破損階段法

20世紀(jì)30年代，蘇聯(lián)學(xué)者格沃茲捷夫、帕斯金爾納克等提出。

計算公式：

特點 ：以截面內(nèi)力，而不是應(yīng)力為考察對象，考慮了材料的塑性性質(zhì)及其極限強(qiáng)度，內(nèi)力計算多數(shù)仍采用線彈性方法，少數(shù)采用彈性方法，仍采用單一的、經(jīng)驗的安全系數(shù)。

優(yōu)點：這種方法以構(gòu)件破壞時的受力狀態(tài)為依據(jù)，考慮了材料的塑性性能，在表達(dá)式中引入了安全系數(shù)，使得構(gòu)件有了總體安全度的概念。

缺點：安全系數(shù)的取值仍然憑經(jīng)驗確定。而且沒有考慮到構(gòu)件在正常使用時的變形和裂縫問題。

設(shè)計原則：結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到破壞階段時的設(shè)計承載力不低于標(biāo)準(zhǔn)荷載產(chǎn)生的構(gòu)件內(nèi)力乘以安全系數(shù)K。2100433B

元件棒上端氣腔內(nèi)潮氣監(jiān)測器和元件棒氣空間設(shè)置氣體壓力監(jiān)測器這兩種方法的優(yōu)點是不需將元件移出堆外即能定位探測破損棒。易操作，省時間。但需要在每個元件棒上裝一傳感器。這給元件制造增加了不少麻煩。并且堆內(nèi)測量輻射劑量大，裝置需采用耐輻照材料。

紅外測量元件端塞溫度、振動監(jiān)測和超聲波檢測方法具有下列優(yōu)點：

1.不受放射性環(huán)境影響，它們多是采用非放射性測量技術(shù)，沒有沾污本底問題；

2.定位檢測時僅需移走元件組件上管座，不需抽出元件，避免了擦傷；

3.不需在元件上另設(shè)附加固定裝置。

從檢測時間上看，后三種可能不及前兩種方法快。目前發(fā)展后三種方法較多，尤其是超聲波監(jiān)測。超聲探測技術(shù)比較成熟，探測出元件破損的把握性較大，已經(jīng)在反應(yīng)堆上應(yīng)用 。

反應(yīng)堆運行期間，個別元件棒會產(chǎn)生局部的破損，裂變產(chǎn)物逸入冷卻劑中，使回路、設(shè)備、廠房、甚至周圍環(huán)境放射性水平增高，危及運行人員乃至周圍居民的安全 。

破損元件探測啜吸法

從60年代起，國外普遍采用了“啜吸法”(sipping)技術(shù)來探測元件破損 。

在堆換料期間，將燃料組件送到貯存水池并放入一密封罐內(nèi)浸泡約15分鐘，然后從罐中抽取水樣，測定水樣中碘133和碘131含量來判斷是否有破損元件棒，此為“濕啜吸”。濕法由于系統(tǒng)沾污，探測靈敏度較低 。

在濕法基礎(chǔ)上又發(fā)展了“干啜吸法”，將組件放入一無底隔離罐中先用壓縮空氣將罐內(nèi)水壓出，讓元件曝露于空氣中，(約5一25分鐘)，元件得不到冷卻溫度升高，元件內(nèi)裂變氣體釋放增加并向外逸出。然后抽出罐內(nèi)氣體重新使元件浸沒在水中。對抽出氣體進(jìn)行放射性測量來判斷元件是否產(chǎn)生破損。此法靈敏度較濕法高，但存在著元件可能過熱燒毀的危險.以上方法都只能檢測出組件破損，為了定出組件中哪一根元件棒破損還需抽出全部或部：分元件棒逐個檢查(可用外觀或渦流檢查等)，將確定破損元件棒用好元件或假元件更換，將其余好元件重新插回組件，然后再返回到堆中重新使用 。

啜吸法存在兩個問題：

①定位破損元件棒需化費較長時間，檢查一盒組件約需一小時左右，還不包括解體、重新組裝時詞。停堆時間長短是影響核電經(jīng)濟(jì)性的，一座180萬千瓦核電站停堆一天將影響產(chǎn)值約164萬美元。

②組件解體及重新組裝過程中，組件定位格架使元件包殼表面擦傷或刻有溝槽，元件棒重新投入運行使帶有隱患。若將帶有破損棒組件棄之不用則更不經(jīng)濟(jì)(一盒組件約需近百萬美元)。

