周建平，張 泰，靳瀚博，茍 海

（中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江嘉興 314300）

1 問題

裝卸料機(jī)作為核電廠重水堆不停堆換料的關(guān)鍵設(shè)備，需要有很高的可靠性，作為其四大組件之一的分離器，在換料期間會(huì)與燃料棒束直接接觸，為防止其誤動(dòng)設(shè)計(jì)了分離器安全鎖，為換料安全提供有效保證。

分離器安全鎖有上鎖和解鎖兩個(gè)位置，每個(gè)位置均由兩個(gè)干簧管開關(guān)同時(shí)監(jiān)測，為保證分離器安全鎖位置的正確指示，確保換料安全，需對安全鎖開關(guān)進(jìn)行精準(zhǔn)設(shè)定，保證任一組位置開關(guān)均有良好的同步性。但在安全鎖設(shè)定過程中，開關(guān)經(jīng)常出現(xiàn)延遲觸發(fā)、觸發(fā)不同步或不觸發(fā)現(xiàn)象，導(dǎo)致檢修花費(fèi)大量時(shí)間、人員接受輻照劑量整體偏多的情況。

2 原因分析

2.1 干簧管開關(guān)結(jié)構(gòu)及工作原理

干簧管開關(guān)是由兩片干簧片（通常由鐵和鎳兩種金屬組成）密封在玻璃管內(nèi)，玻璃管內(nèi)的兩片干簧片呈交迭狀且間隔有一小段空隙，適當(dāng)?shù)拇艌鰧?huì)使兩片干簧片接觸。兩片簧片上的觸點(diǎn)上鍍有一層很硬的金屬，通常是銠和釕，這層硬金屬大大提升了切換次數(shù)及產(chǎn)品壽命。而玻璃管內(nèi)通常注入了氮?dú)饣蛞恍┑葍r(jià)的惰性氣體，部份干簧管開關(guān)為了提升其高壓性能，將內(nèi)部做成真空狀態(tài)。

干簧片的作用相當(dāng)與一個(gè)磁通導(dǎo)體，在通過永久磁鐵或電磁線圈產(chǎn)生的磁場時(shí)，簧片會(huì)產(chǎn)生不同的極性，當(dāng)磁力超過簧片本身的彈力時(shí)，兩片簧片吸合導(dǎo)通電路；當(dāng)磁場減弱或消失后，干簧片由于本身的彈性釋放，觸面就會(huì)分開從而打開電路（圖1）。

圖1 干簧管開關(guān)結(jié)構(gòu)原理

根據(jù)干簧管開關(guān)與磁鐵的相對運(yùn)動(dòng)關(guān)系，最常見的有兩種觸發(fā)方式：繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)和平行動(dòng)作。

（1）繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)。圖2 為干簧管開關(guān)在磁鐵做繞軸動(dòng)作時(shí)的狀態(tài)變化。

圖2 繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)

（2）平行動(dòng)作。根據(jù)干簧管開關(guān)與磁鐵的相對距離，可以實(shí)現(xiàn)磁鐵在整個(gè)移動(dòng)過程中開關(guān)一次閉合一次斷開和三次閉合三次斷開效果（圖3）。

圖3 平行動(dòng)作

分離器安全鎖開關(guān)的觸發(fā)方式為水平觸發(fā)方式，且磁鐵與開關(guān)相對距離近，通過離線試驗(yàn)證明，在未加裝屏蔽管時(shí)，分離器安全鎖磁棒在移動(dòng)過程中開關(guān)存在三次閉合和三次斷開現(xiàn)象，而實(shí)際工況只需一個(gè)閉合和斷開區(qū)間，因此在原始設(shè)計(jì)時(shí)加裝了屏蔽管，改變磁通流，從而干擾開關(guān)開合的磁力線。

2.2 初步原因分析

根據(jù)干簧管開關(guān)特性，分析影響開關(guān)特性的主要因素。

2.2.1 干簧管開關(guān)自身匹配性

因分離器安全鎖裝置設(shè)計(jì)原因，現(xiàn)場開關(guān)可調(diào)節(jié)的空間距離很小，因此，要求開關(guān)具有很高的同步性，即要求在相同的磁場強(qiáng)度/安培匝數(shù)（AT）時(shí)正好達(dá)到開關(guān)的吸合值，還要求具有相同的磁滯值（通常表達(dá)為DO/PI，即斷開值/吸合值）。所以，開關(guān)性能匹配性不佳可能會(huì)導(dǎo)致開關(guān)設(shè)定異常。

2.2.2 工作磁場

干簧管開關(guān)由磁場驅(qū)動(dòng)，分離器安全鎖在運(yùn)行期間，涉及分離器安全鎖磁場主要有兩個(gè)方面，一是安全鎖鎖頭驅(qū)動(dòng)線圈磁場，另一個(gè)是驅(qū)動(dòng)干簧管開關(guān)的永磁鐵磁場。如果這兩方面的運(yùn)行參數(shù)發(fā)生改變，將會(huì)改變開關(guān)觸發(fā)性能。

