一种反应堆控制棒步进载荷测试系统及其使用方法与流程

本发明涉及核工程载荷测量技术，具体涉及一种反应堆控制棒步进载荷测试系统及其使用方法。

背景技术：

反应堆控制棒驱动线包括驱动机构、导向组件、燃料组件和控制棒组件等。控制棒组件在控制棒驱动机构的驱动下，在堆芯内上、下步进运动，调节反应堆功率，执行停堆功能。在控制棒驱动机构运行过程中，随着寿命的增加、磨损、机械阻力增大的因素，其驱动力将发生变化，需要增大驱动电流，以补偿驱动力的降低；控制棒驱动机构带动棒组件步进运动过程中控制棒组件承受的步进载荷，影响到驱动杆和控制棒组件的安全运行和使用寿期。因此获得控制棒组件在步进运动过程中承受的步进载荷极其重要。

控制棒驱动机构产生的提升(或下降)力通过驱动杆与控制棒组件相连接，控制棒在燃料组件和导向组件中运动，整个控制棒驱动线内部充满水，可达性差，难以直接测量步进载荷。

本测试方法是专门针对反应堆控制棒驱动线在安装状态下，控制棒组件在驱动机构驱动下进行步进运动过程中承受的载荷测试而设计。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：采用应变进行测量，从而实现对控制棒的载荷冲击测试。

本发明通过下述技术方案实现：

一种反应堆控制棒步进载荷测试系统，包括反应堆控制棒驱动线模拟实堆结构、数据采集系统；

所述反应堆控制棒驱动线模拟实堆结构包括支撑筒体，插入支撑筒体内的控制棒驱动线试验件，所述控制棒驱动线试验件包括驱动机构、驱动杆、控制棒组件、燃料组件；

还包括至少1个应变计组，所述应变计组中包括至少1个在驱动杆侧壁沿驱动杆轴向安装的应变计，应变计组的输出信号传输到数据采集系统。

本发明的设计原理为：本发明是一种反应堆控制棒步进载荷测试系统，具体涉及一种可用于反应堆控制棒驱动线在安装状态下，控制棒组件在控制棒驱动机构的作用下提升和下插过程中，控制棒组件所承受步进载荷的测试系统。

在传统的载荷测试构思中，一般对轴向载荷测试采用的方法是利用拉力进行直接测量，即在控制棒组件与驱动杆之间设置拉力测量装置，利用拉力测量直接获得载荷力。该方法无法使得控制棒组件原本的高度下降，且其内部采用水填充，因此，改变了原结构，无法真实反映载荷实际情况。为了解决该问题，本发明采用应变测量，在驱动杆侧壁沿驱动杆轴向安装应变计，通过获得应变值，进行计算获得驱动杆收到控制棒组件的提升和下插过程中所承受步进载荷。

因此，需要构建上述步进载荷测试系统，其中，上述沿驱动杆轴向安装应变计是指：将应变计的测试方向与驱动杆轴向一致，即试行轴向载荷测量。

同时，在常规的载荷测量技术中，一般根据公式：σ＝p/a，σ为应力，p为载荷；a为试样的原始截面积，σ＝e*ε，σ为应力，e为试样材料弹性模量；ε为应变。因此，可以根据e、ε、a对p进行计算，其中p＝e*a*ε；但是，在本发明中，由于试样对象是驱动杆，其驱动杆的横切面中存在很多空洞，且形状并非规则结构，其材料密度存在变化，因此可以看出，其截面积和弹性模量很难获得合理的准确值。因此，为了克服该问题。本发明采用标定法进行测量。

标定过程为：在驱动机构驱动驱动杆带动控制棒组件完全抽出燃料组件悬挂时，通过应变计组的输出信号获得当前的应变值ε1，将控制棒组件的重力fm视为驱动杆应变测试部位受到竖向载荷f1，计算得出应变值ε1与驱动杆应变测试部位受到竖向载荷f1的关系因子k，此时的控制棒组件的重力fm＝mg，m为控制棒组件的重量，g为重力加速度。

步进载荷测量过程为：通过上述标定过程获得标定的关系因子k后，此时的关系因子可以相当于e*a；因此，在驱动机构步进驱动驱动杆带动控制棒组件时，通过应变计组的输出信号获得当前的应变值ε2，根据应变值ε2与关系因子k获得当前驱动杆应变测试部位受到的竖向步进载荷f2。通过上述过程即可实现在不改变反应堆控制棒驱动线结构的情况下完成对其步进载荷的测量。

上述标定过程和步进载荷测量过程全部采用人工计算；上述标定过程和步进载荷测量过程也可以先人工进行标定过程，然后采用数据采集系统执行步进载荷测量过程的执行程序；也可以同时采用数据采集系统执行上述标定过程的执行程序，然后在执行步进载荷测量过程的执行程序；上述标定过程和步进载荷测量过程也可以先采用数据采集系统执行上述标定过程的执行程序，然后人工进行步进载荷测量过程。

