□于耀華 □李翔 □吳偉建

1.上海第一機床廠有限公司上海201308

2.清華大學機械工程學院北京100084

控制棒驅(qū)動機構(gòu)出廠性能試驗研究

□于耀華1,2□李翔1□吳偉建1

1.上海第一機床廠有限公司上海201308

2.清華大學機械工程學院北京100084

控制棒驅(qū)動機構(gòu)是執(zhí)行反應(yīng)堆功率調(diào)節(jié)、緊急停堆的重要安全設(shè)備，其能否正常運行直接關(guān)系到核反應(yīng)堆的安全性。對控制棒驅(qū)動機構(gòu)出廠性能試驗進行了研究，試驗時機構(gòu)性能良好，運行正常，落棒時間滿足設(shè)計要求。試驗結(jié)果表明，控制棒驅(qū)動機構(gòu)的制造符合設(shè)計指標。

1 研究背景

控制棒驅(qū)動機構(gòu)是民用核電站控制反應(yīng)堆安全啟動、調(diào)節(jié)反應(yīng)堆功率和停止反應(yīng)堆運行的關(guān)鍵設(shè)備，通常采用磁力提升直線步躍式驅(qū)動機構(gòu)[1-2]，工作原理是通過三組電磁線圈按給定的時序通電、斷電，從而帶動鉤爪組件對應(yīng)的磁極和銜鐵作機械運動，并帶動驅(qū)動桿組件上下運行或保持靜止狀態(tài)。

由于控制棒驅(qū)動機構(gòu)在核電站核安全方面作用重要，因此學者們已開展了大量研究。劉森、沈小要、李維、劉鵬亮等人[3-6]分別從電流響應(yīng)、鉤爪組件動作時間影響因素、分段非線性動態(tài)及步進運動等方面借助理論模型和仿真計算對控制棒驅(qū)動機構(gòu)性能及工作特性進行分析，楊平漢、周詩光、昌正科等人[7-9]則通過潛在失效模式和影響分析工具對控制棒驅(qū)動機構(gòu)零部件潛在故障模式進行分析，但均缺少必要的實物驗證。

筆者借助上海第一機床廠有限公司承制的某壓水堆用控制棒驅(qū)動機構(gòu)實物，在專用試驗臺架上測試機構(gòu)整體在冷態(tài)運行工況下的電流、位置探測精度、步躍尺寸、釋棒落棒時間，以及在熱態(tài)運行工況下的步躍尺寸、釋棒落棒時間、工作線圈溫度等參數(shù)，并對相關(guān)數(shù)據(jù)進行分析，從而驗證機構(gòu)能否滿足設(shè)計要求。

2 試驗裝置

2.1 試驗臺架

為了更好地模擬控制棒驅(qū)動機構(gòu)在反應(yīng)堆上的運行環(huán)境（溫度305～315℃、壓力15～16 MPa）和拖動負荷（600～1 800 N，可調(diào)），配置了專用試驗臺架，基于該專用臺架進行相關(guān)試驗研究能夠較好地展現(xiàn)驅(qū)動機構(gòu)的整體性能。

控制棒驅(qū)動機構(gòu)專用試驗臺架及實物如圖1所示，主要由回路系統(tǒng)、測控系統(tǒng)等組成。回路系統(tǒng)由試驗本體、加熱器、循環(huán)泵、穩(wěn)壓器、管道及管道附件連接組成?；芈穬?nèi)介質(zhì)（去離子水）經(jīng)電加熱元件加熱后，由循環(huán)泵驅(qū)動構(gòu)成循環(huán)，使試驗本體升溫、加熱和保持所需的溫度?；芈穳毫τ煞€(wěn)壓器采用氣水穩(wěn)壓，即穩(wěn)壓器通過回路壓力信號與電熱元件聯(lián)鎖，根據(jù)設(shè)定的壓力定值自動調(diào)控電加熱功率，從而穩(wěn)定由于回路水溫變化而引起的壓力波動。測控系統(tǒng)主要對試驗本體溫度和壓力、穩(wěn)壓器溫度和壓力、電加熱元件功率、循環(huán)泵冷卻水溫度等重要參數(shù)進行測量控制與顯示。

