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核燃料棒端塞焊缝超声特征扫描检测机械系统研制

时间:2018-11-29 19:59来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是一篇机械工程论文,现代机械工程创造出越来越精巧和越来越复杂的机械和机械装置,使过去的许多幻想成为现实。人类已能上游天空和宇宙,下潜大洋深层,远窥百亿光年.
本文是一篇机械工程论文,现代机械工程创造出越来越精巧和越来越复杂的机械和机械装置,使过去的许多幻想成为现实。人类已能上游天空和宇宙,下潜大洋深层,远窥百亿光年,近察细胞和分子。(以上内容来自百度百科)今天为大家推荐一篇机械工程论文,供大家参考。
 
第 1 章 绪论
 
1.1 课题背景及意义
核能发电是众多发电方向的先锋之一。它不仅是一种清洁的能源,且核电站在稳定运行时不会释放二氧化碳、硫以及一氧化碳,进而不会对环境造成污染,是一种可长期开发的能源[1];核燃料的运输成本低,可不受季节、地域、白昼的限制,全天候供电;另外,我国政府给予了核电相关的政策支持,核电享受优先调度和电价保护的特权[2]。因此在我国电力体制变革过程中对核电的冲击较小,核电成本较低,价格稳定。核燃料棒属于核心反应堆中的重要组成部分,核燃料棒在反应堆中发生核裂变进而将能量转化为电能源。核燃料棒的质量将直接影响到核反应堆的经济性以及安全性。因此在进行核燃料棒制备的过程中需要严格把控,同时相应的质量检验力度也较大,需要从原材料到最终燃料棒的形成的所有过程进行逐个跟进。核燃料棒一般是由锆管和端塞组成的密封空间,其两端的端塞焊缝组成了防止泄露的第一道屏障[3],需要严格的把控。由于核燃料棒长时间工作在高温、高压的恶劣条件下,如果质量较差,则仍以造成核泄漏的事故,继而难以保障反应堆的可靠性,为人们的生命和财产安全带来影响。因此,需要对最为薄弱的核燃料棒端塞焊缝质量进行严格检测和把控。核燃料棒端塞焊缝的检测国内过去采用的是传统的射线检测。射线检测操作十分繁琐,所需要的检测周期较长,消耗的成本较高;同时在人为检测的过程中,因为灵敏度和人为操作的误差容易造成对裂纹漏检的现象;且射线检测对操作人员会造成辐射伤害。对比射线检测,超声检测优点更加突出[4]:(a) 检测成本比射线检测低,速度快,检测周期短。(b) 检测灵敏度高可检测工件内部很小的缺陷,对于不同种类的缺陷,其检测效果更好,从而大大地降低漏检率和误检率,且超声设备使用寿命较长并对人体与环境无害。(c) 超声设备自动化程度高,可以按照设计的工作流程对检测进行自动控制。
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1.2 核燃料棒端塞焊缝超声特征扫描概述
超声特征扫描属于基于特征扫描的一种技术方法,能够对采集的信号进行记录和存储,继而提取波形中存在的多种特征,如上升、下降以及幅值等多方面的波形信息,经过信号处理之后,能够通过图像的方式进行显示,需要对图像中呈现出的特征进行参数抽取,可以确定缺陷的类型、大小和位置[5]。超声特征扫描是由传统的B型扫描方式(如图1-1所示)和C型扫描[6](如图1-2所示)方式发展而来的。B 型扫描方式记录的是与超声波传播方向平行的截面内缺陷的分布情况,主要包含的参数有缺陷的深度位置、缺陷信号的幅值等。C 型扫描方式记录的是与超声波传播方向垂直的截面内缺陷的分布情况,主要包含的参数有缺陷在截面内的坐标分布以及缺陷信号的幅值等。超声特征扫描不仅兼备两种扫描方式的优点,可以获得检测工件内任意位置的缺陷情况,而且还可以根据波形中的各项特征参量进行频谱分析、滤波处理,实现对缺陷的识别功能,判断缺陷的类型,提高检测的定量化精度。通过对特征参量的提取分析,还可以评价核燃料棒的材料机械性能、应力应变状况、结构健康状况,实现对核燃料棒制造质量的全面监控。检测结果以直观化的、数字化的、图形化的方式表达,使得核燃料棒的制造质量变得一目了然。因此超声特征扫描方法大大提高了核燃料棒的检测能力,保证了核燃料棒的安全性和可靠性,实现了核燃料棒制造质量的定量评价。最后,由于全波列采集了超声信号[7],这就保证了时间上可以在很久以后仍然复现当时的检测结果,能够经受时间的考验,提供更有利的保障,同时还可以和先前实验处理的结果进行对比分析。
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第 2 章 核燃料棒端塞焊缝超声检测方案设计
 