因此，所述数据采集系统具有执行程序1或/和执行程序2；

执行程序1：在驱动机构驱动驱动杆带动控制棒组件完全抽出燃料组件悬挂时，通过应变计组的输出信号获得当前的应变值ε1，将控制棒组件的重力fm视为驱动杆应变测试部位受到竖向载荷f1，计算得出应变值ε1与驱动杆应变测试部位受到竖向载荷f1的关系因子k，此时的控制棒组件的重力fm＝mg，m为控制棒组件的重量，g为重力加速度，

执行程序2：在驱动机构步进驱动驱动杆带动控制棒组件时，通过应变计组的输出信号获得当前的应变值ε2，根据应变值ε2与关系因子k获得当前驱动杆应变测试部位受到的竖向步进载荷f2。

优选的技术方案为：

由于测试是在水环境下进行的，因此存在温度影响，同时驱动杆受弯曲容易形成误差影响，为了克服该问题，本发明所述应变计组包括2个在驱动杆侧壁沿驱动杆轴向安装的应变计和2个在在驱动杆侧壁沿驱动杆周向安装的应变计，沿驱动杆轴向安装的应变计为工作应变计，沿驱动杆周向安装的应变计为补偿应变计，2个工作应变计和2个补偿应变计采用全桥连接后输出1路输出信号。该结构中工作应变计用于测量轴向应变数值，而补偿应变计采用横向安装测量横向(周向)应变，同时采用全桥进行信号合并，保证了整个试验中数据的稳定性和准确性。

为了避免个别信号的不稳定和噪点的问题，本发明可以设置多个(至少2个应变计组)采用平均法获得信号。因此数据采集系统在所述应变计组为至少2组时，数据采集系统还用于对所有应变计组的输出信号进行求平均处理。

优选的，为了实现最真实测量数据，反应堆控制棒驱动线模拟实堆结构中的控制棒驱动线试验件与真实反应堆控制棒驱动线等比例。

由于驱动杆主体部分表面存在凸起便于勾爪操作，因此，为了获得良好准确的应变，所述应变计组位于驱动杆的光段。安装时，选择安装形变性能好的应变计，采用ab胶或其他粘合胶进行粘结安装。

优选的，为了实现最真实测量数据，所述反应堆控制棒驱动线模拟实堆结构安装在安装基础内，其中，反应堆控制棒驱动线模拟实堆结构还包括连接于支撑筒体与安装基础之间的关联支撑模拟件一、关联支撑模拟件二、关联支撑模拟件三、关联支撑模拟件四；所述关联支撑模拟件一、关联支撑模拟件二、关联支撑模拟件三、关联支撑模拟件四的厚度、相对高度、距离与实堆对应支撑件一致。

所述应变计的电源导线和输出信号导线从相临于驱动机构的隔热套管的间隙引出，并通过支撑筒体的手孔引出到支撑筒体外。

基于一种反应堆控制棒步进载荷测试系统的使用方法，包括以下步骤：

s1、组装获得上述一种反应堆控制棒步进载荷测试系统，

s2、将支撑筒体内充满介质；

s3、控制驱动机构驱动驱动杆带动控制棒组件完全抽出燃料组件悬挂，利用数据采集系统通过应变计组的输出信号获得当前的应变值ε1；

s4、控制驱动机构步进驱动驱动杆带动控制棒组件，利用数据采集系统通过应变计组的输出信号获得当前的应变值ε2；

s5、通过应变与载荷的标定获得关系因子k：将控制棒组件的重力fm视为驱动杆应变测试部位受到竖向载荷f1，计算得出应变值ε1与驱动杆应变测试部位受到竖向载荷f1的关系因子k，控制棒组件的重力fm＝mg，m为控制棒组件的重量，g为重力加速度；

s6、获得反应堆控制棒的竖向步进载荷f2：根据应变值ε2与关系因子k获得驱动杆应变测试部位受到的竖向步进载荷f2。

所述竖向步进载荷f2＝k*ε2；

所述s4、s5由数据采集系统执行完成或人工计算。

本发明的效果在于：

a.设计了反应堆控制棒运行过程中的步进载荷测试方法；

b.实现了足尺反应堆控制棒驱动线在实堆中安装方式的模拟；

c.采用多个应变计实现了驱动杆在介质中提升和下插过程的应变测量，测试方式补偿了由温度变化和驱动杆受弯曲引起的误差，保证了整个试验中数据的稳定性和准确性；

d.通过载荷与应变标定的方法计算步进载荷，避免了驱动杆应变测试部位截面积计算和材料弹性模量不精确问题。

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为系统架构示意图。

图2为控制棒驱动线试验件的结构示意图。

图3为应变计组在光段的布局图。

图4为2个应变计组分别各有4个应变计组成的2个全桥。

图中的附图标记为：1.控制棒驱动线试验件；2.关联支撑模拟件一；3.安装基础；4.关联支撑模拟件二；5.关联支撑模拟件三；6.支撑筒体；7.关联支撑模拟件四；8.数据采集系统；9.驱动机构控制柜；11、驱动杆；12、光段；13、控制棒组件；14、燃料组件。