圖1 控制棒驅(qū)動機構(gòu)專用試驗臺架及實物

臺架還為磁軛線圈部件設(shè)計、添置了通風系統(tǒng)，一方面可以更好地模擬反應(yīng)堆堆倉環(huán)境，另一方面為線圈部件提供降溫措施，以保證電性能不受溫度的影響。此外，針對高溫高壓的回路系統(tǒng)環(huán)境，為確?；芈废到y(tǒng)和試驗人員、設(shè)備的安全，安裝彈簧式自動開啟安全閥用于回路超壓保護。

2.2 試驗用水

基于輕水的可用性、低成本及可兼做慢化劑的特點[10]，目前大多數(shù)商用核動力反應(yīng)堆普遍使用輕水作為冷卻劑。輕水由于其特有的化學物理特性，會在反應(yīng)堆使用期間對重要設(shè)備產(chǎn)生腐蝕、雜質(zhì)溶解和輻射分解等問題，給反應(yīng)堆運行帶來不利影響?；诖?，壓水堆核電廠要求使用的輕水應(yīng)具有極高的純度。

為更好地模擬控制棒驅(qū)動機構(gòu)所處環(huán)境，并盡量避免輕水對設(shè)備帶來的腐蝕風險，控制棒驅(qū)動機構(gòu)出廠性能試驗過程中清洗用的輕水和試驗用的輕水也應(yīng)借鑒核電廠的通用做法——采用機械過濾法和離子交換技術(shù)制取。試驗過程中使用的輕水水質(zhì)標準及實測數(shù)據(jù)見表1。

表1 輕水水質(zhì)標準及實測數(shù)據(jù)

3 冷態(tài)運行工況考核

3.1 步躍運行電流確定

磁力提升直線步躍式驅(qū)動機構(gòu)是一種典型的在豎直方向上作步進動作的提升器，其步進動作的過程是電路、磁路、機械運動相互耦合的動態(tài)過程。

為了保證控制棒驅(qū)動機構(gòu)后續(xù)步躍試驗順利進行，盡量避免控制棒驅(qū)動機構(gòu)在步躍操作中出現(xiàn)滑棒、提不起等異常現(xiàn)象，步躍試驗前需進行單對磁極與銜鐵的吸合釋放電流實測試驗，實測單保、單傳、單提的最小吸合釋放電流值，即機構(gòu)單對磁極與銜鐵能夠?qū)崿F(xiàn)吸合與釋放時極限電流值，數(shù)據(jù)見表2。

根據(jù)上述極限電流測量值，經(jīng)與設(shè)計方共同分析，以及若干組運行電流值探索性試驗后，確定了機構(gòu)步躍運行考核試驗時的運行電流參數(shù)，見表3。

表2 冷態(tài)工況下驅(qū)動機構(gòu)單保、單傳、單提最小吸合釋放電流A

表3 冷態(tài)工況下驅(qū)動機構(gòu)步躍運行考核試驗時運行電流參數(shù)A

3.2 位置探測器精度測試

為了驗證后續(xù)機構(gòu)步躍試驗中控制棒驅(qū)動機構(gòu)全程運行性能正確與否，機構(gòu)步躍試驗前應(yīng)進行位置探測器精度測試。

在0～280步行程內(nèi)以每分鐘58～62步的運行步速正常上下往返運行三次，記錄給定棒位處于7、35、70、105、140、175、210、245、280步時的實測棒位值，實測值與給定棒位值的誤差如圖2所示。

