黃亞軍 孟 路 于耀華

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1 控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)簡介

控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是核反應(yīng)堆控制系統(tǒng)和安全保護(hù)系統(tǒng)的一種伺服機(jī)構(gòu),主要用于提升、下降、保持和快插控制棒,以完成核反應(yīng)堆啟動(dòng)、調(diào)節(jié)功率、維持功率、停堆和事故情況下的快速停堆,是核反應(yīng)堆的重要?jiǎng)幼鞑考?也是直接影響核反應(yīng)堆正常運(yùn)行和安全可靠的關(guān)鍵設(shè)備之一,主要由位置指示器部件、定子部件、轉(zhuǎn)子部件、耐壓殼體部件、絲杠部件和彈簧部件組成。其中,位置指示器用來探測(cè)控制棒在堆芯中的位置;定子部件為機(jī)構(gòu)動(dòng)作提供必要的磁場,并通過相序的改變來控制絲杠的移動(dòng)方向;轉(zhuǎn)子部件通過其滾輪組件與絲杠部件的嚙合、釋放,以及在磁場作用的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),驅(qū)動(dòng)絲杠部件上下運(yùn)動(dòng);耐壓殼體部件是反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)壓力邊界的組成部分,將驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的電氣部件和機(jī)械部件進(jìn)行分隔;絲杠部件通過可拆接頭與控制棒相連,最終實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)堆的控制;彈簧部件提供額外的彈簧力,協(xié)助絲杠部件在緊急停堆工況下的瞬間釋放。

2 故障現(xiàn)象

XX1190批次控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)性能試驗(yàn)期間,在水中冷態(tài)性能試驗(yàn)過程中進(jìn)行吸合、釋放電流試驗(yàn)時(shí),部分控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)出現(xiàn)半吸合、全吸合電流數(shù)據(jù)偏大,吸合釋放動(dòng)作電流散點(diǎn)圖如圖1、圖2所示。要求吸合釋放動(dòng)作半合電流不大于5.0 A,全合電流不大于8.5 A。如該故障原因不查明并不及時(shí)進(jìn)行排除,將直接影響控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的生產(chǎn)進(jìn)度,進(jìn)而導(dǎo)致其無法順利交付。在核反應(yīng)堆的實(shí)際運(yùn)行中,如出現(xiàn)吸合電流偏大類問題,則有可能造成卡棒等危險(xiǎn)工況,甚至造成反應(yīng)堆危險(xiǎn)運(yùn)行事件等。因此,該故障的發(fā)生,在控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的實(shí)際批次生產(chǎn)和性能試驗(yàn)過程中需引起高度重視,并審慎處置。

圖1 吸合釋放動(dòng)作半合電流散點(diǎn)圖

3 故障排查過程

控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)子部件的吸合動(dòng)作是分裂轉(zhuǎn)子在受定子部件吸合力作用后,克服小軸位置處的摩擦力和釋放彈簧阻力的過程?？紤]到影響控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)吸合電流數(shù)據(jù)的因素較多,試驗(yàn)設(shè)備、操作人員、控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)任意部件等異常均可導(dǎo)致試驗(yàn)數(shù)據(jù)異常,因此,重點(diǎn)針對(duì)影響控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)子部件吸合動(dòng)作的因素進(jìn)行分析,建立導(dǎo)致吸合動(dòng)作電流偏大問題的故障樹,如圖3所示。以下針對(duì)故障樹對(duì)象逐個(gè)進(jìn)行排查。

圖2 吸合釋放動(dòng)作全合電流散點(diǎn)圖

圖3 控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)吸合電流偏大故障樹

3.1 測(cè)量誤差、低頻電源排查

對(duì)試驗(yàn)控制柜、儀器儀表、示波器試驗(yàn)設(shè)備等進(jìn)行檢查,設(shè)備、儀器儀表標(biāo)定均在有效期內(nèi),未發(fā)現(xiàn)異常。采用多人現(xiàn)場見證、更換操作人員的方式,使用同型號(hào)XX150批次控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)壽命試驗(yàn)件進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)數(shù)據(jù)與XX150批次前期試驗(yàn)數(shù)據(jù)保持一致,試驗(yàn)過程中未發(fā)現(xiàn)操作人員失誤的情況,驗(yàn)證了試驗(yàn)設(shè)備和操作人員不是導(dǎo)致吸合電流偏大現(xiàn)象發(fā)生的原因。

3.2 定子部件排查

對(duì)該批次控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)定子部件的尺寸檢查報(bào)告進(jìn)行核查,其尺寸均滿足圖紙要求。

對(duì)該批次控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)定子部件采用的硅鋼片導(dǎo)磁材料入廠復(fù)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行核查,磁性能滿足設(shè)計(jì)要求。

查閱定子繞組元件完工文件,對(duì)匝數(shù)進(jìn)行核查,定子繞組元件繞線記錄表顯示其匝數(shù)滿足技術(shù)條件要求。

前述控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)定子部件各項(xiàng)工序完工后均進(jìn)行相應(yīng)尺寸檢查、單項(xiàng)性能測(cè)試等,檢驗(yàn)合格后開具對(duì)應(yīng)檢驗(yàn)報(bào)告。所以該排查結(jié)果可排除控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)定子部件造成吸合電流偏大的可能。

3.3 耐壓殼體部件排查

控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)耐壓殼體部件影響吸合電流的因素主要有原材料鍛棒磁性能、耐壓殼體具體尺寸等因素。核查該批次控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)耐壓殼體零件用鍛棒磁性能報(bào)告,數(shù)值滿足要求。核查該批次控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)耐壓殼體尺寸檢查報(bào)告,均滿足圖紙要求。

