧二和上部氧化膜厚度测量座19，弹簧二设置在上部氧化膜厚度测量座19和底部氧化膜厚度测量座21内壁之间，且上部氧化膜厚度测量座19能够在导向杆二上沿着导向杆二的轴线移动，弹簧二能够在导向杆二上沿着导向杆二的轴线伸缩，形成x向自适应调整；上部氧化膜厚度测量座19顶面也内凹形成安装槽，导向杆三23设置在上部氧化膜厚度测量座19中的安装槽中，形成整体上的紧凑。导向杆三23上同时套有弹簧三22、移动块三16和移动块四20，弹簧三22设置在移动块三16或移动块四20与上部氧化膜厚度测量座19内壁之间，且移动块三16和移动块四20均能够在导向杆三23上沿着导向杆三23的轴线方向移动，弹簧三22能够在导向杆三23上沿着导向杆三23的轴线方向伸缩，且导向杆三23的轴线和导向杆二的轴线垂直，移动块三16和移动块四20之间设置有氧化膜厚度测量座17，且氧化膜厚度测量座17穿过上部氧化膜厚度测量座19并与上部氧化膜厚度测量座19固定，导向杆三23的数量为两根且相互平行，氧化膜厚度测量座17设置在导向杆三23之间，氧化膜厚度测量座17朝向移动块三16和移动块四20的壁面均内凹形成安装槽，且安装槽均与氧化膜厚度测量座17的内腔连通，移动块三16上安装有氧化膜厚度测量传感器15，氧化膜厚度测量传感器15的一端插入到朝向移动块三16的安装槽中，移动块四20上安装有导向轮18，且导向轮18能够沿着轴线转动，导向轮18的轮面设置在朝向移动块四20的安装槽中。当样管插入到氧化膜厚度测量座17中，随着样管卡入到导向轮18的轮面凹槽中，形成夹紧定位，随着导向轮18的转动，也使对样管移动过程进行导向，在这个过程中，对氧化膜厚度测量传感器15进行挤压，使得氧化膜厚度测量传感器15产生对应的位移，根据位移数据来进行测量，其测量数据与预选设定的标准值进行对比，详细的计算方法都是本领域技术人员公知的。

棒径测量单元和氧化膜厚度测量单元均按照附图4的布置方式分别布置在棒径测量单元定位板和氧化膜厚度测量单元定位板上。通过以上布局，一次性可以检测8根燃料棒的棒径和氧化膜厚度，

其具体测量方法的步骤如下：

步骤一、通过四个吊耳7将检测装置吊入乏燃料水池，使定位管6插入乏燃料贮存格架组件孔中，主支撑板5置于乏燃料贮存格架上。

步骤二、预先插入一根标准棒，通过棒径测量单元和氧化膜厚度测量单元测量出数值，作为标准值，使用核电厂可燃毒物抓具将辐照样管束从组件中抓出，移至测量台架上方，并选择合适的朝向将可燃毒物的定位棒插入测量台架的抓具定位板中，并做好标识；

步骤三、操作可燃毒物抓具使用低速档将辐照样管束插入测量台架，当棒径测量单元出现数据与标准值相同时，则说明此时棒径为标准棒径相同，将此时传感器显示的数值作为标准点，记录此时的可燃毒物抓具的z向坐标作为起始点；

步骤四、以步骤三中z向坐标为基准，使用低速档驱动可燃毒物抓具进行缓慢插棒，同时测量单元如附图5进行8根辐照考验样管全行程任意位置棒径和氧化膜厚度测量。

步骤五、待8根辐照考验样管测量完成后，将辐照考验样管束提出测量台架，并按照步骤二的标识顺时针旋转90º，重复步骤二至步骤四，完成剩余8根辐照考验样管束的棒径和氧化膜厚度测量。

通过本实施例，有效地解决了散乱的样管束直径以及氧化膜厚度测量的难题，能够在现场成批量实现对水下高放射性的密集管束的棒径和氧化膜厚度进行准确的测量，在整个测量过程无人体接触和操作，安全性高，而且测量过程不会因为水流的扰动而产生变化，测量得到的数据可靠。

实施例2：

如图1至图5所示，本实施例针对16根辐照样管进行棒径和氧化膜厚度测量，a1b1，a2b2，a3b3，a4b4测量单元互为备份，若某一测量单元发生故障，可以通过旋转组件采用备用测量单元进行检测，提高了测量效率。即当实施例1中某一测量单元发生故障时，测量实施如下：

步骤一、与实施例1相同，通过四个吊耳7将检测装置吊入乏燃料水池，使定位管6插入乏燃料贮存格架组件孔中，主支撑板置于乏燃料贮存格架上。

步骤二、与实施例1相同，预先插入一根标准棒，通过棒径测量单元和氧化膜厚度测量单元测量出数值，作为标准值，使用核电厂可燃毒物抓具将辐照样管束从组件中抓出，移至测量台架上方，并选择合适的朝向将可燃毒物的定位棒插入测量台架的抓具定位板中，并做好标识；

步骤三、与实施例1相同，操作可燃毒物抓具使用低速档将辐照样管束插入测量台架，当棒径测量单元出现数据与标准值相同时，则说明此时棒径为标准棒径相同，将此时传感器显示的数值作为标准点，记录此时的可燃毒物抓具的z向坐标作为起始点；

步骤四、以步骤三中z向坐标为基准，使用低速档驱动可燃毒物抓具进行缓慢插棒，同时测量单元如附图5进行7根辐照考验样管全行程任意位置棒径和氧化膜厚度测量。

步骤五、待7根辐照考验样管测量完成后，将辐照考验样管束提出测量台架，并按照步骤二的标识顺时针旋转90º，并做好标识，重复步骤二至步骤四，完成7根辐照考验样管束的棒径和氧化膜厚度测量；

步骤六、待7根辐照考验样管测量完成后，将辐照考验样管束提出测量台架，并按照步骤五的标识顺时针旋转90º，并做好标识，重复步骤二至步骤四，完成未测量的1根辐照考验样管束的棒径和氧化膜厚度测量；

步骤七、待步骤6中的辐照考验样管测量完成后，将辐照考验样管束提出测量台架，并按照步骤六的标识顺时针旋转90º，重复步骤二至步骤四，完成最后一根未测量的辐照考验样管束的棒径和氧化膜厚度测量。

通过本实施例，有效地解决了散乱的样管束直径以及氧化膜厚度测量的难题，能够在现场成批量实现对水下高放射性的密集管束的棒径和氧化膜厚度进行准确的测量，在整个测量过程无人体接触和操作，安全性高，而且测量过程不会因为水流的扰动而产生变化，测量得到的数据可靠。在某一测量单元损坏时，也能够进行相应的调整，还是能实现批量测量，提高了测量效率。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。