Оборудование стенда для механических испытаний материалов и трубчатых оболочек

Полезная модель относится к атомной энергетике, в частности к устройству для механических испытаний трубчатых оболочек, и может найти применение на предприятиях для исследования напряженно-деформированного состояний оболочек тепловыделяющих элементов для реакторов типа ВВЭР и PWR. Техническим результатом заявляемой полезной модели является возможность осуществлять прямой замер деформации контактными и бесконтактными методами и наблюдать развитие трещин в случае их появления, возможность прямого наблюдения во время эксперимента. Устройство для механических испытаний трубчатых оболочек включает две соосные штанги, установленные с возможностью перемещения в осевом направлении. В торцевых зонах штанг с помощью сильфонов размещены зажимы для герметичного и концентричного размещения трубчатой оболочки. На торце одной из штанг размещен пуансон с коническим наконечником, а на торце другой штанги размещена вставка цилиндрической формы с центральной полостью для ввода наконечника. Вставка расположена внутри оболочки. На наружной поверхности вставки выполнены сквозные продольные прорези. Внутренние объемы сильфонов и оболочки сообщены с патрубками подвода и отвода газа. Вставка выполнена составной, внутренняя часть из циркониевого сплава, а наружная из оксида алюминия. 1 н.п. ф-лы, 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Полезная модель относится к атомной энергетике, в частности к устройству для механического испытания трубчатых оболочек, и может найти применение на предприятиях для исследования напряженно-деформированного состояний оболочек тепловыделяющих элементов для реакторов типа ВВЭР и PWR.

Тепловыделяющие элементы (твэлы) являются наиболее ответственными и самыми напряженными конструкциями активной зоны современного ядерного энергетического реактора. Оболочка твэла обеспечивает требуемую механическую прочность конструкции, а также защищает ядерное топливо и продукты деления от коррозионно-эрозионного воздействия теплоносителя. Выход твэла из строя приводит к наиболее опасным последствиям - попаданию ядерного топлива и продуктов деления в контур теплоносителя. Помимо механического взаимодействия топлива, в результате которого в оболочке возникают окружные и осевые растягивающие напряжения, на оболочку одновременно воздействуют продукты деления. Совместное взаимодействие этих двух факторов и может привести к разрушению оболочки - коррозионному растрескиванию под напряжением. [Ф.Г. Решетников, Ю.К. Бибилашвили, И.С. Головнин и др. Разработка, производство и эксплуатация тепловыделяющих элементов энергетических реакторов. Книга 1, М.: Энергоатомиздат, 1995, стр.40-44; 173-178].

Одним из факторов, приводящих к накоплению повреждений и соответствующему снижению ресурсных характеристик твэла, является термомеханическое взаимодействие таблеток топлива с оболочкой твэла в переходных режимах эксплуатации реакторной установки. Данный фактор приводит к высоким растягивающим напряжениям в циркониевой оболочке, при которых возможно повреждение последней по механизму коррозионного растрескивания под напряжением. Критерием термомеханического взаимодействия таблеток топлива с оболочкой твэла в переходных режимах эксплуатации реакторной установки является предел остаточной деформации циркониевой оболочки. Для того чтобы провести экспериментальное обоснование указанного критерия нужно провести испытания оболочек твэла в условиях взаимодействия топлива с оболочкой твэла.

Известно устройство (прототип) для механических испытаний трубчатых оболочек твэла в условиях взаимодействия топлива с оболочкой твэла [Journal of Nuclear Materials 131 (1985) стр.99-104]. Устройство состоит из двух подвижных штоков, испытуемого образца (трубчатой оболочки из циркониевого сплава) и имитатора топливной таблетки.

В двух подвижных штоках устройства предусмотрены отверстия для осуществления подвода и отвода газа. Испытуемый образец с имитатором топливной таблетки находится между двумя штоками. В зоне контакта испытуемого образца и подвижных штоков выполнены кольцевые проточки с герметизирующими прокладками. Внутри испытуемого образца размещен имитатор топливной таблетки. Имитатор топливной таблетки состоит из втулки, четырех промежуточных вставок и циркониевого стержня. Втулку изготавливают из оксида алюминия Аl₂О₃ . Внутри втулки расположены с зазором в 0,4 мм четыре промежуточные вставки из карбида вольфрама WC, которые образуют цилиндрическое отверстие, с размещенным в нем циркониевым стержнем. Для моделирования повышенной температуры в реакторе, устройство помещают в печь и нагревают. Через отверстия в подвижном штоке подают газ. Подвижные штоки под действием осевой силы сжимают циркониевой стержень. Сжатие стержня приводит к его радиальному деформированию, которое передается четырем промежуточным вставкам. Промежуточные вставки давят на втулку, приводя ее к растрескиванию. Втулка давит на испытуемый образец, приводя его к деформации.