由圖2數(shù)據(jù)對比可以發(fā)現(xiàn)，隨著測量次序的逐步增加，實測棒位值與給定棒位值之間的誤差有降低的趨勢，實測棒位和給定棒位的吻合度較好，實測棒位與給定棒位的最大差值為6步，出現(xiàn)在實測值3下第二次測量時。位置探測器精度滿足設(shè)計規(guī)定的二者不大于8步的要求。

圖2 冷態(tài)工況下驅(qū)動機構(gòu)位置探測器精度測試對比結(jié)果

3.3 步躍試驗

在連續(xù)步躍試驗中，驅(qū)動機構(gòu)根據(jù)控制柜給定的步躍運行電流及時序，以每分鐘58～62步的運行步速作全程上下運行，上行至50～55步時的試驗電流時間曲線及聲響信號如圖3所示。

圖3 冷態(tài)工況下驅(qū)動機構(gòu)步躍試驗電流時間曲線及聲響信號

當控制棒提升時，保持線圈通電，移動鉤爪與驅(qū)動桿上的環(huán)槽嚙合，然后傳遞線圈斷電，固定鉤爪與驅(qū)動桿上的環(huán)槽脫開，驅(qū)動桿的載荷轉(zhuǎn)移至移動鉤爪上，此時提升線圈通電，移動鉤爪受到電磁鐵的吸引，帶動驅(qū)動桿提升一步。下插的時序與提升相反。兩組鉤爪按上述時序循環(huán)動作，從而帶動驅(qū)動桿做連續(xù)提升及下插運動。通過分析線圈電流變化與鉤爪動作發(fā)出的振動信號，可以判斷鉤爪動作是否正常。由圖3波形可以看出，步躍運行期間動作聲響清晰可辨，無失步、滑步現(xiàn)象；電流曲線中磁極和銜鐵閉合吸口，以及對應(yīng)的動作聲響信號清晰可辨，所測試產(chǎn)品運行記錄有良好的重復性。

3.4 釋棒、落棒試驗

在反應(yīng)堆事故工況下，為了滿足故障安全原則，控制棒驅(qū)動機構(gòu)磁軛部件斷電后，控制棒應(yīng)能依靠自重在規(guī)定時間內(nèi)插入堆芯，實現(xiàn)反應(yīng)堆熱停堆，因此，對控制棒驅(qū)動機構(gòu)的斷電落棒特性進行試驗驗證十分必要，以驗證落棒的可靠性、有效性和控制棒驅(qū)動機構(gòu)本身固有的安全特性。

斷電落棒特性主要考核機電延遲時間和落棒總時間，機電延遲時間指控制棒驅(qū)動機構(gòu)磁軛部件斷電與機械部件動作之間的時間差，一般根據(jù)振動波形測量。落棒總時間指控制棒驅(qū)動機構(gòu)磁軛部件斷電后至控制棒插入堆芯底部所需的時間，可通過測量棒位探測器初級線圈的感應(yīng)電壓信號和機械部件動作的振動信號獲得。兩個信號互為印證，確保測量的準確性。

冷態(tài)工況下對控制棒驅(qū)動機構(gòu)做全高度（280步）落棒三次，記錄機電延遲時間和落棒總時間，如圖4所示。其中第三次記錄的電流時間曲線和振動信號如圖5所示。

圖4 驅(qū)動機構(gòu)全高度落棒試驗機電延遲時間和落棒總時間

圖5 冷態(tài)工況下驅(qū)動機構(gòu)第三次全高度落棒試驗電流時間曲線和振動信號圖

由圖4可以看出，在進行控制棒驅(qū)動機構(gòu)冷態(tài)工況下全高度落棒試驗時，機電延遲時間和落棒總時間穩(wěn)定性較好，說明機構(gòu)制造情況良好。其中機電延遲時間基本穩(wěn)定在105 ms左右，說明鉤爪動作靈活，在控制棒驅(qū)動機構(gòu)磁軛部件斷電后可以迅速打開，也滿足設(shè)計規(guī)定≤150 ms的要求。落棒總時間基本維持在1 460 ms左右，說明機構(gòu)落棒順暢、穩(wěn)定，滿足設(shè)計規(guī)定≤2 000 ms的要求。由圖5可以發(fā)現(xiàn)，棒位變化連續(xù)平穩(wěn)，落棒過程中的速度基本呈線性關(guān)系，也從側(cè)面印證了機構(gòu)全高度落棒的順暢、穩(wěn)定。進行落棒總時間測量時，棒位信號和振動信號吻合度好，進一步證明了機構(gòu)運行的穩(wěn)定性。

