路 燕 王 慶 馬若群 初起寶

(環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心，北京 100083)

CRDM移動(dòng)銜鐵釋放臨界電流超差處理方法研究

路 燕 王 慶 馬若群 初起寶

(環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心，北京 100083)

國內(nèi)某制造廠承制的壓水堆核電站控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)出現(xiàn)移動(dòng)銜鐵釋放臨界電流超差的不符合項(xiàng)，通過多種因素排查過程分析可能產(chǎn)生此不符合項(xiàng)的原因，并給出結(jié)論及處理方法，從中總結(jié)目前控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)國產(chǎn)化過程中存在的問題。

控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(CRDM)；移動(dòng)銜鐵；臨界電流

1 背景

控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(Control Rod Drive Mechanism，簡稱CRDM[1])是安裝于壓力容器頂蓋上的步進(jìn)式提升機(jī)構(gòu)，主要功能是在堆芯內(nèi)插入或抽出控制棒束組件[2]，以實(shí)現(xiàn)反應(yīng)性的控制。CRDM由耐壓殼、驅(qū)動(dòng)桿、鉤爪、線圈、棒位指示器和隔熱套組成[3]，如圖1所示。

圖1 CRDM結(jié)構(gòu)圖

CRDM出廠驗(yàn)收試驗(yàn)包括冷態(tài)試驗(yàn)、熱態(tài)試驗(yàn)以及熱態(tài)后的冷態(tài)試驗(yàn)。具體的試驗(yàn)要求如下[4-5]：

(1) 冷、熱態(tài)試驗(yàn)選取原則：每臺(tái)控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的鉤爪部件均應(yīng)做冷態(tài)試驗(yàn)；每個(gè)機(jī)組的控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)產(chǎn)品中，選擇2臺(tái)機(jī)構(gòu)做熱態(tài)性能試驗(yàn)。

(2) 冷態(tài)試驗(yàn)：試驗(yàn)壓力0.1 MPa，溫度小于100 ℃。

1) 鉤爪部件檢查：CRDM步長15.80～15.95 mm；負(fù)荷傳遞間隙1.20～1.57 mm；最大機(jī)電延遲時(shí)間0.150 s；銜鐵動(dòng)作電流測量。

2) 全行程運(yùn)行速度(72+2)步/min，在10～225步范圍內(nèi)往返7個(gè)全行程。

3) 線圈部件電性能檢驗(yàn)。

(3) 熱態(tài)試驗(yàn)：試驗(yàn)壓力(15.5±0.6)MPa，溫度(286±10)℃。

1) 100次全行程運(yùn)行。

2) 銜鐵動(dòng)作電流測量。

(4) 熱態(tài)后的冷態(tài)試驗(yàn)：要求與冷態(tài)試驗(yàn)要求一致。

各項(xiàng)試驗(yàn)中的銜鐵動(dòng)作臨界電流考核指標(biāo)在表1中列出。

對(duì)國內(nèi)一家制造廠為某核電廠制造的CRDM進(jìn)行出廠驗(yàn)收試驗(yàn)，按照合同規(guī)定，在45套CRDM中選取冷態(tài)試驗(yàn)時(shí)機(jī)電延遲時(shí)間最長的2套進(jìn)行熱態(tài)試驗(yàn)，13#CRDM機(jī)電延遲時(shí)間136 ms，為45套中最長；1#CRDM次之，機(jī)電延遲時(shí)間131 ms。上述2臺(tái)機(jī)構(gòu)冷態(tài)、熱態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)合格，但在進(jìn)行熱態(tài)后的冷態(tài)試驗(yàn)時(shí)，出現(xiàn)了移動(dòng)銜鐵吸合、釋放臨界電流超差、步長和負(fù)荷傳遞間隙超差的情況，如表2所示。

表1 銜鐵動(dòng)作臨界電流考核指標(biāo)

表2 首次試驗(yàn)NCR參數(shù)

制造廠對(duì)13#組件重新調(diào)整了步長、傳遞間隙，更換了新的不導(dǎo)磁片，進(jìn)行熱態(tài)試驗(yàn)以及熱態(tài)后的冷態(tài)試驗(yàn)；從剩余的鉤爪組件中又選取了2套機(jī)電延遲時(shí)間最長的58#、59#進(jìn)行熱態(tài)試驗(yàn)，上述3套組件除移動(dòng)銜鐵釋放電流外，其余驗(yàn)收指標(biāo)均合格。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

