испытания образцов оболочек твэл и ячеек

ИСПЫТАНИЯ ОБРАЗЦОВ ОБОЛОЧЕК ТВЭЛ И ЯЧЕЕК ДИСТАНЦИОНИРУЮЩИХ
РЕШЕТОК НА ТРЕНИЕ С ВАРЬИРОВАНИЕМ КОНСТРУКЦИОННЫХ,
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ФАКТОРОВ
Руководитель: В.В. Макаров
Автор доклада: М.В. Пучков
Введение
Во всей активной зоне реакторов ВВЭР имеется порядка двух миллионов точек контакта твэлов с
пуклевками ячеек дистанционирующих решеток (ДР). Силы трения в узлах контакта твэлов с ячейками
ДР во многом определяют как технологию сборки ТВС на заводе-изготовителе, так и эксплуатационные
характеристики ТВС: сопротивление ТВС продольно-поперечному термомеханическому изгибу, напряженно-деформированное состояние каркаса при несинхронном удлинении каркаса и пучка твэлов,
вибрационную прочность ТВС. Сила трения в узлах сопряжения «твэл-ДР» в процессе эксплуатации
может значительно изменяться от действия на ТВС температуры, облучения, среды теплоносителя, и
динамика изменения этих сил значительно влияет на эксплуатационные свойства ТВС.
С 2006 г. в ОКБ «Гидропресс» проводятся исследования сил трения между оболочками твэлов и
ячейками ДР, в ходе которых изучалось влияние на коэффициент трения таких факторов как геометрия
пуклевки, состояние поверхности оболочки (анодированная, травленая, шлифованная, автоклавированная), контактная сила, частота (скорость) возвратно-поступательного движения. В ходе проведенных
ранее исследований было установлено, что коэффициент трения может значительно изменяться в зависимости от состояния поверхности образцов. При наличии оксидных пленок, образующихся в условиях,
близких к реакторным, коэффициенты трения составляли 0,1 – 0,2, тогда как коэффициенты трения чистых металлических поверхностей составляли в среднем 0,5 – 0,6, что характерно для трения деталей в
состоянии поставки, например в процессе сборки ТВС. Эксперименты в НЗХК по синхронному продавливанию 312 твэлов в состоянии поставки с коэффициентом трения 0,6 в двухпролётной модели привели к депланации и разрушению дистанционирующих решёток. Расчёты термомеханической прочности
ТВС с коэффициентом трения 0,6 между твэлами и ДР, выполненные в РНЦ КИ приводят к напряжениям выше предела текучести в НК. Таким образом, отсутствие знаний о коэффициенте трения в эксплуатационных условиях приводит к завышенным оценкам нагрузок и консервативным конструкторским решениям. Влияние таких факторов, как поперечная вибрация, сверхнизкие скорости взаимного
перемещения образцов, характерные для процессов терморадиационного удлинения твэлов, а также
температура и среда до настоящего времени изучено не было. Поэтому первой целью данной работы
являлось определение влияния перечисленных выше факторов на коэффициент трения циркониевых
сплавов. Поскольку коэффициенты трения циркониевых сплавов на различных этапах жизненного цикла ТВС существенно отличаются, в качестве образцов были взяты фрагменты шлифованных оболочек и
ячеек ДР ТВС-2006 в состоянии поставки с завода (без защитных пленок) и с защитными пленками,
полученными путем автоклавирования.
Второй целью настоящей работы являлась разработка методики снижения силы трения твэла в 2-3
раза при снаряжении его в каркас тепловыделяющей сборки (ТВС) в процессе изготовления. Задача исследование влияния продольных ультразвуковых колебаний оболочки твэла на усилие установки твэлов при сборке ТВС с заводскими скоростями заталкивания твэлов.
Актуальность исследований определяется внедрением на заводах-изготовителях топлива для ВВЭР
технологии сборки ТВС без лакопокраски твэлов. При этом усилия установки твэлов могут превышать
1 кН, на поверхности оболочек возникают царапины и надиры, образуется стружка, трудноудаляемая из
ячеек ДР. Одним из возможных путей снижения сил трения в этих условиях является возбуждение
ультразвуковых колебаний контактирующих деталей.
Методика и результаты испытаний образцов в состоянии поставки
Для испытаний на трение, имитирующих процесс сборки ТВС, в качестве образцов использовались
оболочки твэлов длиной 45 мм и фрагменты ячеек ДР ТВС АЭС-2006 в состоянии поставки с завода
(рисунок 1). Перед испытаниями ячейки разрезались вдоль образующей на три части. Ширина фрагмента ячейки составляла 7-7,5 мм.
z
y
x
Рис. 1 Образцы для испытаний на трение (оболочки твэлов и ячейки ДР в состоянии поставки)
Испытания проводились на трибометре (машине трения) UMT-3M производства фирмы CETR,
США. Трибометр предназначен для определения коэффициентов трения образцов плоской и цилиндрической формы при варьировании уровня контактной нагрузки, траектории относительного движения
образцов, температуры и среды. Общий вид устройства показан на рисунке 2.
