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(中廣核檢測(cè)技術(shù)有限公司，蘇州 215021)

反應(yīng)堆控制棒束檢測(cè)中的異常信號(hào)分析

張鵬飛，汪春曉，朱傳雨，馬超，吳金峰，呂天明，孫加偉

(中廣核檢測(cè)技術(shù)有限公司，蘇州215021)

核電站反應(yīng)堆控制棒束的無(wú)損檢查對(duì)核安全意義重大，以往對(duì)磨損、腫脹和裂紋等典型缺陷的分析較多，而實(shí)際應(yīng)用中，信號(hào)采集設(shè)備本身、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境等因素引起信號(hào)異常的現(xiàn)象也時(shí)有發(fā)生。介紹了信號(hào)采集設(shè)備的工作原理，分析了現(xiàn)場(chǎng)檢查過(guò)程中出現(xiàn)的三種異常信號(hào)，并找出了其產(chǎn)生原因，可為設(shè)備的調(diào)試和故障排除提供借鑒。

核電站；控制棒束組件；異常信號(hào)；超聲檢測(cè)

反應(yīng)堆控制棒束組件(Rod Cluster Control Assembly，以下簡(jiǎn)稱RCCA)是一種快速控制反應(yīng)堆核反應(yīng)性的工具，在正常運(yùn)行時(shí)用于調(diào)節(jié)反應(yīng)堆功率，在事故工況下快速引入負(fù)反應(yīng)性，使反應(yīng)堆緊急停堆，從而保證核安全[1]。

圖1 RCCA結(jié)構(gòu)圖

RCCA由星形架和吸收劑棒組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中星形架由連接柄、翼片和指狀物組成，17×17型燃料組件中共有24根吸收劑棒。

運(yùn)行工況下，RCCA在燃料組件中上下運(yùn)動(dòng)，從而易產(chǎn)生磨損缺陷，加之長(zhǎng)期處于高溫、高放射性環(huán)境下，還可能產(chǎn)生腫脹、裂紋等缺陷。對(duì)RCCA進(jìn)行檢測(cè)的目的是評(píng)價(jià)磨損速度和腫脹的趨勢(shì)，以便需要時(shí)及時(shí)安排更換可能影響反應(yīng)堆下一循環(huán)正常運(yùn)行的RCCA[2]。

磨損、腫脹和裂紋是核電站反應(yīng)堆控制棒束在役檢測(cè)中最典型的缺陷，對(duì)其信號(hào)的分析和判別現(xiàn)在已比較成熟[2-3]。實(shí)際應(yīng)用中，信號(hào)采集設(shè)備本身、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境等因素引起的信號(hào)異常現(xiàn)象也時(shí)有發(fā)生，而通過(guò)對(duì)異常信號(hào)的分析，可以快速判斷故障點(diǎn)，并及時(shí)進(jìn)行糾正或修復(fù)。筆者分析了現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)過(guò)程中出現(xiàn)的三種異常信號(hào)，以為設(shè)備的調(diào)試和故障排除提供借鑒。

1 檢測(cè)方法與掃查方式

1.1檢測(cè)方法

RCCA的無(wú)損檢測(cè)一般采用超聲檢測(cè)和渦流檢測(cè)相結(jié)合的方法，信號(hào)采集設(shè)備對(duì)稱分布12個(gè)渦流探頭和12個(gè)超聲探頭，渦流探頭靜止不動(dòng)，超聲探頭周向旋轉(zhuǎn)，設(shè)備實(shí)物圖片如圖2所示。超聲檢測(cè)采用水浸聚焦探頭，探頭固定在齒輪結(jié)構(gòu)上?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)，12個(gè)超聲探頭同步高速旋轉(zhuǎn)，同時(shí)帶動(dòng)一個(gè)零點(diǎn)開關(guān)旋轉(zhuǎn)，零點(diǎn)開關(guān)用于各個(gè)通道周向初始位置的標(biāo)定以及為超聲儀提供周向截止信號(hào)，以用于后續(xù)信號(hào)處理。