2.1 检测对象及要求
本课题研究是借助超声扫描的方法对焊缝的质量实现很好的评价。核燃料棒主要由上、下端塞和锆管以及填充物组成。核燃料棒的外壳锆管材料是锆铌合金。核燃料棒总长度约为 4583mm,核燃料棒的外径为 9.500mm0.0370.038  ,内径为8.357mm0.0370.038  。核燃料棒的结构简图[41]如图 2-1 所示。本课题的检测要求:准确检测核燃料棒上、下端塞的环焊缝和上端塞密封焊焊缝状况。为了达到上述检测要求,需要制备符合检验标准的缺陷试块。如果等待工厂自然生产的天然缺陷核燃料棒,会大大延期实验进度,且无法准确评估尺寸。通过人工手段制作出与实际缺陷对应的缺陷棒,依然能达到验证的效果。对应于自然缺陷,分别制备环焊缝和密封焊处的人工缺陷,并达到检测需求,因为通常使用 V 型槽[42]代替未焊透、咬边缺陷,使用圆底孔代替气孔缺陷。所以针对环焊缝处的气孔或咬边缺陷,制作孔径 D   0.254mm的圆底孔;针对环焊缝的未焊透或咬边缺陷;针对密封焊的气孔或夹杂缺陷,制作 D   0.254mm的圆底孔。通过对上述模拟缺陷的检测,判断核燃料棒超声特征扫描检测系统的检测能力是否达到标准。
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2.2 系统总体方案设计
 
2.2.1 机电一体化装置方案设计
为了达到检测目的,需要对核燃料棒进行传输以到达检测区域进行检测,使用夹紧零部件夹紧燃料棒,通过气压传动并且由同步带传动带动核燃料棒的转动。旋转编码器和气压传动的执行机构马达同轴安装,燃料棒转动的角度传送到旋转编码器,从而给超声脉冲发生接收器提供所需外触发的同步脉冲信号。外触发后的超声信号经过核燃料棒端塞焊缝的缺陷后反射的信号被超声换能器接收,PC记录和储存这些经过采集卡采集并模数转换好的全波列信号[43-45]。使用超声特征扫描检测软件对用信号处理手段存储的检测图像进进行后续处理,利用时间和幅值等参数来确定缺陷的位置、类型和尺寸,更加有利于检测人员直观地看出检测结果。核燃料棒端塞焊缝检测系统逻辑框如下图 2-2 所示,一开始上位机发出运动信号给 PLC,该运动信号分为两部分(方向信号和动力信号),PLC 驱动气动马达,气动马达同轴带动各种分拣装置,即机械扫查系统,气动马达的运动带动编码器旋转,产生编码信号,该编码信号由于能够反映探头的移动位置,故而用来作为定位信号,即超声脉冲发射接收仪 5077PR 的外触发信号,最终超声检测信号经过滤波、AD 转换进入采集卡,供上位机调用处理。
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第 3 章 检测系统机械装置设计.........28
3.1 机械装置方案设计及总体要求....28
3.2 核燃料棒扫查过程.......29
3.3 减少干扰信号的常用方法及气动动力系统设计.........29
3.4 机械传动系统设计....31
3.5 机械夹持装置的设计........ 38
3.6 液体循环系统设计....41
3.7 探头架设计........42
3.8 本章小结............44
第 4 章 检测系统电气设计与软件设计.....45
4.1 电气系统............45
4.2 软件系统............52
4.3 本章小结............55
第 5 章 实验结果与分析....56
5.1 检测试块制备............ 56
5.2 成像结果分析............ 57
5.3 本章小结............62
 
第 5 章 实验结果与分析
 
5.1 检测试块制备
旨在对扫描系统最终的检测效果进行是否满足要求的评价,需要对带有缺陷的工件进行测试。在样品选择方面,尽量选择位于焊缝热影响区的缺陷工件,其中人工缺陷存在两种形式,分别为圆底孔和 V 型槽两种幸事。密封焊接处存在的人工缺陷是:圆底孔[70-72]。人工缺陷需要在焊接过程中使用电火花的加工处理方式,通过准备与缺陷相对应的电极实现在焊接处缺陷的形成,最终获得的电极情况见下图 5-1 所示对圆形底孔人工缺陷实现的检测效果为图 5-3 所示。图中旋转角度通过横坐标进行表达,单位为°,而扫描范围则通过纵坐标进行表达,单位为毫米。本课题中在进行一周的旋转后,能够实现120次 信号的采集,相邻采集点之间的角度差为3°;轴向移动0.2mm 后需要进行重复的扫描过程再重新进行一次周向扫查,因为轴向总扫描距离为5mm ,因此最终的检测图像需要由 25   120像素点构成。最终检测成像图均采用缺陷处的幅值成像方法。
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总结
 
本论文从超声特征成像方法出发,开发了核燃料棒端塞焊缝超声特征扫描成像系统,该系统结合多通道技术,配备多个探头,故可完全覆盖检测核燃料棒端塞焊缝区域内所有类型缺陷,通过成像算法的编写,对缺陷进行成像,结果直观可靠。本论文的总结如下:
1、本课题对核燃料棒端塞焊缝进行了研究,采用超声特征扫描检测方法进行检测,检测成像可以满足直径为 0.254mm缺陷的识别,与当前0.330mm检测当量相比,检测能力提高许多;
2、设备实现了端塞焊缝自动扫描探伤,对核燃料棒端塞焊缝区域内缺陷进行精确定位定量,为核燃料棒焊接质量的评价和相关检测标准的确定给予了实验支持;
3、针对被检测对象研制了专门的超声探头,有效灵敏度约比GE水浸探头小2dB ,不足之处是由于背衬材料的原因,探头的始波较长,加大了检测盲区;
4、设计制作了一套高精度的机械扫查装置,定位精度为0.2mm ,旋转抖动程度小于0.2mm ,可以满足核燃料棒端塞焊缝定量化检测的要求。
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参考文献(略)
 
(责任编辑:gufeng)
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