周 潔

上海電氣核電集團(tuán)有限公司 上海 201306

1 設(shè)計背景

邵氏硬度計廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、化工、建材等行業(yè)的計量檢測及科研生產(chǎn),對成品和半成品的硬度性能測定具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、型小體輕、讀數(shù)直觀等特點,既可以隨身攜帶手持測量,也可以安裝在配套生產(chǎn)的同型號定荷架上進(jìn)行測量。由于邵氏硬度計只能對被測樣塊表面進(jìn)行硬度測量,因此使用范圍存在一定局限性。在石墨反應(yīng)堆退役的相關(guān)技術(shù)科研項目中,現(xiàn)有邵氏硬度計無法對反應(yīng)堆內(nèi)石墨塊直徑小于100 mm的內(nèi)孔壁硬度進(jìn)行專項檢測,從而難以確定石墨反應(yīng)堆退役項目的具體技術(shù)工藝路線。

上世紀(jì)早期,很多的核反應(yīng)堆是以石墨塊作為慢化劑和反射層的生產(chǎn)堆,大部分已經(jīng)關(guān)閉運行等待退役治理。目前,國內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)正在抓緊開展石墨堆退役準(zhǔn)備工作所需的技術(shù)開發(fā)和工程研究。在反應(yīng)堆運行期間,石墨塊中會積累一些放射性核素,尤其是碳-14。因此,石墨塊從反應(yīng)堆卸出后,通常被劃分為中等放射性廢物。

石墨堆的退役拆除問題十分復(fù)雜,需要充分了解石墨經(jīng)輻照后的特性。通過測定石墨塊的硬度數(shù)值來直觀地反映出退役石墨的硬度特性,以便確定適合的石墨回取方法。我國某退役石墨堆由石墨塊、石墨套管堆疊而成,上下石墨塊的連接靠端面的凹凸口楔合連接,形成垂直的石墨孔道,孔道中放置石墨棒。由于石墨反應(yīng)堆的堆疊結(jié)構(gòu),因此只能對石墨孔道內(nèi)壁進(jìn)行硬度測量來研究石墨塊的輻射損傷情況。

由于石墨塊的內(nèi)孔壁直徑一般不大于70 mm,而目前的邵氏硬度計最小外形尺寸已經(jīng)大于這一數(shù)值,因此無法將邵氏硬度計塞進(jìn)孔內(nèi)進(jìn)行硬度測量,需要開發(fā)一種特殊的邵氏硬度測量裝置,以便進(jìn)入深孔內(nèi)壁進(jìn)行硬度測量。

2 測量原理

邵氏硬度計測量的基本原理為在彈簧試驗力作用下,將一定形狀和硬度的鋼制壓針,垂直壓入試樣表面,當(dāng)壓足平面與試樣表面緊密貼合時,測量壓針相對壓足平面的伸出長度,經(jīng)換算得到邵氏硬度。通過測量壓針的伸長量,即可計算出相應(yīng)的邵氏硬度HA,關(guān)系式為:

H=100-l/0.025

(1)

式中:H為邵氏硬度HA;l為壓針伸出長度,mm。

由式(1)可知,邵氏硬度與壓針伸長量有關(guān)。

根據(jù)邵氏硬度計的使用原理可知,邵氏硬度屬于壓入硬度,即通過測量一定形狀的壓針在一定條件下壓入被測物體表面的深度,換算為一定的硬度進(jìn)行表示。壓入深度值與材料的彈性模量、塑性變形及黏彈性有關(guān)。邵氏硬度計的彈簧力隨被測物體硬度值不同而不同,當(dāng)壓針壓入被測物體時,彈簧受到壓縮產(chǎn)生彈簧力。被測物體表面反作用于壓針的力越大,壓針壓入被測物體表面的深度就越小。相反,試樣硬度越低,反作用于壓針的力越小,壓針壓入試樣表面的深度就越大。