2.2.3 管開關(guān)后期加工制作

系統(tǒng)設(shè)備使用分離器安全鎖干簧管開關(guān)前，需要對其進(jìn)行一系列的加工，如開關(guān)引腳剪切、開關(guān)套管安裝等。根據(jù)干簧管開關(guān)特性，開關(guān)的引腳長度關(guān)系到開關(guān)的AT 值，另外，開關(guān)在套管中的安裝位置不同，也會(huì)影響開關(guān)的觸發(fā)位置。

2.3 根本原因分析及定位

2.3.1 干簧管匹配性

為檢查干簧管開關(guān)的匹配性問題，對若干庫存開關(guān)備件做一項(xiàng)試驗(yàn)。在同一環(huán)境中，使用同一永磁鐵分別對開關(guān)進(jìn)行觸發(fā)，發(fā)現(xiàn)同型號(hào)的不同開關(guān)的觸發(fā)靈敏度存在一定差異性，最大相差5 mm，而安全鎖開關(guān)的調(diào)節(jié)總行程只有13 mm 左右，同步性差異值偏大。

2.3.2 開關(guān)工作磁場

（1）安全鎖線圈磁場。因?yàn)榉蛛x器安全鎖驅(qū)動(dòng)線圈產(chǎn)生的磁場與永磁鐵的磁場重疊，所以干簧管在共同磁場下動(dòng)作。在原始設(shè)計(jì)上，線圈的正負(fù)極有明確規(guī)定，不能正負(fù)極接反。雖然線圈正負(fù)極接反不影響安全鎖動(dòng)作功能，即能正常的上鎖和解鎖驅(qū)動(dòng)，但這樣會(huì)使線圈磁場方向改變，從而影響永磁鐵磁場，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)干簧管開關(guān)的磁場變化，最終影響開關(guān)設(shè)定。

曾發(fā)生裝卸料機(jī)安全鎖完成離線測試后，換至在線運(yùn)行時(shí)，每次會(huì)發(fā)生指示異常問題，后經(jīng)排查，原因在于測試臺(tái)架安全鎖接線與在線系統(tǒng)接線反向，在糾正測試臺(tái)架錯(cuò)誤的接線后，指示恢復(fù)正常。隨后對4 臺(tái)在線的裝卸料機(jī)的安全鎖線圈接線進(jìn)行檢查，確定無反接問題，且檢查每個(gè)安全鎖線圈的電阻和電壓，均與設(shè)計(jì)值一致，排除線圈磁場因素。

（2）永磁鐵磁場。一般磁鐵在發(fā)生較強(qiáng)的撞擊、振動(dòng)，過強(qiáng)的磁場或高溫下，都不同程度地影響磁場強(qiáng)度和長期穩(wěn)定性。分離器安全鎖開關(guān)驅(qū)動(dòng)永磁鐵在正常工作環(huán)境中不存在過強(qiáng)的振動(dòng)、強(qiáng)磁場或高溫等工況。

為檢查其磁場強(qiáng)度在日常拆解檢修或在高輻射環(huán)境下是否會(huì)發(fā)生變化，做如下試驗(yàn)：取兩套現(xiàn)場服役多年永磁鐵和一個(gè)新的永磁鐵備件，同環(huán)境同方式對一個(gè)干簧管開關(guān)進(jìn)行觸發(fā)，然后記錄永磁鐵與開關(guān)的距離，試驗(yàn)結(jié)果為3 個(gè)永磁鐵對干簧管開關(guān)的觸發(fā)距離完全一樣。通過測試得出，分離器中的永磁鐵的磁場強(qiáng)度正常情況下并未隨其在現(xiàn)場服務(wù)時(shí)間的長短或日常預(yù)維拆解檢修而消退，判斷永磁鐵不是主要因素。

2.3.3 干簧管后期加工制作

查詢相關(guān)維修規(guī)程和教學(xué)計(jì)劃，對于開關(guān)的引腳剪切長度并未有明確統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，而只要求大于3 mm 的一個(gè)范圍，而從圖4 開關(guān)AT 值和開關(guān)切割后長度值的關(guān)系特性可以看出，開關(guān)引腳的長度直接影響開關(guān)的AT 值，即開關(guān)引腳長度保留越長，開關(guān)越容易觸發(fā)，越靈敏。

圖4 開關(guān)吸合AT 值與開關(guān)引腳長度關(guān)系

另外，在安裝開關(guān)套管中也并未給出開關(guān)定位方法。從圖5開關(guān)及套管設(shè)計(jì)要求可以得出，在加裝開關(guān)套管時(shí)，如果套管定位不準(zhǔn)確，會(huì)導(dǎo)致干簧管開關(guān)在開關(guān)套管中的位置最大偏差達(dá)到0.2 英寸，而開關(guān)的調(diào)節(jié)總行程只有0.5 英寸，所占比重大，判斷后期制作加工將對開關(guān)性能有較大影響。