4 熱態(tài)運行工況考核

熱態(tài)運行性能試驗基本與冷態(tài)運行性能試驗類似，區(qū)別在于機構(gòu)所處工況不同：冷態(tài)工況下，試驗本體及回路為常溫常壓；熱態(tài)工況下，試驗本體及回路的溫度和壓力分別為297℃、15.55 MPa。

考慮到控制棒驅(qū)動機構(gòu)在反應(yīng)堆中實際使用工況為高溫高壓環(huán)境，因此，針對控制棒驅(qū)動機構(gòu)的熱態(tài)運行工況考核更能反映控制棒驅(qū)動機構(gòu)的實際制造水平和使用性能。同時，為了方便對比冷熱態(tài)工況下相同試驗的結(jié)果，熱態(tài)運行工況試驗時所用控制棒驅(qū)動機構(gòu)產(chǎn)品與冷態(tài)運行工況相同。

在進行位置探測器精度測試前，為更好地保證控制棒驅(qū)動機構(gòu)后續(xù)步躍試驗的順利進行，實測熱態(tài)工況下單保、單傳、單提最小吸合釋放電流值后，與設(shè)計方共同分析，并經(jīng)過若干組運行電流值的探索性試驗，確定了機構(gòu)熱態(tài)工況下步躍運行試驗時的運行電流參數(shù)，如表4所示。

表4 熱態(tài)工況下驅(qū)動機構(gòu)步躍運行考核試驗時運行電流參數(shù)A

對比表3可以發(fā)現(xiàn)，熱態(tài)工況下確定的步躍運行考核試驗運行電流中，保持線圈最大運行電流和傳遞線圈運行電流由7 A提升至7.5 A，這主要與熱態(tài)工況下鉤爪部件配合間隙的變化、磁性材料的磁性能變化及回路中介質(zhì)的浮力變化有關(guān)。

4.1 位置探測器精度測試

與冷態(tài)工況下的位置探測器精度測試相同，在280步行程內(nèi)，以每分鐘58～62步的運行步速正常上下往返運行兩次，記錄給定棒位處于7、35、70、105、140、175、210、245、280步時的實測棒位值，實測值與給定棒位值的誤差如圖6所示。

圖6 熱態(tài)工況下位置探測器精度測試對比

根據(jù)圖6中的數(shù)據(jù)對比，結(jié)合圖2可以發(fā)現(xiàn)，冷熱態(tài)工況下位置探測器精度測試結(jié)果基本無差異，均能滿足設(shè)計規(guī)定的不大于8步的要求。實測棒位與給定棒位數(shù)據(jù)的最大差值集中出現(xiàn)在機構(gòu)向下運行時的低位，主要是由于機構(gòu)上下運行時的累積誤差所致。

4.2 步躍試驗

以每分鐘58～62步的運行步速使機構(gòu)進行全程上下運行，上行至50～55步時的電流時間曲線與聲響信號如圖7所示。

圖7 熱態(tài)工況下驅(qū)動機構(gòu)步躍試驗電流時間曲線及聲響信號

由圖7可見，步躍運行期間，機構(gòu)動作信號清晰可辨，無失步、滑步現(xiàn)象；電流曲線中磁極和銜鐵閉合吸口，以及對應(yīng)的6個動作聲響信號清晰可辨，所測試產(chǎn)品運行記錄有良好的重復性。

