核反应堆燃料组件下管座水力冲刷试验系统及其试验方法

摘要

一种核反应堆燃料组件下管座水力冲刷试验系统及其试验方法，该系统包括由双吸泵和闭式回路管道组成的循环模块，由异物投放管段、试验段、异物收集器及相关设备组成的试验段模块，由PIV设备和流场处理软件及局域网计算机组成的流场信息采集模块，由高速摄影和局域网计算机组成的影像采集模块，由水箱、过滤器及相关管道和仪表组成的泵前调节监视模块，由冷却泵、冷却塔、冷凝器及闭式管道、阀门和仪表组成的冷却模块，由可编程逻辑控制器将电动阀门、水泵及相关设备组成远程控制模块；本发明还提供了该系统的试验方法；本发明能够满足大流量下反应堆下管座水力冲刷性能可视化试验研究的需要，同时又能做到简便快速的调节系统参数。

说明书

技术领域

本发明属于核动力设备性能验证性试验研究技术领域，具体涉及一种核反应堆燃料组件下管座水力冲刷试验系统及其试验方法。

背景技术

燃料组件是核反应堆堆芯的关键组成部分，由包括定位格架，控制棒导向管，中子通量测量管，上管座和下管座所组成的“骨架”结构和燃料元件组成。下管座作为核燃料组件的重要组成部分，主要用于燃料组件的支撑和定位，承担着燃料组件的全部重量和来自燃料组件内部、堆内构件和相关组件的载荷。同时，下管座还是冷却剂进入堆芯的入口，起到冷却剂流量分配和异物过滤的功能，因此下管座的性能直接关系着燃料组件的完整性和安全性，对于核反应堆安全运行具有重要作用。

核电站运行实践表明，在反应堆实际的安装、运行和设备维修过程中，不可避免的会造成诸如金属切屑、碎片、螺钉和金属颗粒等异物进入冷却剂系统中。一旦其中一些碎片和金属颗粒通过下管座，容易卡陷在燃料组件支撑格架的“蛋箱”状栅格壁和燃料棒管束的下端部之间的空隙中。随着冷却剂的高速流动，带动异物旋转或产生强烈的振动，可能会导致燃料棒管束磨蚀破损甚至割穿燃料棒包壳，进而导致放射性物质和气体外泄，造成核反应堆停堆维修，经济损失巨大。因此对核反应堆燃料组件下管座开展堆外水力冲刷性能试验是十分 必要和重要的。

核反应堆燃料组件下管座堆外水力冲刷性能试验，主要研究的是下管座过滤结构过滤异物的性能以及抗异物破坏的能力，同时研究下管座堵塞情况下压力损失特性和碎片层稳定后流量。因试验中要实现大流量下水力冲刷试验段的可视化研究，因此下管座水力冲刷试验对试验回路的流量调节能力、冷却能力、可视化能力以及异物投放、回收能力等具有较高要求，这就需要试验系统具有较完备的系统配置和较高的可视化水平以及稳定的调节能力。

中国专利申请公开号CN104236942A公开了一种过滤器性能检测方法、装置及其系统。其试验装置包括主循环回路、冷却回路、旁通回路、排水回路，加料口投入的纤维、颗粒杂质与加药口投入的化学试剂反应生成化学沉淀物，依靠循环泵带动流经过滤器，通过测量过滤器两端压力降来判断过滤器的性能。但是，其试验装置研究对象是安全壳地坑过滤器，而非下管座过滤结构，两者结构特点不同；其次该试验装置关注并测量的是过滤器两端压降并以此来判断过滤器性能是否满足要求，而燃料组件中下管座所关心的性能指标除了压降特性，还包括过滤效率、抗冲刷破坏性能以及异物堵塞情况对下游流场的影响，因而该检测方法、装置及其系统不适用于核反应堆燃料组件下管座水力冲刷性能测试领域。