Недостатками данного устройства являются отсутствие возможности прямого наблюдения за процессом деформирования, сложная конструкция вставки, невозможность оценить деформацию в процессе испытания.

Задачей полезной модели является усовершенствование устройства, повышение качества и достоверности измерений, упрощение конструкции имитатора топливной таблетки.

Техническим результатом заявляемой полезной модели является возможность осуществлять прямой замер деформации контактными и бесконтактными методами и наблюдать развитие трещин в случае их появления, возможность прямого наблюдения во время эксперимента,

Технический результат достигается тем, что устройство для механических испытаний трубчатых оболочек включает две соосные штанги, установленные с возможностью перемещения в осевом направлении, в торцевых зонах штанг с помощью сильфонов размещены зажимы для герметичного и концентричного размещения трубчатой оболочки, на торце одной из штанг размещен пуансон с коническим наконечником, а на торце другой штанги размещена вставка цилиндрической формы с центральной полостью для ввода наконечника, вставка расположена внутри оболочки, на наружной поверхности вставки выполнены сквозные продольные прорези, при этом внутренние объемы сильфонов и оболочки сообщены с патрубками подвода и отвода газа.

В частном варианте внутренняя часть вставки выполнена из циркониевого сплава, а наружная часть вставки выполнена из оксида алюминия.

На фиг.1 показано устройство для механических испытаний.

На фиг.2 показано сечение А - А.

На фиг.3 показаны наружная и внутренняя части вставки в разрезе.

Устройство для механических испытаний трубчатых оболочек состоит из штанг - 1 и 2; сильфонов - 3 и 4; зажимов - 5; трубчатой оболочки - 6; пуансона - 7; вставки - 8; сквозных продольных прорезей - 9; внутренней части вставки - 10; наружной части вставки - 11; патрубков подвода и отвода газа - 12 и 13.

Устройство содержит две соосные штанги 1 и 2. Штанги 1 и 2 установлены с возможностью перемещения в осевом направлении. Осевое перемещение штанг осуществляют посредством гидроцилиндра (на фигурах не показан), расположенного под штангой 1. В торцевых зонах штанг 1 и 2 с помощью сильфонов 3 и 4 размещены зажимы 5 для герметичного и концентричного размещения трубчатой оболочки 6, выполненной из циркониевого сплава. На торце штанги 2 размещен пуансон 7 с коническим наконечником. Пуансон 7 размещен с возможностью вертикального перемещения и является съемным. На торце штанги 1 размещена вставка 8 цилиндрической формы с центральной полостью для ввода наконечника пуансона 7. Вставка 8 является имитатором топливной таблетки и расположена внутри трубчатой оболочки 6. На наружной поверхности вставки 8 выполнены сквозные продольные прорези 9 в количестве от 2 до 16 штук, для имитации радиально-осевых трещин в топливе и подвода по ним газа. Различное количество сквозных продольных прорезей 9 обеспечивает растрескивание вставки 8 на заданное число фрагментов. Вставка 8 выполнена составной. Внутреннюю часть вставки 10 изготавливают из циркониевого сплава. Наружную часть 11 вставки изготавливают из оксида алюминия, механические свойства которого, такие как прочность на сжатие или раздавливание и коэффициент линейного расширения, близки по абсолютному значению с топливной таблеткой из диоксида урана UO₂. Внутренняя часть 10 вставки служит для передачи осевой нагрузки от пуансона 7 к наружной части 11 вставки. Внутренние объемы сильфонов 3, 4 и трубчатой оболочки 6 сообщены с патрубками подвода 12 и отвода газа 13.

Для моделирования напряженно-деформированного состояния оболочек твэлов в условиях работы реактора данное устройство для механических испытаний оболочек твэла помещают в печь (на фигурах не показана).

Устройство работает следующим образом.