4.3 釋棒、落棒試驗

熱態(tài)工況下驅(qū)動機構(gòu)的釋棒、落棒試驗過程和測量方法與冷態(tài)工況類似，對控制棒驅(qū)動機構(gòu)做全高度（280步）落棒6次，記錄機電延遲時間和落棒總時間，相應(yīng)曲線已在圖4中給出，其中第三次記錄的電流時間曲線與振動信號如圖8所示。

在進行控制棒驅(qū)動機構(gòu)冷態(tài)工況下全高度落棒試驗時，機電延遲時間和落棒總時間穩(wěn)定性較好。機電延遲時間基本穩(wěn)定在75 ms左右，說明鉤爪動作靈活，在控制棒驅(qū)動機構(gòu)磁軛部件斷電后可以迅速打開，也滿足設(shè)計規(guī)定≤150 ms的要求。落棒總時間基本維持在1 605 ms左右，說明機構(gòu)落棒順暢、穩(wěn)定，滿足設(shè)計規(guī)定≤2 000 ms的要求。

對比冷熱態(tài)工況下機電延遲時間和落棒總時間，可以發(fā)現(xiàn)熱態(tài)工況下機電延遲反應(yīng)更為靈敏，但落棒總時間偏長。分析認為，冷態(tài)工況下機構(gòu)的運行使機構(gòu)運動部件的磨合趨于良好，鉤爪動作更靈活，但隨著溫度的升高，試驗臺架模擬配重與導向裝置的配合間隙相對變小，導致機構(gòu)落棒過程中的摩擦力變大，客觀上導致了落棒總時間的延長。圖5和圖8中的振動信號波峰數(shù)量及峰值變化也印證了上述分析。

5 試驗后檢查

在機構(gòu)完成水中冷態(tài)、熱態(tài)運行工況考核后，對機構(gòu)各部件進行了檢查。

（1）鉤爪部件三對磁極銜鐵間隙正常，銜鐵動作靈活，各緊固件之間沒有松動，鉤爪磨損情況均勻。

圖8 熱態(tài)工況下驅(qū)動機構(gòu)第三次全高度落棒試驗電流時間曲線和振動信號

（2）驅(qū)動桿部件沒有出現(xiàn)緊固件松動現(xiàn)象，環(huán)槽磨損正常、均勻。

（3）機構(gòu)頂部無泄漏現(xiàn)象。

（4）工作線圈和棒位探測器線圈的絕緣電阻值均大于100 MΩ。

6 結(jié)論

控制棒驅(qū)動機構(gòu)出廠試驗與分析基于驅(qū)動機構(gòu)產(chǎn)品實物和模擬熱工水力條件下進行?？刂瓢趄?qū)動機構(gòu)位置探測器精度較好，步躍動作靈活，機電延遲時間和落棒總時間未出現(xiàn)變長或超差現(xiàn)象，指標均滿足設(shè)計要求，為后續(xù)控制棒驅(qū)動機構(gòu)的堆內(nèi)運行提供了重要的參考。試驗后運動部件的磨損在設(shè)計許可范圍之內(nèi)，產(chǎn)品可以順利交付采購方使用。

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（編輯：啟德）

Control rod drive mechanismis used to perform nuclear control and is the important safety equipment for emergency shutdown,its failure-free operation is directly related to the safety of nuclear reactors. Through the ex-works performance test of the control rod drive mechanism,the control mechanism shows high performance with normal operation and the timing of rod drop could meet the design requirements.The test results showthat the control rod drive mechanismis manufactured in accordance with the design specifications.

控制棒；驅(qū)動機構(gòu)；性能試驗

ControlRod；Drive Mechanism；Performance Test

TH123；TL362

B

1672-0555（2017）01-052-06

2016年7月

于耀華（1983—），男，碩士，工程師，主要從事控制棒驅(qū)動機構(gòu)研發(fā)制造工作