具体实施方式

在对本发明的任意实施例进行详细的描述之前，应该理解本发明的应用不局限于下面的说明或附图中所示的结构的细节。本发明可采用其它的实施例，并且可以以各种方式被实施或被执行。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性改进前提下所获得的所有其它实施例，均属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1、图2所示：

一种反应堆控制棒步进载荷测试系统，包括反应堆控制棒驱动线模拟实堆结构、数据采集系统8；

所述反应堆控制棒驱动线模拟实堆结构包括支撑筒体6，插入支撑筒体内的控制棒驱动线试验件1，所述控制棒驱动线试验件1包括驱动机构、驱动杆11、控制棒组件、燃料组件14；

还包括至少1个应变计组，所述应变计组中包括至少1个在驱动杆11侧壁沿驱动杆11轴向安装的应变计，应变计组的输出信号传输到数据采集系统8。

本发明的设计原理为：本发明是一种反应堆控制棒步进载荷测试系统，具体涉及一种可用于反应堆控制棒驱动线在安装状态下，控制棒组件在控制棒驱动机构的作用下提升和下插过程中，控制棒组件所承受步进载荷的测试系统。

在传统的载荷测试构思中，一般对轴向载荷测试采用的方法是利用拉力进行直接测量，即在控制棒组件与驱动杆之间设置拉力测量装置，利用拉力测量直接获得载荷力。该方法无法使得控制棒组件原本的高度下降，且其内部采用水填充，因此，改变了原结构，无法真实反映载荷实际情况。为了解决该问题，本发明采用应变测量，在驱动杆侧壁沿驱动杆轴向安装应变计，通过获得应变值，进行计算获得驱动杆收到控制棒组件的提升和下插过程中所承受步进载荷。

因此，需要构建上述步进载荷测试系统，其中，上述沿驱动杆11轴向安装应变计是指：将应变计的测试方向与驱动杆11轴向一致，即试行轴向载荷测量。

同时，在常规的载荷测量技术中，一般根据公式：σ＝p/a，σ为应力，p为载荷；a为试样的原始截面积，σ＝e*ε，σ为应力，e为试样材料弹性模量；ε为应变。因此，可以根据e、ε、a对p进行计算，其中p＝e*a*ε；但是，在本发明中，由于试样对象是驱动杆11，其驱动杆11的横切面中存在很多空洞，且形状并非规则结构，其材料密度存在变化，因此可以看出，其截面积和弹性模量很难获得合理的准确值。因此，为了克服该问题。本发明采用标定法进行测量。

标定过程为：在驱动机构驱动驱动杆11带动控制棒组件完全抽出燃料组件悬挂时，通过应变计组的输出信号获得当前的应变值ε1，将控制棒组件的重力fm视为驱动杆11应变测试部位受到竖向载荷f1，计算得出应变值ε1与驱动杆11应变测试部位受到竖向载荷f1的关系因子k，此时的控制棒组件的重力fm＝mg，m为控制棒组件的重量，g为重力加速度。

步进载荷测量过程为：通过上述标定过程获得标定的关系因子k后，此时的关系因子可以相当于e*a；因此，在驱动机构步进驱动驱动杆11带动控制棒组件时，通过应变计组的输出信号获得当前的应变值ε2，根据应变值ε2与关系因子k获得当前驱动杆11应变测试部位受到的竖向步进载荷f2。通过上述过程即可实现在不改变反应堆控制棒驱动线结构的情况下完成对其步进载荷的测量。

上述标定过程和步进载荷测量过程全部采用人工计算；上述标定过程和步进载荷测量过程也可以先人工进行标定过程，然后采用数据采集系统8执行步进载荷测量过程的执行程序；也可以同时采用数据采集系统8执行上述标定过程的执行程序，然后在执行步进载荷测量过程的执行程序；上述标定过程和步进载荷测量过程也可以先采用数据采集系统8执行上述标定过程的执行程序，然后人工进行步进载荷测量过程。

实施例2

如图1、图2所示：

在上述实施例的基础上，所述数据采集系统8除承担对应变计组的应变的测量记录外还可以将所述数据采集系统8设置为具有执行程序1或/和执行程序2；执行应变的测量记录数据采集系统8和执行执行程序1或/和执行程序2的数据采集系统8可以是相同设备也可以是独立的多个设备。