2 原因分析

移動(dòng)銜鐵釋放臨界電流的定義是：當(dāng)提升線圈通15.0 A的電流或不通電，且斷開固定線圈電流時(shí)，移動(dòng)線圈電流從8.0 A開始減小直至移動(dòng)銜鐵開始下落(驅(qū)動(dòng)桿開始下落)時(shí)移動(dòng)線圈中的電流值。該值應(yīng)≥0.7 A，但在制造廠出廠驗(yàn)收試驗(yàn)中測量到的該值都小于0.7 A，最小的為0.42 A。

2.1 設(shè)置移動(dòng)銜鐵釋放臨界電流的目的

表3 第二次試驗(yàn)NCR參數(shù) 單位：A

該CRDM是為適應(yīng)核電主設(shè)備國產(chǎn)化需求，由某制造廠引進(jìn)國外制造技術(shù)生產(chǎn)的，廠家對(duì)部分設(shè)計(jì)指標(biāo)的理解尚不透徹。關(guān)于熱態(tài)試驗(yàn)后的冷態(tài)試驗(yàn)移動(dòng)銜鐵釋放臨界電流設(shè)置為Min0.7 A的目的，制造廠曾向原設(shè)計(jì)方咨詢，得到解釋：“銜鐵動(dòng)作臨界電流的要求來源于CRDM原始設(shè)計(jì)方(西屋公司)，并非該設(shè)計(jì)方確定的。該指標(biāo)可以獨(dú)立地判定鉤爪部件中零件的機(jī)械動(dòng)作，有利于判定電流—聲音信號(hào)曲線未反映出的局部問題。”

以上僅是定性判斷，目前尚無任何機(jī)構(gòu)能定量說明該移動(dòng)銜鐵釋放臨界電流的大小對(duì)控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的影響。

2.2 移動(dòng)銜鐵釋放臨界電流超差的影響因素

從受力方面分析，移動(dòng)銜鐵釋放臨界狀態(tài)時(shí)所受載荷主要包括：電磁吸合力Fm；彈簧力Fs；移動(dòng)銜鐵、銷軸、連桿、鉤爪、驅(qū)動(dòng)桿及模擬重物的重力G；浮力Ff；靜摩擦力f；不導(dǎo)磁片的彈開力Fd；不導(dǎo)磁片與移動(dòng)銜鐵吸合后的表面張力Fc。移動(dòng)銜鐵受力狀況如圖2所示[6]。

圖2 移動(dòng)銜鐵受力平衡圖

作用在移動(dòng)銜鐵上的力在豎直方向的平衡方程為：

Fm+f+Fc+Ff=Fs+Fd+G

也即：

Fm=Fs+Fd+G-(f+Fc+Ff)

影響移動(dòng)銜鐵釋放臨界電流的主要因素分析如下：

(1) 電磁吸合力Fm與移動(dòng)銜鐵釋放臨界電流、串磁直接相關(guān)；

(2) 增大不導(dǎo)磁片的彎曲度，可以增加其彈開力Fd，并減小水膜的影響Fc，從而提高移動(dòng)銜鐵釋放臨界電流；

(3) 彈簧影響移動(dòng)銜鐵釋放電流，即Fs增大，移動(dòng)銜鐵釋放臨界電流將增大；

(4) 靜摩擦力f越大，移動(dòng)銜鐵釋放臨界電流也就越小；

(5) 等效到移動(dòng)銜鐵上的重力G、浮力Ff，重力和浮力的合力增大，移動(dòng)銜鐵釋放臨界電流將增大。

以上是對(duì)影響移動(dòng)銜鐵釋放臨界電流的因素的定性判斷。目前為止，工程上尚無計(jì)算銜鐵動(dòng)作臨界電流的成熟方法[7-8]，實(shí)踐中一般借助于試驗(yàn)對(duì)該參數(shù)進(jìn)行測試。

2.3 不導(dǎo)磁片的安裝方向和彎曲度

在查找該不符合項(xiàng)原因的過程中，原CRDM國外制造商曾派其員工自行組裝由我國生產(chǎn)的CRDM來進(jìn)行試驗(yàn)，但是將國內(nèi)制造的不導(dǎo)磁片更換為其自己制造的不導(dǎo)磁片，試驗(yàn)結(jié)果滿足技術(shù)要求。在這個(gè)過程之后，國外制造商建議對(duì)國內(nèi)制造的CRDM作出如下修改：(1) 不導(dǎo)磁片的安裝方向：建議國內(nèi)將不導(dǎo)磁片由凹面向上的正裝改為凹面向下的反裝。正裝與反裝的差異如圖3所示；(2) 不導(dǎo)磁片的彎曲度：由原設(shè)計(jì)的0.35～0.45 mm增加至0.6～0.8 mm。