又如中国专利申请公开号CN102620947A公开了一种盐雾过滤器性能检测系统与方法。包括变频风机、盐雾发生箱和粒子计数器，盐雾发生箱产生的盐雾在变频风机的抽吸作用下依次循环通过挡水板、 中效过滤器和受试过滤器，第一空气粒子计数器和第二空气粒子计数器分别对过滤器前后盐雾颗粒进行采样计数，计算过滤器的过滤效率。但是，其试验装置应用背景针对的是海上作业的设备和装置中使用的盐雾过滤器，异物是盐雾，而核反应堆工程中研究的是一回路冷却剂携带固体颗粒、碎片及化学反应产物等异物通过燃料组件下管座的水力冲刷性能研究，不仅关注下管座上过滤结构过滤异物的效率，还包括异物堵塞下管座情况下的压力损失特性、异物对流场的影响及下管座抗异物破坏性能，因而该检测系统和方法不适用于核反应堆燃料组件下管座水力冲刷性能试验。

再如，中国专利申请公开号CN204613032U公开了一种测量反应堆燃料组件管座变形的试验装置。但是该装置只能测量下管座所受的力和微小变形，不能进行下管座过滤结构冲刷过滤异物性能试验、下管座堵塞情况下压力损失特性。中国专利申请公开号CN104614268A公开了一种冲刷试验机，但是该装置只能用来测试固定材料的耐冲刷特性，不能进行核反应堆下管座整套装置的水力冲刷、过滤特性试验。

发明内容

本发明的目的是针对上述试验装置或试验系统不适用或不满足核工程领域对燃料组件下管座水力冲刷试验研究的需求，提供一种反应堆燃料组件下管座堆外水力冲刷试验系统及其试验方法，本发明所述装置及系统能够实现试验段水力冲刷现象的可视化研究，同时又可以做到系统参数简便快速的调节，能够获得大量的压力、压降、流量、温度等试验参数并且通过PIV技术获得流体通过下管座后详细的流场 信息，以便对燃料组件下管座的水力冲刷特性进行深入研究。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种核反应堆燃料组件下管座水力冲刷性能试验系统，包括主循环回路上的双吸泵1和双吸泵1上游管道上的第一过滤器1601，第一过滤器1601上游管道上的第十阀门610及其上游水箱10，安装在双吸泵1和第一过滤器1601之间管道上的第六温度传感器806，水箱10一侧的液位计18，他们在回路中的作用分别是提供循环动力、过滤泵入口流体、调节泵入口流量、储液稳压、监测泵入口流体温度以及监测水箱液位，以上组成了系统的泵前调节监视模块；

双吸泵1下游管道上连接有第一软管701，通过第一软管701来减缓泵出口流体造成的管路振动，在双吸泵1和第一软管701之间的管道上布置有第一压力传感器901，第一压力传感器901用来测量双吸泵1出口处的流体压力；

第一软管701下游管道上安装有一个三通，三通的两个出口分别引出一条管道；其中一条管道上依次连接有第二阀门602和第九阀门609，第九阀门609下游管道与主循环回路末端三通的一条分支连通并最终和水箱10连接，以上组成了系统的旁通回路模块，该旁通回路用以辅助调节主回路流量，其中通过调节第二阀门602的开度实现旁通流量的调节；另一条管道依次安装有第一温度传感器801、第一阀门601、涡街流量计2、第二软管702、第三阀门603以及通过管道与其并联安装的第四阀门604，以上共同组成了主回路流量调节模块；

第五阀门605上游通过管道与主回路相连，下游通过管道接入排水口，由于第五阀门605处于整个试验回路的最低位置，起到试验回路放空的作用，因此构成了系统排放模块。

第三阀门603下游主回路管道上安装有第二过滤器1602，过滤进入试验段流体的同时防止试验中异物元件逆流丢失；第二过滤器1602下游管道上串联安装两只三通，两只三通的垂直分支上分别安装有第六阀门606和第八阀门608，第七阀门607(止回阀)两侧通过管道分别与两个支路连通，试验中通过打开第七阀门607(止回阀)两侧连接法兰投放试验所需异物；第八阀门608下游主回路上依次安装有第二温度传感器802、透明试验段3、压力传感器903、压差传感器902、第三软管703、异物收集器4、第三过滤器1603，以上系统管道和连接件共同组成了试验段模块；

第三过滤器1603下游管道安装有第十一阀门611，第十一阀门611下游管道连接冷凝器5的管程入口，冷凝器5的管程出口通过管道与下游三通连接，与旁通回路汇合后返回水箱10；

冷凝器5壳程内走冷却水，按冷却水流向下游管道上依次安装有第四温度传感器804、第十二阀门612、电磁流量计17、冷却塔14、第五温度传感器805、冷却水泵15、第四压力传感器904，以上共同组成系统的冷却模块；