鑒于上述情況，自70年代以來，國外有不少人研究發(fā)展定位探測破損元件棒新方法，這些方法都不需解體組件即能迅速、可靠地定位破損元件棒 。

破損元件探測元件棒上端氣腔內(nèi)潮氣監(jiān)測器

元件破損后水將進(jìn)入包殼，遇到熱元件產(chǎn)生水汽，它會上升到元件上端氣腔內(nèi)，在那里設(shè)置一潮氣監(jiān)測器可以指示元件破損。

一種潮氣監(jiān)測器采用易潮解的磁性壓緊體作為敏感體，(如鋁粉、汞化合物及鐵粉混合物)裝入一非磁性抗潮材料的盒子內(nèi)，盒上方留有空間，盒上開有小孔。如元件破損，則水汽從小孔進(jìn)入盒，水汽潮解了盒內(nèi)壓緊體，汞化合物是鋁粉潮解的催化劑，壓緊體體積膨脹。元件端帽處可利用磁測量探頭來測量盒內(nèi)磁阻的變化。如圖1所示。

另一種形式潮氣監(jiān)測器（片形結(jié)構(gòu)潮氣監(jiān)測器），如圖2所示，是一個鐵磁體容器懸掛在元件氣空間上端，容器上端開孔，幾片固體材料支撐使容器被懸掛在球體上，這幾片固體材料是由潮解物組成(碳化鈾、碳化牡、碳化鈣等)，它們遇水汽潮解后碎成粉末，這樣容器便落到氣空間底部，磁容器位置變化可由元件棒外磁感應(yīng)探測裝置測出 。

破損元件探測元件棒氣空間設(shè)置氣體壓力監(jiān)測器

由于元件預(yù)充氣及輻照過程中不斷產(chǎn)生裂變氣體，元件內(nèi)壓力升高，有時甚至達(dá)175公斤力/平方厘米，但一旦元件破損氣體漏出，氣壓將會下降。在元件棒氣空間L方設(shè)置一氣壓監(jiān)測器即可報知元件破損。

圖3為兩種氣壓監(jiān)測器示意圖，氣空間有氣壓時薄膜彎曲(或波紋管膨脹)推動拋射物在導(dǎo)向管內(nèi)向上移動，拋射物上截是由磁鐵組成，其移動距離可用渦流法測出 。

破損元件探測紅外測量元件端塞溫度法

停堆換料期間將組件送到貯存水池，移走組件上端管座，將組件垂直地放入水池中一特制容器內(nèi)。容器上端開口，由元件剩余發(fā)熱或下部的加熱冷卻裝置使容器內(nèi)水溫維持在100℃。用吊車將一鐘形罩罩在容器上，它與容器形成一環(huán)形間隙。氣體從供氣孔通過噴嘴向覃內(nèi)供氣。壓縮空氣將水從環(huán)形間隙向外排出，使罩內(nèi)維持一定水面，此水面應(yīng)稍高于元件棒內(nèi)燃料塊，以保證其得到冷卻。元件棒上端氣空間暴露在氣體中。元件端塞受到氣流冷卻，這樣，破損元件的端塞溫度將比未破損的高。用紅外測溫掃描探頭測得各元件端塞溫度分布即可知那根元件破損。為了避免元件釋放的γ射線干擾，可增設(shè)γ屏蔽，也可用鏡子反射紅外光 。

破損元件探測振動監(jiān)測法

水進(jìn)入元件破損處遇到熱元件會產(chǎn)生沸騰或湍流，它們都具有一定的振動頻率及幅度，如能探測到這些信號，就可推知元件發(fā)生了破損。探測裝置是利用一根具有高彈性模量的長探桿(彈性模量超過2000000磅/英寸與伸入水下緊緊接觸水下元件組件上管座，元件破損引起的沸騰及湍流的振動將傳遞到整個組件，探針緊貼探桿上端，它將振動信號按圖4系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枅缶蛴涗?，指示元件破損 。

考慮到沸騰產(chǎn)生水飽可能會吸附到燃料塊表面或元件棒上端，有人采用了一些改進(jìn)辦法，設(shè)法使元件棒內(nèi)壓力高于外部浸沒水壓，迫使元件內(nèi)水泡向外排出，產(chǎn)生振動?，F(xiàn)舉三種改進(jìn)辦法：