Устройство помещают в печь. В зависимости от требований к эксперименту нагревают печь до нужной температуры. Газ по патрубку подвода 12 через кольцевой канал сильфона 3 попадает внутрь трубчатой оболочки 6. Внутри трубчатой оболочки 6 газ проходит по сквозным продольным прорезям 9, имитируя при этом взаимодействие топлива с оболочкой. Далее газ проходит между трубчатой оболочкой 6 и пуансоном 7, размещенном на торце штанги 2. Из трубчатой оболочки 6 осуществляют выход газа через кольцевой канал сильфона 4 по патрубку отвода 13. Зажимы 5 обеспечивают герметичное и концентричное размещение трубчатой оболочки 6. Далее осуществляют механическое нагружение трубчатой оболочки 6. Гидроцилиндр приводит в движение штангу 1. Пуансон 7 воздействует на вставку 8, а именно на внутреннюю часть вставки 10, в результате этого во внутренней части 10 вставки будут образовываться окружные напряжения и передаваться на наружную часть вставки 11, которая в свою очередь нагружает трубчатую оболочку 6. В результате имитации взаимодействия топлива с оболочкой твэла в трубчатой оболочке 6 возникают трещины. Данная схема моделирования имитирует тепловое расширение реальной топливной таблетки с трещинами.

Пример.

Для испытаний устройства с целью оценки его функциональности в части деформирования трубчатой оболочки из циркониевого сплава за счет перемещения пуансона была использована нагружающая система Instron 8861 30 кН. Устройство помещали в печь. Процесс нагрева, поддержания и контроля температуры обеспечивал контроллер Fast Track 8800.

В качестве испытуемого образца использовали трубчатую оболочку из циркониевого сплава Э110 о.ч. 9,1×7,73×45 мм (внешний диаметр × внутренний диаметр × высота), внутреннею часть вставки изготавливали из циркониевого сплава.

Нагрев трубчатой оболочки до t=380°C осуществляли в течение 1 часа.

Для оценки деформации трубчатой оболочки в процессе испытаний при скорости деформации ~0,05 мм/мин использовали контактный осевой высокотемпературный экстензометр, прикрепленный к центральной области трубчатой оболочки, с базой 25 мм.

Диаметральная деформация трубчатой оболочки определялась при комнатной температуре, электронным микрометром - МКЦ 0-25, путем замера наружного диаметра с точностью не менее 0,004 мм.

Относительное значение диаметральной деформации , %, определяли по известной формуле:

где D_o - исходное значение наружного диаметра испытуемого образца, мм;

D_k - значение наружного диаметра испытуемого образца после испытаний, измеренное при комнатной температуре, мм.

Основные характеристики испытуемого образца и составных частей

механического нагружающего устройства представлены в таблице 1, где _B - временный предел прочности при указанных температурах.

Таблица 1
Геометрические параметры образца и составных частей МНУ
Наименование	Основные размеры, мм	Примечание
Испытуемый образец (трубчатая оболочка) - сплав Э110 о.ч.	7,73 - внутренний диаметр 45 - длина 9,1 - внешний диаметр
Наружная часть втулки - оксид алюминия	4 паза - 0,4×0,9×20 5,05 - внутренний диаметр 7,65 - внешний диаметр
Пуансон - 20Х13	Конусность 30°7,5
Внутренняя часть втулки - циркониевый сплав	3 - внутренний диаметр5,05 - внешний диаметр20 - длина

После завершения эксперимента был измерен наружный диаметр трубчатой оболочки при комнатной температуре и рассчитана ее диаметральная деформация по формуле, приведенной выше, значение которой при данных условиях испытаний составило ~4,8% и рассчитанной с целью дальнейшего получения предела остаточной деформации циркониевой оболочки. При испытаниях было получено также незначительное осевое деформирование испытуемого образца - отклонение от прямолинейности оси оболочки.

Из приведенного примера следует, что:

- устройство создает растягивающие тангенциальные напряжения в трубчатых оболочках;

- устройство работает в диапазоне осевых нагрузок до 40 кН;

- устройство обеспечивает уровень конечной деформации 0,1-5%;

- устройство совместимо с нагружающей системой Instron 8861, а также его возможно переналадить под другой тип оболочки твэла (PWR, BWR, ВВЭР);

- наблюдения за испытуемым образцом ведут во время эксперимента. Таким образом, предлагаемая полезная модель позволяет проводить испытания на циркониевых оболочках как отечественных типов реакторов ВВЭР, так и зарубежных PWR и BWR.

1. Устройство для механических испытаний трубчатых оболочек, включающее две соосные штанги, установленные с возможностью перемещения в осевом направлении, в торцевых зонах штанг с помощью сильфонов размещены зажимы для герметичного и концентричного размещения трубчатой оболочки, на торце одной из штанг размещен пуансон с коническим наконечником, а на торце другой штанги размещена вставка цилиндрической формы с центральной полостью для ввода наконечника, вставка расположена внутри оболочки, на наружной поверхности вставки выполнены сквозные продольные прорези, при этом внутренние объемы сильфонов и оболочки сообщены с патрубками подвода и отвода газа.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что внутренняя часть вставки выполнена из циркониевого сплава, а наружная часть вставки выполнена из оксида алюминия.