圖2 信號(hào)采集設(shè)備實(shí)物圖片

1.2掃查方式

RCCA的超聲檢測(cè)時(shí)采用探頭周向旋轉(zhuǎn)，控制棒軸向運(yùn)動(dòng)的螺旋形軌跡掃查方式，如圖3所示。為了保證對(duì)缺陷有足夠的分辨力和定位精度，螺旋形掃查需要設(shè)置合理的周向分辨率和軸向分辨率?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中，一般周向分辨率設(shè)置為2.98°，即探頭每旋轉(zhuǎn)一周約采集120個(gè)采樣點(diǎn)，控制棒周長(zhǎng)(控制棒外徑9.68 mm)約為30 mm，即周向圓弧方向的分辨率約為0.25 mm；軸向分辨率設(shè)置為2 mm，即螺旋線的螺距為2 mm。由于探頭旋轉(zhuǎn)一周的時(shí)間和控制棒軸向運(yùn)動(dòng)一個(gè)螺距的時(shí)間應(yīng)相同，因此假設(shè)探頭旋轉(zhuǎn)速度為n(rpm)，控制棒軸向運(yùn)動(dòng)速度為v(mm·s-1)，軸向分辨率為l(mm)，則探頭旋轉(zhuǎn)速度和控制棒軸向運(yùn)動(dòng)速度需滿足下式：

圖3 螺旋形軌跡掃查方式示意

2 異常信號(hào)分析

2.1異常信號(hào)一

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中，當(dāng)采用標(biāo)定棒對(duì)設(shè)備進(jìn)行標(biāo)定時(shí)，出現(xiàn)如圖4所示的異常信號(hào)，其典型特征是所有標(biāo)準(zhǔn)傷均向一個(gè)方向傾斜，而且在12個(gè)通道內(nèi)呈現(xiàn)同樣的規(guī)律，而軸向位置信號(hào)正常。對(duì)此，顯然可以排除探頭本身和軸向編碼器的問題。周向信號(hào)出現(xiàn)偏差的可能原因有：超聲軟件相關(guān)配置問題、超聲儀問題、編碼器電纜線問題、零點(diǎn)開關(guān)問題等。在重新配置超聲軟件、更換超聲儀、更換編碼器電纜后故障依然重現(xiàn)，拆開設(shè)備腔體，發(fā)現(xiàn)與零點(diǎn)開關(guān)傳感器固連的齒輪出現(xiàn)了松動(dòng)，使得該齒輪不能和其他超聲探頭上的驅(qū)動(dòng)齒輪同步旋轉(zhuǎn)，因此向超聲儀發(fā)送了錯(cuò)位的周向截止信號(hào)，導(dǎo)致周向信號(hào)出現(xiàn)了偏差。緊固零點(diǎn)傳感器齒輪后，進(jìn)行重新采集，信號(hào)正常。

圖5 異常信號(hào)2

2.2異常信號(hào)二

RCCA信號(hào)采集設(shè)備在燃料廠房時(shí)信號(hào)均正常，而在調(diào)試廠房時(shí)卻出現(xiàn)了如圖5所示的異常信號(hào)，其特征是所有標(biāo)準(zhǔn)傷信號(hào)周向、軸向位置均正常，但總是規(guī)律性地出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的問題。根據(jù)分析，認(rèn)為這種現(xiàn)象應(yīng)該是超聲探頭周向旋轉(zhuǎn)速度和控制棒軸向線性速度間的不匹配造成的。該信號(hào)采集時(shí)超聲探頭周向旋轉(zhuǎn)速度為450 r·min-1，軸向分辨率為2 mm，根據(jù)式(1)，可以得出軸向最大運(yùn)動(dòng)速度應(yīng)為15 mm·s-1。而檢測(cè)控制棒軸向運(yùn)動(dòng)速度約為31 mm·s-1，大于理論值，因此出現(xiàn)了信號(hào)丟失現(xiàn)象。

