ПРОБЛЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ И НАДЕЖНОСТИ МАШИН
№ 5, 2012
УДК 689.89
© 2012 г. Дроздов Ю.Н., Макаров В.В., Афанасьев А.В., Пучков В.Н., Осипова Е.П.
ПРОЦЕСС ТРЕНИЯ ОБРАЗЦОВ ОБОЛОЧЕК ТВЭЛ И ЯЧЕЕК ДИСТАНЦИОНИРУЮЩИХ РЕШЕТОК ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩЕЙ СБОРКИ
РЕАКТОРА ВВЭР
Приведены методика и результаты испытаний образцов оболочек твэл и ячеек дистанционирующих решеток на трение при варьировании технологических и эксплуатационных факторов. Определены коэффициенты трения при различных режимах нагружения, исследовано влияние таких факторов, как вибрация, контактная нагрузка, скорость перемещения образца, среда, температура.
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 дистанционирующих решеток 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 дистанционирующих решеток, в ходе которых изучается 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 трений может значительно изменяться в зависимости от состояния поверхности образцов. При наличии оксидных пленок, образующихся в условиях, близких к реакторным, коэффициенты трения составляют 0,1—0,2, тогда как коэффициенты трения чистых металлических поверхностей составляют в среднем 0,5—0,6, что характерно для процесса сборки TBC [1]. Эксперименты в НЗХК (Новосибирский завод химконцентратов) по синхронному продавливанию 312 твэлов без окисных пленок с коэффициентом трения 0,6 в двухпролетной модели привели к депланации и разрушению некоторых конструкций дистанционирующих решеток [2]. Расчеты термомеханической прочности ТВС с коэффициентом трения 0,6 между твэлами и дистанционирующей решеткой, выполненные в РНЦ КИ (Российский научный центр "Курчатовский институт"), приводят к напряжениям выше предела текучести в направляющем канале. 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 удли-
Рис. 1
Рис. 5
Рис. 2
нения твэлов, а также температура и среда до настоящего времени изучено не было. Поэтому целью настоящей статьи являлось определение влияния перечисленных факторов на коэффициент трения циркониевых сплавов. Поскольку коэффициенты трения циркониевых сплавов на различных этапах жизненного цикла ТВС существенно отличаются, то в качестве образцов были взяты фрагменты шлифованных оболочек и ячеек дистанционирующих решеток ТВС-2006 в состоянии поставки с завода без защитных пленок и с защитными пленками, полученными путем автоклавирования.
Методика и результаты испытаний образцов в состоянии поставки. Для испытаний на трение применительно к процессу сборки ТВС в качестве образцов использовали оболочки твэлов длиной 45 мм и фрагменты ячеек дистанционирующих решеток ТВС АЭС-2006 в состоянии поставки с завода (рис. 1). Перед испытаниями ячейки разрезали вдоль образующей на три части. Ширина фрагмента ячейки составляла 7—7,5 мм.
Испытания проводили на трибометре (машине трения) ИМТ-3М производства фирмы СЕТЯ, 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 рис. 2.
Трибометр позволяет проводить испытания образцов на трение в диапазоне контактных нагрузок от 1 до 100 Н со скоростью продольного перемещения образцов от
COF
- . . . '
0 5
15
25
35 N
СОБ N
0,8 ' -2 г
0,6 " -6 -
0,4 - /
0,2 -10
0 -14 -и
Lv, мм
0,02 0
0,02 0,04 0,06 0,08 0,10
98,0 98,5 99,0 99,5 Ише, 8ее
Рис. 3
Рис. 4
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°.
Для режимов с вибрацией при нахождении коэффициентов трения (СОБ) помимо продольной составляющей силы трения ¥х и контактной нагрузки ¥2 необходимо учитывать поперечную составляющую ¥У, т.е. СОБ = ¿¡гХ+Ру/Г2, где ¥х — сила трения в направлении оси X, Н; ¥У — сила трения в направлении оси У, Н; ¥2 — контактная нагрузка, Н.
Для практики представляет интерес сила трения в направлении поступательного движения (в направлении оси X). Далее по тексту для режимов с поперечной вибрацией за коэффициент трения будем принимать отношение продольной составляющей силы трения к контактной нагрузке, без учета поперечной составляющей СОБ = ¥х/¥г.
Испытания образцов в состоянии поставки проводили 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 варьировали следующие режимы; контактная нагрузка 3—80 Н; среда — воздух и вода; частота поперечной вибрации вдоль оси У (5—40 Гц).
Типичный для всех режимов график изменения коэффициента трения в направлении поступательного движения (СОБ) от количества полуциклов (Щ) для возвратно-поступательного движения образцов в состоянии поставки показан на рис. 3 (1 — максимальный СОБ, 2 — средний и 3 — минимальный). На графике показаны максимальные, средние и минимальные значения коэффициентов трения в направлении поступательного движения за один ход на 5 мм (полуцикл) возвратно-поступательного движения. Пилообразный характер кривых объясняется различной силой трения при противоположных направлениях взаимного продольного перемещения (эффект рубанка).
Для образцов оболочек и ячеек дистанционирующей решетки в состоянии поставки при различных режимах нагружения рассчитывали максимальные, средние и минимальные значения коэффициентов трения в направлении поступательного движения, взятые по всем полуциклам.
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 в направлении поступательного движения с частотой равной или кратной частоте вибрации. На рис. 4 в качестве примера приведена зависимость коэффициента трения в направлении поступательного движения от времени в условиях поперечной вибрации с частотой 5 Гц при контактной нагрузке 10 Н (1 — коэффициент трения, 2 — нагрузка, 3 — перемещение). При этом коэффициент трения в направлении поступательного движения изменяется с частотой 10 Гц, принимая значения от 0,2 до 0,6. На графике также представлены контактная нагрузка ¥г и поперечное перемещение Ьу Влияния контактной нагрузки
COF Без
вибрации С вибрацией Без вибрации
Vjv^4 | |
0 0,6 1,8 2,4 X, мм 3,6
Рис. 6
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 дистанционирующей решетки были автоклавированы в течение 35 ч в воде при 320° (рис. 5). В результате автоклавирования на поверхности образцов образовалась черная оксидная пленка толщиной 1 мкм.
Испытания проводили при поступательном движении образцов при варьировании температуры (20 или 320°), среды (воздух, вода), скорости перемещения (0,001 и 1 мм/с), контактной силы (1—10 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. Испытания с вибрацией показали существование области с аномально низкими коэффициентами трения в направлении поступательного движения порядка 0,03 (рис. 6); контактная нагрузка 1Н, частота вибрации 16,5 Гц). Эта величина характерна только для режимов испытаний автоклавированных образцов с вибрацией и продольной скоростью скольжения 0,001 мм/с. В зависимости от параметров нагрузки, температуры, пройденного пути эта область либо сохранялась в течение всего эксперимента, либо сменялась на трение с более высоким значением коэффициента трения в направлении поступательного движения, достигавшим 0,6. Увеличение коэффициента трения объясняется износом защитной плёнки на ячейке (или плёнок на обоих образцах) от вибрации и переходом к механизму трения чистых металлических поверхностей, для которых характерны значения коэффициентов трения в направлении поступательного движения 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 рис. 7 и 8.
Следует отметить, что в связи с податливостью держателей, амплитуда взаимного перемещения образцов в зоне контакта зависит от контактной силы. Так, 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 в направлении поступательного движения.
В отсутствие относительных поперечных проскальзываний в нормальных услов
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.