Рис. 2 Общий вид трибометра UMT-3M
Трибометр позволяет проводить испытания образцов на трение в диапазоне контактных нагрузок
от 1 до 100 Н со скоростью продольного перемещения образцов от 0,001 до 1 мм/с в условиях поперечной вибрации с частотой до 60 Гц и амплитудой до 25 мм в воде и на воздухе при температуре до
350 °C.
Испытания образцов в состоянии поставки проводились при возвратно-поступательном движении
образцов вдоль оси X со скоростью 1 мм/с и длиной хода 5 мм. Общий путь трения составил 200 мм за
20 циклов. В испытаниях варьировалась режимы, характерные для процесса сборки ТВС: контактная
нагрузка (3-80 Н), среда (воздух и вода), частота поперечной вибрации вдоль оси Y (5-40 Гц).
Типичный для всех режимов график изменения коэффициента трения от количества полуциклов
для возвратно-поступательного движения образцов в состоянии поставки показан на рисунке 3. На графике показаны максимальные, средние и минимальные значения коэффициентов трения за один ход на
5 мм (полуцикл) возвратно-поступательного движения.
0.6
0.5
К
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
N
- максимальный К
- средний К
- минимальный К
Рис. 3 Типичная зависимость коэффициента трения от количества полуциклов для образцов в состоянии поставки
Пилообразный характер кривых объясняется различной силой трения при противоположных направлениях взаимного продольного перемещения (эффект рубанка).
Для образцов оболочек и ячеек ДР в состоянии поставки при различных режимах нагружения рассчитывались максимальный и средний коэффициенты трения, взятые по всем полуциклам. Для режимов
с вибрацией рассчитывался эффективный коэффициент трения, определявшийся как отношение
продольной силы трения к нормальной силе для взаимодействующих поверхностей - т.е. без учета
поперечной составляющей силы.
Испытания без вибрации показали, что средние коэффициенты трения образцов в состоянии поставки с завода имеют значения порядка 0,5 – 0,6. В условиях вибрации происходит циклическое снижение коэффициента трения с частотой равной или кратной частоте вибрации. На рисунке 4 в качестве
примера приведены зависимости коэффициента трения от времени в условиях поперечной вибрации с
частотами 5 и 20 Гц при контактной нагрузке 10 Н. При этом коэффициент трения изменяется с частотами 10 и 40 Гц соответственно, принимая минимальное значение вблизи крайних положений поперечных колебаний. Следует особо отметить широкий диапазон изменений (в отдельных случаях на порядок) коэффициента трения за цикл. Важно, что при продольном скольжении оболочки твэла два раза за
каждый период поперечной вибрации реализуется скольжение с очень малым коэффициентом трения.
При этом максимальный коэффициент трения изменяется слабо по сравнению с режимом без вибрации.
Уменьшение коэффициента трения при вибрации может быть связано со снижением как адгезионной составляющей силы трения, так и механической составляющей, обусловленной шероховатостью
трущихся поверхностей за счет периодического частичного раскрытия контакта при вибрации. При трении чистых металлических поверхностей преобладает, по-видимому, первый механизм.
1
0.8
Кэфф
К
Кэфф
К
0.6
0.5
0.4
0.2
0
95
95.5
96
t, с
96.5
97
0
167
167.2
167.4
t, с
167.6
167.8
а - режим с частотой 5 Гц
б - режим с частотой 20 Гц
Рис. 4 Зависимость коэффициента трения от времени в условиях поперечных колебаний
Влияния контактной нагрузки на коэффициент трения в отсутствие вибрации не отмечено. Также
не отмечено и влияние среды.
Методика и результаты испытаний на трение автоклавированных образцов
Для испытаний на трение применительно к эксплуатационным режимам образцы оболочек и ячеек
ДР были автоклавированы в течение 35 ч в воде при 320 °С (рисунок 5). В результате автоклавирования
на поверхности образцов образовалась черная оксидная пленка толщиной 1 мкм.
Рис. 5 Автоклавированные образцы для испытаний на трение (оболочки твэлов и ячейки ДР, покрытые оксидной пленкой)
Испытания проводились при поступательном движении образцов при варьировании температуры
(20 или 320 °С), среды (воздух, вода), скорости перемещения (0,001 мм/с и 1 мм/с), контактной силы (110 Н), с поперечной вибрацией (вдоль оси Y, при частоте 16,5 Гц с амплитудой 40 мкм) и без нее. Длина
пути трения составляла 5 мм.
