锆管强度检测系统的研究与设计

　　1 引言

　　锆合金具有密度低、比强高、耐腐蚀、加工性能优异、热中子吸收截面低等一系列特点，在核工业中得到了广泛的应用。其性能直接影响核电站的安全可靠性。而对于性能的检测，根据ASTM B811-90 标准的要求，需要对锆管进行内压闭端爆破实验，其爆破压力在100 ～150 MPa，属于超高压系统。由于各种液压元件的最大工作压力也只有31.5MPa，设计超高压系统就无法直接提高压力，而同时超高压系统的控制方法也有待进一步研究。

　　本文研制了一种新型管材内压爆破系统，详述系统原理，推导系统数学模型，并应用模糊PID 控制系统，达到了系统要求。

　　2 超高压管材爆破测试系统设计

　　该管材内压爆破检测系统主要用于核反应堆燃料包壳锆合金管材闭端爆破性能实验，用以检测锆管的强度。根据美国ASTMB811-90 附录A2 标准对于与该用途锆管的要求，该爆破检测系统必须满足以下主要的技术要求: ① 在管材弹性变形阶段，加压速率必须满足13.8 ±1. 4 MPa/min，在管材塑性变形阶段，要求加载系统对锆管充油的流量恒定，直至锆管爆破，加载时间约为5 ～10 min; ② 加载装置额定工作压力不低于150 MPa 并应有5%的过载能力，加载过程中，系统应是“刚性”的，保持压力稳定而不突变，爆破后应防止液体从试样管破口中喷出，压力应缓慢卸载。

　　根据系统的技术要求，对于系统压力的控制精度有较高的要求，同时要求塑性变形阶段流量恒定，系统采用电液伺服阀来构成以压力为控制对象的电液伺服系统，能够很好的满足系统的技术要求。设计的电液伺服系统原理图如图1 所示。

　　图1 示系统中，增压减流缸10 的活塞直径比设计为D₂/ d₂= 7. 5625，满足增压比要求，并拥有 5% 的过载能力，且输出流量仅为输入流量的1/7. 5625，能够有效减流。

　　液压泵给电液伺服阀供油，电液伺服阀的一个输出口接通增压减流装置的无杆腔，另一输出口接通增压减流装置的有杆腔并同时通过一个单向阀与柱塞腔接通。

　　爆破试验时，通过控制电液伺服阀控制压力油进入增压减流装置的有杆腔，推动活塞向右运动并使油液经单向阀充满柱塞腔，然后控制油液进入增压减流装置的无杆腔加压使活塞向左运动并挤压油液进入试件，通过安装在柱塞腔的压力传感器检测试件所受压力值，并输出力值用于电液伺服阀的控制，直至锆管爆破实验结束。

　　3 超高压伺服压力控制系统的数学模型

　　图2 是本项目方案中的电液伺服压力控制系统的原理图。系统组成如图所示。该加载系统通过比较设定力值与传感器测得实际值，得出偏差来控制液压伺服阀的阀芯位移以控制锆管内部压力。