3 工作原理

根據(jù)以上測量原理,筆者研制出一種專用于深孔內(nèi)壁的邵氏硬度測量裝置,實物如圖1所示。

圖1 邵氏硬度測量裝置實物

邵氏硬度測量裝置能夠進(jìn)入直徑小于70 mm的深孔,進(jìn)行邵氏硬度測量,并將測得的硬度數(shù)值輸出至外部數(shù)顯表中。邵氏硬度測量裝置通過外部動力拖拽,自身在重力作用下沿著測量對象的孔道內(nèi)下降。通過內(nèi)置于邵氏硬度測量裝置頭部的攝像頭,實時反饋被測物體孔道內(nèi)部情況。通過計米器計量,并反饋下降高度,到達(dá)指定高度后,停止下放動作。邵氏硬度測量裝置的頂部設(shè)置有氣缸作為探測裝置的動力執(zhí)行元件,通過控制設(shè)置在氣缸外部的控制按鈕進(jìn)行硬度測量。氣缸在壓縮空氣的驅(qū)動下垂直動作,隨即邵氏硬度測量裝置的前后凸塊及頂針等部件橫向移動,后凸塊和前凸板先接觸被測物體孔道。隨著進(jìn)一步動作,頂針扎入被測物體孔道內(nèi)壁,從而使彈簧發(fā)生一定壓縮量的變化。通過傳感器測量這一變化值,達(dá)到測量硬度的目的。通過綜合線纜中的信號線纜向外部傳輸硬度值,通過外部數(shù)顯表顯示。測量結(jié)束后,通過外部動力拖拽,將邵氏硬度測量裝置從被測物體孔道中提出。

4 結(jié)構(gòu)特點

邵氏硬度測量裝置由鋼外殼、法蘭環(huán)、氣缸頭部固定法蘭、夾板、頂針外板(含頂針、彈簧)、前凸板、前凸塊(含彈簧)、后凸塊(含彈簧)、斜口、配重、攝像頭、微距傳感器、氣缸、綜合線纜等組成。

綜合線纜主要包括為氣缸提供動力的氣管、位移傳感器的信號線纜、供電線纜、攝像頭的供電線、信號傳輸網(wǎng)線等,通過熱縮套管套成一股總線,便于外部動力進(jìn)行纏繞和收放線。邵氏硬度測量裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 邵氏硬度測量裝置結(jié)構(gòu)

邵氏硬度測量裝置通過外部動力拖拽,自身在重力作用下沿著被測量物體孔道內(nèi)下降,通過內(nèi)置在頭部的攝像頭實時反饋被測物體孔道內(nèi)部情況,到達(dá)要求高度后停止下放動作。通過操控氣缸外部的控制按鈕進(jìn)行硬度測量。氣缸外部控制按鈕按下后,電磁閥通電,壓縮空氣驅(qū)動氣缸動作。氣缸帶動斜口垂直運動,通過前凸塊和后凸塊將作用力轉(zhuǎn)換為橫向移動。

未測量時如圖3所示,黃色后凸塊和灰色前凸塊都在彈簧作用下向中心方向靠攏,整體呈收縮狀態(tài)。

圖3 未測量時

按下硬度測量按鈕后,氣缸動作,后凸塊和前凸塊先接觸被測物體孔道,如圖4所示。

圖4 后凸塊和前凸塊接觸孔道

隨著進(jìn)一步動作,頂針扎入被測量物體孔道內(nèi)部,同時彈簧發(fā)生一定壓縮量的變化。通過微距傳感器測量這一變化值,達(dá)到測量硬度的目的。通過綜合線纜中的信號線纜向外部傳輸硬度值,通過數(shù)顯表顯示。測量時如圖5所示。

圖5 測量時

測量結(jié)束后,經(jīng)外部動力的拖拽,將邵氏硬度測量裝置從被測物體孔道內(nèi)提出。

5 試驗驗證

5.1 試驗原理

為了驗證邵氏硬度測量裝置的功能滿足設(shè)計要求,將其和經(jīng)過標(biāo)定的邵氏硬度計對同一測量點進(jìn)行硬度測量,對比兩者的測量結(jié)果,測量偏差度不超過5%為合格。