圖3 移動(dòng)銜鐵不導(dǎo)磁片安裝方向

關(guān)于不導(dǎo)磁片的彎曲度，國外制造方與國內(nèi)制造廠的測量結(jié)果有約0.1～0.2 mm的偏差。經(jīng)核實(shí)發(fā)現(xiàn)，二者在測量不導(dǎo)磁片彎曲度時(shí)采用的測量基準(zhǔn)不同，因此測量結(jié)果也不同。具體測量方法如圖4所示。

圖4 不導(dǎo)磁片測量方法

不導(dǎo)磁片是使用模具彎曲成型的，彎曲后不太平整，從圖4可看出，以不導(dǎo)磁片邊緣為測量基準(zhǔn)可以排除因制造不平整所引起的誤差。

2.4 其他原因

除了不導(dǎo)磁片的安裝方向和彎曲度的影響外，排查過程中還發(fā)現(xiàn)了影響試驗(yàn)結(jié)果的其他原因：

(1) 零件尺寸：移動(dòng)銜鐵與緩沖軸的配合間隙，3個(gè)銷軸與連接件之間的配合間隙會(huì)影響鉤爪動(dòng)作的靈活性，從而對(duì)移動(dòng)銜鐵釋放臨界電流產(chǎn)生影響。

(2) 過電鍍鉻：緩沖軸螺紋根部輕微過電鍍，修磨后試驗(yàn)數(shù)據(jù)有一定改善，但仍然不滿足Min0.7 A的設(shè)計(jì)驗(yàn)收要求。

(3) 移動(dòng)彈簧：移動(dòng)彈簧的彈力偏小可能導(dǎo)致移動(dòng)銜鐵釋放臨界電流值偏小。

(4) 電控柜的標(biāo)定和操作程序：電控柜性能不夠穩(wěn)定，存在意外失電和漂移現(xiàn)象，通過外置一臺(tái)穩(wěn)壓器解決此問題。

(5) 機(jī)構(gòu)的清潔度：國內(nèi)制造廠清潔度控制較差，而制造和安裝CRDM屬于精細(xì)化作業(yè)，環(huán)境條件對(duì)生產(chǎn)的影響不可忽略。

(6) 機(jī)構(gòu)的裝配：國外制造商曾派其員工對(duì)國內(nèi)制造的CRDM進(jìn)行獨(dú)立安裝，試驗(yàn)結(jié)果滿足要求，這說明裝配過程控制得好壞會(huì)影響試驗(yàn)結(jié)果。

2.5 性能試驗(yàn)

針對(duì)熱態(tài)后的冷態(tài)試驗(yàn)中出現(xiàn)的移動(dòng)銜鐵釋放臨界電流超差現(xiàn)象，在綜合分析多方面原因但仍然不能取得滿意的試驗(yàn)結(jié)果的情況下，為了驗(yàn)證此不符合項(xiàng)是否會(huì)對(duì)CRDM的性能和反應(yīng)堆正常運(yùn)行產(chǎn)生影響，國內(nèi)制造廠抽取了一套CRDM鉤爪部件進(jìn)行性能試驗(yàn)。

試驗(yàn)在模擬反應(yīng)堆正常運(yùn)行工況的溫度、壓力和水質(zhì)等環(huán)境條件下進(jìn)行，要求進(jìn)行累計(jì)不低于170萬步的步躍試驗(yàn)，機(jī)構(gòu)釋棒的安全功能通過測量機(jī)電延遲時(shí)間來實(shí)現(xiàn)。最后，性能試驗(yàn)累計(jì)完成1 702 626步步躍動(dòng)作，圖5為熱態(tài)試驗(yàn)3949全行程下插步序波形圖。

圖5 熱態(tài)試驗(yàn)3949全行程下插步序

在整個(gè)性能試驗(yàn)期間：

(1) 機(jī)構(gòu)運(yùn)行平穩(wěn)，能順利提升、下插及保持在指定高度，未出現(xiàn)失步、打滑、提不起或卡棒等異常現(xiàn)象；

(2) 測得最長的機(jī)電延遲時(shí)間是135 ms，滿足機(jī)電延遲時(shí)間在150 ms內(nèi)的設(shè)計(jì)要求；

(3) 移動(dòng)銜鐵釋放臨界電流值：冷態(tài)試驗(yàn)值為0.70/0.68 A，熱態(tài)試驗(yàn)后的冷態(tài)試驗(yàn)值為0.67/0.74 A。從結(jié)果看該值變化較小。