水箱10下部通过第十三阀门613和管道与排水井19连接，用于水箱排放水。

所述透明试验段3为方形结构，材质为有机玻璃，总长1882mm， 分上部和下部两部分，下部长1062mm，上部长820mm，中间依靠方形法兰连接；透明试验段3内腔下部距离中间方形法兰111mm的位置设置有一圈方形环肋，下管座即放置在这一方形环肋上；方形法兰上部内侧向内腔延伸紧密卡住试验件上缘，固定试验件并防止异物从缝隙中穿过；透明试验段3下部距离中间方形法兰352mm和452mm的位置上安装有两根引压管，编号为01和02，透明试验段3上部距离中间方形法兰400mm的位置上同样引出一根引压管，编号为03，其中编号为01和编号为03的引压管分别与压差传感器902两端连接，编号为02的引压管和压力传感器903连接；透明试验段3上端和下端通过圆形法兰与不锈钢管道连接，且分别在上下圆形法兰和中间方形法兰与方管连接处安装加固条加固。

相连接的高速摄影机11和局域网计算机13组成系统的影像采集模块，其中高速摄影机11能够方便的移动位置，清晰地记录异物穿过下管座的过程，以及下管座表面的划伤、磨损情况。

激光发生器23设置在透明试验段3的一侧，与激光发生器23依次连接的控制面板22、主机21和PIV专用跨帧CCD相机12共同组成系统的流场信息采集模块，能够监测并观察流体流经下管座后的流场信息，方便分析下管座异物堵塞情况下对流场造成的影响。

试验系统上布置的所有温度传感器、压力传感器、压差传感器均通过信号采集系统连接到局域网计算机13上，组成系统的测量采集模块。

试验系统中双吸泵1、冷却水泵15以及所有电动调节阀的控制 均通过可编程逻辑控制器实现时时远程调控，组成了系统的控制模块。

上述所述试验系统对应的试验方法，试验开始前对回路进行充水检漏、抗破坏试验，确保回路在大流量下无泄漏以及有机玻璃试验段完整无破坏；

开启主循环回路时，保持第十阀门610、第一阀门601、第三阀门603、第十一阀门611处于开启状态，保持第四阀门604、第五阀门605、第六阀门606、第八阀门608、第十三阀门613处于关闭状态，开启双吸泵1；

开启冷却模块时，打开第十二阀门612，开启冷却水泵15；

调节主循环回路循环流量时，开启双吸泵1，缓慢调节变频器输出频率，根据涡街流量计2的示数，调节第一阀门601的开度，手动微调第四阀门604；

调节旁通回路流量时，打开第二阀门602，调节其开度；

调节冷却水流量时，根据电磁流量计17的示数调节第十二调节阀612；

进行下管座过滤异物的性能试验时，向水中加入示踪粒子，如上述步骤打开主循环回路、旁通回路模块和冷却模块，并调节至试验要求的流体流量后，待回路运行稳定后，即可投放试验用异物元件，同时打开高速摄影机11，对试验过程进行影像记录；打开测量采集模块开始记录压力、压差、流量、流体温度的试验数据；投放试验用异物元件时，关闭第六阀门606、第八阀门608，打开第七阀门607两 侧连接法兰，将异物放入管道，投放完拧紧第七阀门607两侧连接法兰，依次打开第六阀门606、第八阀门608；冲刷时间为半小时或冲刷至异物稳定，打开PIV专用跨帧CCD相机12，获取下管座出口截面流场信息，试验结束后关闭双吸泵1，收集整理异物并进行书面记录；回收异物包括通过下管座被异物收集器4拦截的异物、卡嵌在下管座上的异物、未通过下管座的异物三部分；

进行下管座过滤结构抗异物破坏性能试验时，将金属丝类条带状异物牢靠的挂在下管座过滤结构网格上，如上述步骤打开主循环回路、旁通回路模块和冷却模块，并调节至试验要求的流体流量后，待回路运行稳定后，按上述投放异物的方法投放其他尺寸较大的异物元件；试验冲刷时间500～1000h，期间每隔24h对试验进行一次影像记录，同时记录压力、压差、流量、流体温度的试验数据；试验完成后取出并观察下管座破坏情况，进行影像和书面记录同时回收异物。