由于邵氏硬度測量裝置的設(shè)計是對孔道內(nèi)壁進(jìn)行測量,而邵氏硬度計僅可對外壁進(jìn)行測量,因此為了達(dá)到測量標(biāo)準(zhǔn)的一致性,利用輔助工裝對邵氏硬度測量裝置進(jìn)行固定,實現(xiàn)對石墨塊外壁的硬度測量。輔助工裝如圖6所示。

圖6 輔助工裝

5.2 試驗內(nèi)容

(1) 應(yīng)用邵氏硬度測量裝置對石墨塊外壁進(jìn)行硬度測量。

(2) 使用標(biāo)定過的邵氏硬度計對石墨塊外壁進(jìn)行硬度測量。

(3) 對比上述兩種測量方式的硬度測量結(jié)果,偏差度應(yīng)不超過5%。

5.3 邵氏硬度測量裝置測量

(1) 將邵氏硬度測量裝置放入石墨塊外壁與輔助工裝的空隙中。

(2) 按下操作臺自鎖按鈕,氣缸伸出,邵氏硬度測量裝置前后凸塊整體頂出,數(shù)顯表顯示穩(wěn)定后,記錄測量結(jié)果。

(3) 再次按下操作臺自鎖按鈕,氣缸縮回,邵氏硬度測量裝置前后凸塊整體離開石墨塊外壁,數(shù)顯表顯示值歸零。

(4) 在石墨塊外壁隨機(jī)選取直徑10 mm范圍內(nèi)五個位置點位進(jìn)行邵氏硬度HA測量,分別記錄結(jié)果。

(5) 重復(fù)上述步驟,記錄三組數(shù)據(jù),見表1。

表1 邵氏硬度測量裝置測量數(shù)據(jù)

5.4 硬度計測量

同樣,在邵氏硬度測量裝置附近直徑10 mm范圍內(nèi)隨機(jī)選取五個位置點,使用邵氏硬度計進(jìn)行邵氏硬度HA測量,分別記錄結(jié)果。

重復(fù)上述步驟,記錄三組數(shù)據(jù),見表2。

表2 硬度計測量數(shù)據(jù)

5.5 結(jié)果對比

對三組分別通過邵氏硬度測量裝置和邵氏硬度計測量結(jié)果的平均值進(jìn)行對比,每組數(shù)據(jù)誤差在±5%以內(nèi)即為合格。

對上述測量結(jié)果進(jìn)行對比,誤差值均在±5%以內(nèi),滿足試驗要求,證明筆者研制的邵氏硬度測量裝置適用于對邵氏硬度HA在100以內(nèi)的樣件進(jìn)行邵氏硬度測量。

6 模擬測試

模擬測試是為了驗證邵氏硬度測量裝置對石墨孔道內(nèi)壁的檢測能力。由于內(nèi)壁結(jié)構(gòu)的局限性,無法使用邵氏硬度計進(jìn)行對比測量,因此只做功能性驗證。

將邵氏硬度測量裝置的探針放入石墨砌體孔道內(nèi)部,如圖7所示。按下操作臺的測量按鈕進(jìn)行測量,觀察數(shù)顯表顯示數(shù)值。在測量點附近10 mm高度范圍內(nèi)重復(fù)測量五次,根據(jù)現(xiàn)場情況選取垂直方向的不同測量點。邵氏硬度HA測量結(jié)果見表3。

圖7 實物測量

表3 實物測量結(jié)果

7 結(jié)束語

筆者研制的深孔內(nèi)壁邵氏硬度測量裝置能滿足石墨反應(yīng)堆退役項目所需的邵氏硬度測量要求,經(jīng)對比標(biāo)準(zhǔn)邵氏硬度計測量數(shù)值,測量誤差均在標(biāo)準(zhǔn)允許范圍內(nèi)。邵氏硬度測量裝置能夠深入樣件孔內(nèi)進(jìn)行內(nèi)壁部位的邵氏硬度測量,還可以推廣應(yīng)用于相同尺寸范圍內(nèi)其它材質(zhì)樣件的內(nèi)壁,進(jìn)行邵氏硬度測量。