由式(1)可以得出不出現(xiàn)信號(hào)丟失的條件為，周向旋轉(zhuǎn)一周所用的時(shí)間小于等于軸向運(yùn)動(dòng)一個(gè)螺距的時(shí)間，即：

從式(2)中可以看出，在軸向分辨率不變的情況下，提高探頭旋轉(zhuǎn)速度或者降低控制棒軸向運(yùn)動(dòng)速度，都能解決如圖5所示的信號(hào)丟失問題。對(duì)于設(shè)備的最高轉(zhuǎn)速700 r·min-1，由式(2)可得知，控制棒軸向最大運(yùn)動(dòng)速度為23.3 mm·s-1，大于該值將出現(xiàn)信號(hào)丟失現(xiàn)象。

2.3異常信號(hào)三

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中也時(shí)常出現(xiàn)圖6所示的異常信號(hào)，其特點(diǎn)是在周向某一角度上出現(xiàn)連續(xù)或者斷續(xù)的信號(hào)丟失，幾乎貫穿整個(gè)軸向長(zhǎng)度，而且是個(gè)別通道才出現(xiàn)這種現(xiàn)象。所有標(biāo)準(zhǔn)傷信號(hào)及其周向、軸向位置均正常。經(jīng)分析認(rèn)為這是齒輪配合不暢引起的，12個(gè)超聲探頭的周向同步旋轉(zhuǎn)要依靠齒輪結(jié)構(gòu)齒面之間的相互配合來(lái)完成，齒輪齒數(shù)相同，因此相鄰齒輪的嚙合面總是一一對(duì)應(yīng)；而更換探頭后，如果不能保證原齒面的對(duì)應(yīng)關(guān)系，則新的配合會(huì)由于磨損不同，需要一定的“磨合期”，“磨合期”內(nèi)新齒面之間配合不暢，就會(huì)導(dǎo)致齒輪出現(xiàn)輕微震動(dòng)、卡澀，當(dāng)這種配合正好出現(xiàn)在某一角度時(shí)，則出現(xiàn)圖6所示的異常信號(hào)。當(dāng)更正齒輪位置到原位置后，異常信號(hào)消失。

圖6 異常信號(hào)3

3 結(jié)語(yǔ)

介紹了RCCA信號(hào)采集設(shè)備的工作原理，分析了三種現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)過(guò)程中出現(xiàn)的異常信號(hào),并找出了其產(chǎn)生的原因，可為設(shè)備的調(diào)試和故障排除提供一定的借鑒。

[1] 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，2005.

[2] 蔡家藩，陳增武，喬維，等.核電站反應(yīng)堆控制棒束組件自動(dòng)檢查[J] .無(wú)損檢測(cè)，2013，35(5):71-77.

[3] 張麗琴，鐘志民，李勁松，等.燃料組件控制棒包殼在役超聲渦流自動(dòng)檢測(cè)[J] .無(wú)損檢測(cè)，2005，27(1):38-40.

AnalysisofAbnormalSignalsintheInspectionofReactorRodClusterControlAssembly

ZHANGPengfei,WANGChunxiao,ZHUChuanyu,MAChao,WUJinfeng,LüTianming,SUNJiawei

(CGNPCInspectionTechnologyCo.,Ltd.,Suzhou215021,China)

The nondestructive examination of rod cluster control assembly is important to nuclear safety. There were many analyses about the typical defects of wear, swelling and crack, but little was introduced about the abnormal signals caused by the acquisition equipment and on-site environment which also occured in practical applications. This paper introduced the working principle of the acquisition equipment, analyzed three kinds of typical abnormal signals in the process of on-site inspection, found out its cause and had certain reference value for the debugging and troubleshooting of the equipment.

nuclear power station; rod cluster control assembly; abnormal signal; ultrasonic testing

TG115.28

A

1000-6656(2017)10-0021-03

2017-06-25

張鵬飛(1983-)，男，工程師，碩士,主要從事核電站在役檢查設(shè)備的研發(fā)工作

張鵬飛，zhangpengfei@ cgnpc.com.cn

10.11973/wsjc201710005