执行程序1：在驱动机构驱动驱动杆11带动控制棒组件完全抽出燃料组件悬挂时，通过应变计组的输出信号获得当前的应变值ε1，将控制棒组件的重力fm视为驱动杆11应变测试部位受到竖向载荷f1，计算得出应变值ε1与驱动杆11应变测试部位受到竖向载荷f1的关系因子k，此时的控制棒组件的重力fm＝mg，m为控制棒组件的重量，g为重力加速度，

执行程序2：在驱动机构步进驱动驱动杆11带动控制棒组件时，通过应变计组的输出信号获得当前的应变值ε2，根据应变值ε2与关系因子k获得当前驱动杆11应变测试部位受到的竖向步进载荷f2。

实施例3

如图1、图2、图3、图4所示：

在上述实施例的基础上，优选的技术方案为：

由于测试是在水环境下进行的，因此存在温度影响，同时驱动杆受弯曲容易形成误差影响，为了克服该问题，本发明所述应变计组包括2个在驱动杆11侧壁沿驱动杆11轴向安装的应变计和2个在在驱动杆11侧壁沿驱动杆11周向安装的应变计，沿驱动杆11轴向安装的应变计为工作应变计，沿驱动杆11周向安装的应变计为补偿应变计，2个工作应变计和2个补偿应变计采用全桥连接后输出1路输出信号。该结构中工作应变计用于测量轴向应变数值，而补偿应变计采用横向安装测量横向(周向)应变，同时采用全桥进行信号合并，保证了整个试验中数据的稳定性和准确性。

为了避免个别信号的不稳定和噪点的问题，本发明可以设置多个(至少2个应变计组)采用平均法获得信号。因此数据采集系统8在所述应变计组为至少2组时，数据采集系统8还用于对所有应变计组的输出信号进行求平均处理。

在图3中，存在2个应变计组，有4个工作应变计分别是r1、r3、r5、r7，有4个补偿应变计r2、r4、r6、r8，奇数号应变计采用纵向安装(轴向)贴合在光段处，偶数号的应变计采用横向安装(周向)贴合在光段处。如图4所示，它们组成2个全桥回路，每个全桥具有1个输出端口，其中out1和out2分别作为1个应变计组的输出信号，2个输出信号在数据采集系统中进行平均处理。平均处理后的数据作为标定的应变值和测量的应变值。

进步的实施例方案，优选的，为了实现最真实测量数据，反应堆控制棒驱动线模拟实堆结构中的控制棒驱动线试验件与真实反应堆控制棒驱动线等比例。

由于驱动杆11主体部分表面存在凸起便于勾爪操作，因此，为了获得良好准确的应变，所述应变计组位于驱动杆11的光段12。安装时，选择安装形变性能好的应变计，采用ab胶或其他粘合胶进行粘结安装。

进步的实施例方案，优选的，如图1所示，为了实现最真实测量数据，所述反应堆控制棒驱动线模拟实堆结构安装在安装基础3内，其中，反应堆控制棒驱动线模拟实堆结构还包括连接于支撑筒体与安装基础3之间的关联支撑模拟件一2、关联支撑模拟件二4、关联支撑模拟件三5、关联支撑模拟件四7；所述关联支撑模拟件一2、关联支撑模拟件二4、关联支撑模拟件三5、关联支撑模拟件四7的厚度、相对高度、距离与实堆对应支撑件一致。

所述应变计的电源导线和输出信号导线从相临于驱动机构的隔热套管的间隙引出，并通过支撑筒体的手孔引出到支撑筒体外。

实施例4

基于一种反应堆控制棒步进载荷测试系统的使用方法，包括以下步骤：

s1、组装获得上述一种反应堆控制棒步进载荷测试系统，

s2、将支撑筒体内充满介质；

s3、控制驱动机构驱动驱动杆11带动控制棒组件完全抽出燃料组件悬挂，利用数据采集系统8通过应变计组的输出信号获得当前的应变值ε1；

s4、控制驱动机构步进驱动驱动杆11带动控制棒组件，利用数据采集系统8通过应变计组的输出信号获得当前的应变值ε2；

s5、通过应变与载荷的标定获得关系因子k：将控制棒组件的重力fm视为驱动杆11应变测试部位受到竖向载荷f1，计算得出应变值ε1与驱动杆11应变测试部位受到竖向载荷f1的关系因子k，控制棒组件的重力fm＝mg，m为控制棒组件的重量，g为重力加速度；

s6、获得反应堆控制棒的竖向步进载荷f2：根据应变值ε2与关系因子k获得驱动杆11应变测试部位受到的竖向步进载荷f2。

所述竖向步进载荷f2＝k*ε2；

所述s4、s5由数据采集系统8执行完成或人工计算。

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。