和现有技术相比较，本发明具备如下优点：

1、本发明所述试验系统及方法实现了堆外燃料组件下管座水力冲刷特性试验研究，通过向试验系统中投放异物，可以进行下管座过滤结构过滤异物性能试验、下管座过滤结构抗异物破坏性能试验以及下管座堵塞工况下压降特性试验，实现对下管座性能的全面测试和评价；

2、试验段采用有机玻璃制造，满足试验要求强度的条件下，具有较高的透明度，从而实现了试验过程的可视化研究；

3、试验段分为上下两个部分，中间通过方形法兰连接，方便拆 卸，利于安放、更换试验件以及回收钩挂在下管座上的异物；

4、使用高速摄影技术对试验过程进行时时存盘记录，完整的影像资料有利于试验结束后，进行不同试验工况下结果的对比观察，对试验现象及过程作进一步的深入研究；

5、方便借助PIV等先进流场信息采集设备获取流场信息，研究不同种类异物以及加入顺序对流体通过下管座后流场的影响；

6、回路设有冷却模块，在双吸泵1及水箱10的入口均安装有温度传感器，防止由于试验回路长期连续运行导致循环水温度升高。

附图说明

图1为本试验系统的系统图。

图2为透明试验段下部结构图，其中：图2a为正视图，图2b为图2a沿1-1向的剖视图，图2c为图2b沿2-2向的剖视图,图2d为下法兰剖视图。

图3为透明试验段上部结构图，其中：图3a为正视图，图3b为图3a沿1-1向的剖视图，图3c为图3b沿2-2向的剖视图,图3d为图3b沿3-3向的剖视图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作详细的说明：

如图1所示，本发明涉及一种核反应堆燃料组件下管座水力冲刷试验系统，包括主循环回路上的双吸泵1和双吸泵1上游管道上的第一过滤器1601，第一过滤器1601上游管道上的第十阀门610及其上游水箱10，安装在双吸泵1和第一过滤器1601之间管道上的第六温 度传感器806，水箱10一侧的液位计18，他们在回路中的作用分别是提供整个试验回路所需压头和流量、过滤泵入口流体、调节泵入口流量、储存流体并提供泵入口所需压头、监测泵入口流体温度以及监测水箱液位，以上组成了系统的泵前调节监视模块；双吸泵1下游官道上连接有第一软管701，通过第一软管701来减缓泵出口流体造成的管路振动，在双吸泵1和第一软管701之间的管道上布置有第一压力传感器901，第一压力传感器901用来测量双吸泵1出口处的流体压力；第一软管701下游管道上安装有一个三通，三通的两个出口分别引出一条管道；其中一条管道上依次连接有第二阀门602和第九阀门609，第九阀门609下游管道与主循环回路末端三通的一条分支连通并最终和水箱10连接，以上组成了系统的旁通回路模块，该旁通回路用以辅助调节主回路流量，其中通过调节第二阀门602的开度实现旁通流量的调节；另一条管道依次安装有第一温度传感器801、第一阀门601、涡街流量计2、第二软管702、第三阀门603以及通过管道与其并联安装的第四阀门604，以上共同组成了主回路流量调节模块；第五阀门605上游通过管道与主回路相连，下游通过管道接入排水口，由于第五阀门605处于整个试验回路的最低位置，起到试验回路放空的作用，因此构成了系统排放模块。第三阀门603下游管道上安装有第二过滤器1602，其在过滤流体的同时防止试验中异物元件逆流丢失；第二过滤器1602下游管道上串联安装两只三通，两只三通的垂直分支上分别安装有第六阀门606和第八阀门608，第七阀门607(止回阀)两侧通过管道分别与两个支路连通，试验中通过打 开第七阀门607(止回阀)两侧连接法兰投放试验所需异物；第八阀门608下游主回路上依次安装有第二温度传感器802、透明试验段3、压力传感器903、压差传感器902、第三软管703、异物收集器4、第三过滤器1603，以上系统管道和连接件共同组成了试验段模块；第三过滤器1603下游管道安装有第十一阀门611，第十一阀门611下游管道连接冷凝器5的管程入口，冷凝器5的管程出口通过管道与下游三通连接，与旁通回路汇合后返回水箱10；冷凝器5壳程内走冷却水，按冷却水流向下游管道上依次安装有第四温度传感器804、第十二阀门612、电磁流量计17、冷却塔14、第五温度传感器805、冷却水泵15、第四压力传感器904，以上共同组成系统的冷却模块；水箱10下部通过第十三阀门613和管道与排水井19连接，用于水箱排放水。