В испытаниях без вибрации коэффициент трения составляет 0,15-0,20. А испытания с вибрацией
показали существование области с аномально низкими эффективными коэффициентами трения порядка
0,03. Эта величина характерна только для режимов испытаний автоклавированных образцов с
вибрацией. В зависимости от параметров нагрузки, температуры, пройденного пути эта область либо
сохранялась в течение всего эксперимента, либо сменялась на трение с более высоким эффективным
коэффициентом, достигавшим 0,6. Такая смена механизма трения вероятно объясняется износом
защитной плёнки на ячейке (или плёнок на обоих образцах) от вибрации и переходом к механизму
трения чистых металлических поверхностей, для которых характерны коэффициенты трения порядка
0,6.
С помощью лазерного микроскопа Olympus Lext было определено, что глубина шрама на поверхности оболочки, образовавшегося при трении образцов, составляет 6-8 мкм, тогда как толщина пленки
не превышает 1 мкм. Фотоснимки зоны контакта образцов приведены на рисунках 6 и 7.
168
Рис. 6 Зона контакта автоклавированной оболочки твэл
Рис. 7 Зона контакта автоклавированной ячейки ДР
Следует отметить, что податливость держателей образцов трибометра такова, что в зависимости от
величины контактной силы изменяется амплитуда взаимного перемещения образцов в зоне контакта.
Так, испытания с контролем лазерными виброметрами перемещений образца и контробразца и
вычислением относительного проскальзывания показали, что амплитуда взаимных перемещений в зоне
контакта при нормальной силе 1 Н близка к 40 мкм, тогда как при 10 Н проскальзывание отсутствует.
Тем не менее даже в отсутствие проскальзывания в контакте, наблюдается снижение коэффициента
трения, вследствие покачивания.
В отсутствие относительных поперечных проскальзываний в нормальных условиях эксплуатации
при наличии поперечной переменной нагрузки, а также при непрерывном образовании окисной плёнки
режим с аномально низким эффективным коэффициентом трения возможен в течение всего срока
эксплуатации ТВС, что может иметь большое практическое значение в перспективе снятия излишнего
консерватизма в расчетном обосновании термомеханического поведения ТВС в режимах НЭ. Для
проверки этого предположения необходим эксперимент с контробразцом-ячейкой ДР, в которой
реализуется три точки контакта. Консерватизм был заложен в проект ТВС в условиях почти полного
отсутствия знаний о трении твэлов в ДР в приближенных к НЭ условиях.
В испытаниях без вибрации увеличение скорости скольжения от 0,001 до 0,3 мм/с не оказывает
влияния на средний коэффициент трения (рисунок 8). Незначительное увеличение коэффициента трения не превышает погрешности его определения. В условиях поперечной вибрации эффективный
коэффициент продольного трения скольжения зависит от продольной скорости: обнаружена пороговая
скорость порядка 10 мкм/с, выше которой коэффициент трения скачком увеличивается от 0,05 до 0,15.
Температура не оказывает влияния на коэффициент трения. Контактная нагрузка в пределах от 1 до
10 Н статистически значимого влияния на коэффициент трения не оказывает (рисунок 9). Проведенные
ранее эксперименты без поперечной вибрации свидетельствуют о том, что и при нагрузке 95 Н на пути
трения 6-8 м коэффициент трения был на уровне 0,15-0,20, т.е. истирания оксидных пленок не происходило. При трении в воде существенного изменения среднего коэффициента трения не происходит (рисунок 10).
К
0.26
0.24
0.22
0.20
0.18
0.16
0.14
0.12
0.10
0.08
V=0,001
V=0,02 мм/с
V=0,3 мм/с
Кср=0,17
Кср=0,20
Кср=0,21
0.06
0.04
0.02
0
0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
5.5
6.0
6.5
7.0
7.5
8.0
8.5
9.0
X, мм
Рис. 8 Зависимость коэффициента трения от пути трения при варьировании скорости трения
К
0.20
0.18
0.16
0.14
0.12
0.10
Кср=0,15
Кср=0,14
0.08
0.06
F=3 N
F=10
0.04
0.02
0
0
0.25
0.50
0.75
1.00
1.25
1.50
1.75
2.00
2.25
2.50
2.75
3.00
3.25
3.50
3.75
4.00
4.25
4.50
4.75
5.00
X, мм
Рис. 9 Зависимость коэффициента трения от пути трения при варьировании контактной силы
C OF,
К
вода
воздух
0.4
Кср=0,12
0.3
Кср=0,10
0.2
0.1
0
0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
X mm
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
X, мм
Рис. 10 Зависимость коэффициента трения от пути трения в различных средах (первые 2,5 мм –
воздух, затем вода)
Методика и результаты исследований влияния ультразвуковых колебаний (УЗК) на процесс
трения оболочек твэлов по ячейкам дистанционирующих решеток
Исследования проводились на фрагменте каркаса ТВС-2, состоящего из 10 ДР, и макетном твэле на
воздухе при комнатной температуре. Высота ячейки дистанционирующей решетки составляла 30 мм,
толщина стенки 0,3 мм, а длина пукли составляла 4+2 мм.