圖5 干簧管開關(guān)和套管尺寸

3 改進(jìn)方案分析與實(shí)施

3.1 干簧管匹配性優(yōu)化

為保證干簧管良好的匹配性，除了嚴(yán)格的開關(guān)采購控制外，還需對開關(guān)的轉(zhuǎn)運(yùn)和保存做出明確的規(guī)范，因?yàn)檩^強(qiáng)的沖擊及振動(dòng)，均可能改變干簧管開關(guān)的特性，廠家試驗(yàn)指出，當(dāng)干簧管從30 cm 以上的高處跌落到硬表面（地面）時(shí)，其電氣特性（啟動(dòng)、釋放等值）將可能改變。另外在對新的干簧管開關(guān)進(jìn)行后期加工前，需要對開關(guān)的相關(guān)性能進(jìn)行檢查，篩選工作正常以及性能匹配的開關(guān)。

目前已在相應(yīng)的檢修規(guī)程和教學(xué)計(jì)劃中添加了對開關(guān)使用減振棉加塑料瓶的儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)運(yùn)要求，并增加防振防摔的提醒。還增加了對干簧管開關(guān)的觸發(fā)電阻、觸發(fā)穩(wěn)定性和遲滯性等方面進(jìn)行檢查，篩選出合格的開關(guān)。

3.2 干簧管后期加工制作的優(yōu)化

在干簧管開關(guān)的后期加工制作中，相關(guān)要求需進(jìn)行完善，保證達(dá)到兩點(diǎn)要求：①統(tǒng)一開關(guān)引腳長度，保證開關(guān)AT 值和磁滯值一致；②安裝開關(guān)套管時(shí)，保證開關(guān)置于套管中央，減少因開關(guān)物料位置偏差影響開關(guān)設(shè)定。

在開關(guān)后期加工后，需進(jìn)行匹配性測試，挑選同步性一致的開關(guān)并分類儲(chǔ)存，為實(shí)現(xiàn)這一功能，可以設(shè)計(jì)制作一套開關(guān)匹配篩選裝置。

查詢分離器安全鎖原始設(shè)計(jì)手冊，干簧管開關(guān)、開關(guān)套管和引腳剪切的尺寸在AECL 提供的相關(guān)設(shè)計(jì)手冊中已給出（圖6）。在開關(guān)制作封裝引腳剪切時(shí)，需嚴(yán)格按設(shè)計(jì)要求執(zhí)行。

圖6 干簧管開關(guān)及套管尺寸

另外，按安全鎖實(shí)際尺寸1∶1 設(shè)計(jì)制作干簧管開關(guān)匹配測試裝置（圖7），且各部件使用與現(xiàn)場部件相同的材料，以保證測試的嚴(yán)謹(jǐn)性和可靠性。

圖7 干簧管開關(guān)匹配篩選裝置

4 安全鎖開關(guān)組件的改進(jìn)建議

分離器安全鎖開關(guān)罩殼空間狹小，導(dǎo)致內(nèi)部接線不易整理，檢修過程中容易對導(dǎo)線進(jìn)行拉扯而斷開，不便于檢修（圖8）。加拿大Pickering 電站的開關(guān)組件已做了變更（圖9），變更后使用集成電路板替換掉開關(guān)套管，插頭連接替換掉接線焊接，導(dǎo)線布置有序，消除了設(shè)定時(shí)開關(guān)引腳碰壁風(fēng)險(xiǎn)和接線拉扯斷開風(fēng)險(xiǎn)，提高了安全性能和檢修效率。鑒于秦三廠和Pickering的裝卸料機(jī)分離器安全鎖的機(jī)械和儀控部件的原始設(shè)計(jì)均基本一致，可參照Pickering的成功案例實(shí)施變更，因此，秦三廠安全鎖開關(guān)組件改造已提上日程。

圖8 分離器安全鎖開關(guān)接線

5 結(jié)束語

通過對裝卸料機(jī)分離器安全鎖干簧管位置開關(guān)的加工制作和最終匹配性篩選等方面進(jìn)行優(yōu)化和改造，降低安全鎖開關(guān)設(shè)定難度，減少了現(xiàn)場檢修人員的輻照劑量。經(jīng)過長時(shí)間的運(yùn)行觀察，開關(guān)的穩(wěn)定性也得到明顯提升，為電站后續(xù)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供有力的支持和保證，同時(shí)為類似裝卸料機(jī)管嘴抱卡開關(guān)的設(shè)定、管嘴觸盤開關(guān)的設(shè)定和分離器燃料擋塊位置開關(guān)的設(shè)定等提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。