如图2、图3所示，所述透明试验段3为方形结构，材质为有机玻璃，总长1882mm，分上部和下部两部分，下部长1062mm，上部长820mm，中间依靠方形法兰连接；透明试验段3内腔下部距离中间方形法兰111mm的位置设置有一圈方形环肋，下管座试验件即放置在这一方形环肋上；方形法兰上部内侧向内延伸紧密卡住试验件上缘，固定试验件并防止异物从缝隙中穿过；透明试验段3下部距离中间方形法兰352mm和452mm的位置上安装有两根引压管，编号为01和02，透明试验段3上部距离中间方形法兰400mm的位置上同样引出一根引压管，编号为03，其中编号为01和编号为03的引压管分别与压力传感器902两端连接，编号为02的引压管和压力传感器 903连接。透明试验段3上端和下端通过圆形法兰与不锈钢管道连接，且分别在上下圆形法兰和中间方形法兰与方管连接处安装加固条加固。

相连接的高速摄影机11和局域网计算机13组成系统的影像采集模块，能够清晰地记录异物穿过下管座的过程，以及下管座表面的划伤磨损情况。

激光发生器23设置在透明试验段3的一侧，与激光发生器23依次连接的控制面板22、主机21和PIV专用跨帧CCD相机12共同组成系统的流场信息采集模块，能够监测并观察流体流经下管座后的流场信息，方便分析下管座异物堵塞情况下对流场造成的影响。

试验系统上布置的所有温度传感器、压力传感器、压差传感器均通过信号采集系统连接到局域网计算机13上，以上组成了系统的测量采集模块。

试验系统中双吸泵1、冷却水泵15以及所有电动调节阀的控制均通过可编程逻辑控制器实现时时远程调控，组成了系统的控制模块。

如图1所示，本发明核反应堆燃料组件下管座水力冲刷性能试验方案，试验开始前对回路进行充水检漏、抗破坏试验，确保回路在大流量下无泄漏以及有机玻璃试验段完整无破坏；开启主循环回路时，保持第十阀门610、第一阀门601、第三阀门603、第十一阀门611处于开启状态，保持第四阀门604、第五阀门605、第六阀门606、第八阀门608、第十三阀门613处于关闭状态，开启双吸泵1；开启 冷却模块时，打开第十二阀门612，开启冷却水泵15；调节主循环回路循环流量时，开启双吸泵1，缓慢调节变频器输出频率，根据涡街流量计2的示数，调节第一阀门601的开度，手动微调第四阀门604；调节旁通回路流量时，打开第二阀门602，调节其开度；调节冷却水流量时，根据电磁流量计17的示数调节第十二调节阀612；进行下管座过滤异物的性能试验时，向水中加入示踪粒子，如上述步骤打开主循环回路、旁通回路模块和冷却模块，并调节至试验要求的流体流量后，待回路运行稳定后，即可投放试验用异物元件，同时打开高速摄影机11，对试验过程进行影像记录；打开测量采集模块开始记录压力、压差、流量、流体温度的试验数据；投放试验用异物元件时，关闭第六阀门606、第八阀门608，打开第七阀门607两侧连接法兰，将异物放入管道，同时拧紧第七阀门607两侧连接法兰，依次打开第六阀门606、第八阀门608；冲刷时间为半小时或冲刷至异物稳定，打开PIV专用跨帧CCD相机，获取下管座出口截面流场信息，试验结束后关闭双吸泵1，收集整理异物并进行书面记录。回收异物包括通过下管座被异物收集器4拦截的异物、卡嵌在下管座上的异物、未通过下管座的异物三部分；进行下管座过滤结构抗异物破坏性能试验时，将金属丝类条带状异物牢靠的挂在下管座过滤结构网格上，如上述步骤打开主循环回路、旁通回路模块和冷却模块，并调节至试验要求的流体流量后，待回路运行稳定后，按上述投放异物的方法投放其他尺寸较大的异物元件。试验冲刷时间500～1000h，期间每隔24h对试验进行一次影像记录，同时记录压力、压差、流量、流体温度的试 验数据。试验完成后取出并观察下管座破坏情况，进行影像和书面记录同时回收异物。