斷流法：將一罩子放在元件上，隔斷通過組件的冷卻水，罩子上方留有一定量空氣，這樣使元件溫度升高，元件內(nèi)壓亦增高。

加壓法：將組件放入一壓力容器，此容器可瞬時加壓。容器密封后經(jīng)3^#排水閥將水抽走，然后通過供氣口充氣并達(dá)一定氣壓，如包殼有破損，則氣體進(jìn)入元件棒此后，通過供水口用泵將水打入容器，使氣水壓達(dá)到平衡，水位高過元件時再打開3^#閥放水，氣體通過1^#閥進(jìn)行抽空，2^#閥保持水壓。突然打開3^#閥排水，容器內(nèi)壓力突然降低，元件內(nèi)壓大于水壓，破損元件內(nèi)氣泡必然從孔向外排出。

換料過程降壓法：將測振探測器放在吊裝元件抓鉤上，元件從反應(yīng)堆中向上吊出，組件在水中浸沒深度逐漸減小，元件棒外水壓可降低一半，這就足夠引起元件內(nèi)水泡向外發(fā)射。

上述改進(jìn)裝置中均設(shè)有振動器使元件受振動，強(qiáng)迫水泡從破口處排出。觀察水泡出現(xiàn)在水面的位置可判斷破損元件棒位置，破損的垂直部位可通過測定水泡發(fā)射到達(dá)水面經(jīng)過的時間來推斷。

破損元件探測超聲波監(jiān)測法

將一小尺寸超聲波探頭插入組件元件棒下端，貼著元件氣空間外壁向內(nèi)發(fā)送幾兆赫的超聲波，同時它又接收其反射波，如圖5。破損元件氣空間充水，反射波有二個。非破損元件內(nèi)充氣，僅一個反射波。

超聲波探頭是將一個小超聲波探測元件(如鋯鈦酸鉛)嵌在一窄條形鋁載體內(nèi)。當(dāng)條形鋁插入元件棒之間時，探測元件與條形鋁面相平。探測元件一面緊貼待測元件氣空間外壁，其反面襯以聲阻尼材料(如鎢粉與多硫化合物聚合體)，探測元件四周用去耦絕緣材料隔開，以減少超聲耦合。探測元件表面與鋁相通接地，其信號線引到同軸電纜直送到超聲儀上?？梢灾瞥啥嗦诽綔y器，并用自動控制移位探頭達(dá)到迅速地檢查所有元件。

另一種超聲波探測器是垂直對準(zhǔn)元件上端帽進(jìn)行測量，裝置中元件上氣腔段一部分進(jìn)行電加熱，則破損元件內(nèi)水或水汽受熱后蒸發(fā)上升，元件端帽處用水冷卻，水汽在端帽處冷凝形成液滴下落，超聲波探頭對準(zhǔn)端帽發(fā)射及接收超聲波，破損元件氣腔內(nèi)由于水的蒸發(fā)、冷凝、液滴形成及一下落均對反射波產(chǎn)生干擾，而非破損元件則無此干擾，因而兩者可加以區(qū)別。加熱氣腔段可采用高頻感應(yīng)加熱(100千赫)，功率約為300瓦。頻率高則感應(yīng)線圈匝數(shù)可少，體積小。測量時需移去組件上管座 。

監(jiān)測原理監(jiān)測參量的選取監(jiān)測原理監(jiān)測原理框圖監(jiān)測刀具磨損和破損的方法很多，可分為直接測量法和間接測量法兩大類。直接測量法主要有：光學(xué)法、接觸電阻法、放射性法等。間接測量法主要有：切削力或功率測量法，刀具和工件測量法，溫度測量法，振動分析法，AE法，電機(jī)電流或功率測量法等。

比較現(xiàn)有的刀具磨損和破損的監(jiān)測方法，各有優(yōu)缺點，我們選取聲發(fā)射(AE)和電機(jī)電流信號作為監(jiān)測參量。這是因為AE信號能避開機(jī)加工中噪聲影響最嚴(yán)重的低頻區(qū)，受振動和聲頻噪聲影響小，在感興趣區(qū)信噪比較高，便于對信號進(jìn)行處理。響應(yīng)速度快，靈敏度高;但重負(fù)荷時，易受干擾。而電機(jī)電流信號易于提取，能適應(yīng)所有的機(jī)加工過程，對正常的切削加工沒有影響，但易受干擾，時間響應(yīng)慢，輕負(fù)荷時，靈敏度低。這樣，同時選AE和電機(jī)電流為監(jiān)測信號，就能利用這2個監(jiān)測量的各自長處，互補不足，拓寬監(jiān)測范圍，提高監(jiān)測精度和判別成功率。 2100433B