В вертикально расположенный макет ТВС твэл заталкивался грузом, который по направляющим с
помощью троса опускался со скоростью 1 – 1,2 мм/с (рисунок 11). Продольная заталкивающая нагрузка
передавалась твэлу через тензометрический динамометр STC-100 и пьезокерамический излучатель
ультразвуковых колебаний. Продольные ультразвуковые колебания создавались с помощью комплекта
ультразвукового оборудования и передавались верхней заглушке твэла.
Рис. 11 Экспериментальная установка для заталкивания твэла во фрагмент каркаса ТВС-2 при высоких скоростях
Результаты испытаний представлены на рисунках 12 - 14.
1200
перемещение
без ультразвука
Сила трения, Н
1000
800
сила поджатия
600
400
остановка
200
0
3000
4000
5000
6000
7000
8000
Время, мс
Рис. 12 Сборка со скоростью 1 – 1,2 м/с без УЗК (максимальная сила трения 1006 Н)
450
движение
с УЗК
Сила трения, Н
400
350
300
250
сила поджатия без
УЗ
провал
силы при
включении УЗК
200
150
100
остановка
движения
50
0
25000
27000
29000
31000
33000
35000
37000
39000
41000
43000
Время, мс
Рис. 13 Сборка со скоростью 1 – 1,2 м/с с УЗК (максимальная сила трения 427 Н)
45000
900
перемещение без
УЗ, V=1 – 1,2 мм/с
Cила трения, Н
800
700
600
500
сила поджатия
400
300
200
V=0 мм/с
100
0
4000
4500
5000
5500
6000
6500
7000
7500
8000
8500
9000
Время, мс
Рис. 14 Повторная сборка со скоростью 1 – 1,2 м/с без УЗК (максимальная сила трения 811 Н)
Результаты показывают, что сила трения при продольном заталкивании твэла со скоростью
1 – 1,2 м/с в результате воздействия ультразвуковых колебаний снижается в 2 – 2,3 раза.
Заключение
1. Разработана методика испытаний и проведены исследования процесса трения скольжения в
одиночном контакте, образованном оболочкой твэла и пуклевкой ячейки ДР в режимах, имитирующих
процессы сборки и эксплуатации ТВС. Исследовано влияние таких технологических и
эксплуатационных управляемых факторов, как состояние поверхности (в состоянии поставки либо с
защитными окисными пленками), величина нормальной силы в контакте, поперечная вибрация,
температура, среда (воздух или вода), скорость взаимного продольного перемещения.
2. При продольном относительном скольжении образцов в состоянии поставки с завода в
условиях поперечной вибрации эффективный коэффициент трения колеблется в пределах от 0,1 до 0,8;
вибрация значительно снижает коэффициент трения либо в течение всего периода, либо части периода
колебаний.
3. Наличие на поверхности образцов защитных окисных пленок, образующихся при
автоклавировании образцов в воде с параметрами первого контура ВВЭР-1000, снижает коэффициент
трения с 0,5 – 0,6 до 0,15 – 0,21. Температура и среда на коэффициент трения статистически значимого
влияния не оказывают.
4. В условиях поперечной вибрации при скоростях продольного скольжения, характерных для
терморадиационного роста твэлов, испытания автоклавированных образцов показали существование
области с аномально низкими эффективными коэффициентами трения порядка 0,03, в которой усилие
взаимодействия пучка твэлов с каркасом ТВС минимально. Обнаруженный эффект значительного
снижения продольного усилия проталкивания твэлов через ячейки ДР при малых скоростях движения
трущихся поверхностей и наличии поперечной вибрации может иметь практическое значение в
перспективе снятия излишнего консерватизма в расчетном обосновании термомеханического поведения
ТВС в режимах НЭ и требует дальнейших исследований.
5. Разработана методика и проведены исследования влияния продольных ультразвуковых колебаний твэла на процесс трения при установке твэла в каркас ТВС. Продольные ультразвуковые колебания твэлов при сборке ТВС снижают усилие установки твэлов в каркас при заводских скоростях перемещения твэла 1-1,2 м/с в 2-2,3 раза.
Список литературы
1 Доклад «Экспериментальное исследование процесса трения в единичном контакте, образованном
оболочкой твэла и пуклевкой дистанционирующей решетки», Макаров и др., 5-я международная научно-техническая конференция «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР», Подольск, ОКБ «Гидропресс»,
29 мая – 1 июня 2007