性能試驗(yàn)的結(jié)果間接證明該不符合項(xiàng)對(duì)CRDM的功能、運(yùn)行波形、機(jī)電延遲時(shí)間等性能參數(shù)無不利影響。

3 國內(nèi)外類似問題處理情況

CRDM在國外制造中也曾發(fā)生過移動(dòng)銜鐵釋放臨界電流超差的現(xiàn)象，處理方法是部分拆解鉤爪部件，取出不導(dǎo)磁片并加大其彎曲度或更換彎曲度更大的不導(dǎo)磁片，重新裝配后在試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行冷態(tài)試驗(yàn)(不再對(duì)該鉤爪部件進(jìn)行熱態(tài)試驗(yàn))，從而使移動(dòng)銜鐵釋放臨界電流達(dá)到設(shè)計(jì)要求[9]。

國內(nèi)秦山一期、恰?，?、AP1000項(xiàng)目的CRDM在出廠試驗(yàn)中不做熱態(tài)后的冷態(tài)試驗(yàn)；秦山二期及其擴(kuò)建項(xiàng)目、福清、方家山項(xiàng)目的CRDM熱態(tài)后的冷態(tài)試驗(yàn)時(shí)不測試銜鐵動(dòng)作臨界電流[10]。

4 對(duì)該不符合項(xiàng)的處理方法

由于移動(dòng)銜鐵釋放臨界電流超差是受多方面綜合因素的影響，在始終不能達(dá)到Min0.7 A的考核電流的情況下，按照控制棒驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)規(guī)格書[11]規(guī)定的移動(dòng)線圈最大零電流設(shè)定值0.5 A來驗(yàn)收也可接受，并提出附加要求。具體處理方法如下：

(1) 在CRDM出廠熱態(tài)后的冷態(tài)試驗(yàn)中，將移動(dòng)銜鐵釋放臨界電流驗(yàn)收值由Min0.7 A降為Min0.5 A；

(2) 完善不導(dǎo)磁片的彎曲度及測量方面相關(guān)的程序或操作規(guī)程；

(3) 對(duì)電控柜進(jìn)行整改，加強(qiáng)異常情況的監(jiān)測和處理；

(4) 加強(qiáng)零件加工的尺寸控制、CRDM裝配的精細(xì)程度控制，以及CRDM裝配場所的清潔度控制。

[1]鄭曉敏.嶺澳核電廠L1號(hào)機(jī)組控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)泄漏問題[J].核安全，2007(2)

[2]周紅，肖志，陶書生，等.運(yùn)行核電廠控制棒組件及其驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)異常事件的經(jīng)驗(yàn)反饋[J].核安全，2013(1)

[3]廣東核電培訓(xùn)中心.900 MW壓水堆核電站系統(tǒng)與設(shè)備[M].北京：原子能出版社，2004

[4]嶺澳核電廠.控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)備規(guī)格書[Z]，2009

[5]嶺澳核電廠.CRDM試驗(yàn)說明書系列實(shí)驗(yàn)——性能試驗(yàn)[Z]，2009

[6]沈雙全.控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)力學(xué)分析[J].核動(dòng)力工程，2006(10)

[7]張繼革.控制棒新型電磁驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)性能實(shí)驗(yàn)研究[J].核動(dòng)力工程，2001(4)

[8]李紅鷹.秦山核電二期工程反應(yīng)堆控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].核動(dòng)力工程，2003(S1)

[9]李紅鷹，許川.秦山核電二期工程控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)國產(chǎn)化研制[J].核動(dòng)力工程，2003(S1)

[10]孫林.國產(chǎn)化核電設(shè)備制造中的質(zhì)量控制與質(zhì)量監(jiān)督[A].中國核學(xué)會(huì)核能動(dòng)力學(xué)會(huì)二〇〇七年學(xué)術(shù)年會(huì)論文匯編[C].昆明，2007

[11]中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院.RGL System Requirement Specification[Z]，2007

2014-07-25

路燕(1983—)，女，甘肅景泰人，碩士研究生，工程師，研究方向：核電廠核級(jí)機(jī)械設(shè)備安全審評(píng)。

馬若群(1982—)，男，寧夏銀川人，碩士研究生，工程師，研究方向：核級(jí)機(jī)械設(shè)備安全審評(píng)。