以上兩項(xiàng)核查結(jié)果排除控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)耐壓殼體部件造成吸合電流偏大的可能。

3.4 轉(zhuǎn)子部件排查

控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)零部件采用標(biāo)準(zhǔn)化工藝進(jìn)行制造,各零部件公差精度要求高,經(jīng)檢驗(yàn)合格的同種零部件之間具有高度的互換性。針對(duì)這一特點(diǎn),使用同一低頻電源、安排同一批試驗(yàn)人員、在同一個(gè)專用試驗(yàn)臺(tái)架上,采用XX150批次控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)壽命試驗(yàn)件,更換XX1190批次控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的部件根據(jù)配套關(guān)系進(jìn)行多種排列組合的部件互換性排查試驗(yàn)。具體的部件互換性排查試驗(yàn)吸合電流試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

表1 部件互換性排查試驗(yàn)吸合電流試驗(yàn)數(shù)據(jù)

試驗(yàn)結(jié)果表明,在其它部件一致,僅更換轉(zhuǎn)子部件的情況下,配套XX1190批次控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)子部件的機(jī)構(gòu)吸合電流均偏大,半合電流最大達(dá)到5.7 A,要求不大于5.0 A,全合電流最大達(dá)到9.0 A,要求不大于8.5 A,而配套XX150批次控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)子部件的機(jī)構(gòu)吸合電流均合格;在配套XX1190批次控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)子部件不變,其它部件均更換的情況下,控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)吸合電流均偏大,半合電流最大達(dá)到6.18 A,全合電流最大達(dá)到8.86 A。該部件互換性排查試驗(yàn)數(shù)據(jù)說明XX1190批次控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)水中冷態(tài)性能試驗(yàn)過程中出現(xiàn)的吸合電流偏大現(xiàn)象與控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)子部件有關(guān)。

因此,通過前述各項(xiàng)比對(duì)和試驗(yàn)驗(yàn)證,可以確定引起XX1190批次控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)吸合動(dòng)作電流偏大的直接因素為轉(zhuǎn)子部件異常。

4 轉(zhuǎn)子部件異常原因分析

在鎖定轉(zhuǎn)子部件異常為控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)吸合電流偏大的直接因素后,對(duì)該批次控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)子原材料磁性能、制造過程關(guān)鍵尺寸、重點(diǎn)零部件卡滯情況,以及釋放彈簧力數(shù)據(jù)等進(jìn)行了詳細(xì)排查,發(fā)現(xiàn)XX1190批次控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)分裂轉(zhuǎn)子零件存在一定程度變形,變形量較其它正常批次普遍偏大,變形后的控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)分裂轉(zhuǎn)子零件呈類弓形狀,如圖4所示。

圖4 分裂轉(zhuǎn)子零件變形

對(duì)分裂轉(zhuǎn)子零件的變形和轉(zhuǎn)子部件裝配后的配合間隙進(jìn)行測(cè)量和分析發(fā)現(xiàn),A端變形會(huì)導(dǎo)致控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)吸合動(dòng)作發(fā)生前分裂轉(zhuǎn)子與套管軸之間氣隙偏小,致使磁場短路,使分裂轉(zhuǎn)子難以在磁場作用下打開,造成的直接結(jié)果就表現(xiàn)為控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)子部件吸合電流偏大;B端變形會(huì)導(dǎo)致控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)吸合動(dòng)作發(fā)生前釋放彈簧預(yù)緊力偏大,客觀上導(dǎo)致吸合動(dòng)作發(fā)生后分裂轉(zhuǎn)子需要克服的釋放彈簧力更大,理論上也會(huì)導(dǎo)致控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)子部件吸合電流偏大,但是經(jīng)過計(jì)算,釋放彈簧彈性系數(shù)約為11.8 N/mm,分裂轉(zhuǎn)子B端的輕微變形對(duì)轉(zhuǎn)子部件彈簧力的性能影響較小。后換用兩瓣正常的分裂轉(zhuǎn)子零件替換變形部件,經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)吸合電流恢復(fù)正常,從而驗(yàn)證了分裂轉(zhuǎn)子零件A端的變形導(dǎo)致轉(zhuǎn)子部件性能異常,進(jìn)而直接導(dǎo)致該套控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)水中冷態(tài)試驗(yàn)時(shí)吸合電流數(shù)據(jù)異常。

5 結(jié)論

通過對(duì)XX1190批次控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)吸合電流偏大故障的排查與分析,得出結(jié)論。

該批次控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)水中冷態(tài)試驗(yàn)中出現(xiàn)的吸合電流偏大故障,經(jīng)機(jī)構(gòu)部件互換性試驗(yàn)驗(yàn)證,是由轉(zhuǎn)子部件性能異常引起的。

通過零部件互換性試驗(yàn)后的水中冷態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比,驗(yàn)證了分裂轉(zhuǎn)子零件A端的變形是導(dǎo)致控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)子部件性能異常的直接因素。

零部件生產(chǎn)工藝固化后,在標(biāo)準(zhǔn)化要求、加工精度都較高的情況下,零部件互換性試驗(yàn)是鎖定該型核反應(yīng)堆控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)性能異常故障的一種非常有效的故障排查模式,而這種故障排查模式可有效作為后續(xù)該型控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)生產(chǎn)、試驗(yàn)及實(shí)際使用維修保障等工作的借鑒。