反應堆廠房內環境對磁性數顯定位設備的影響研究

黃新東 洪 龍 王炳炎 段春輝 任 荷

（中國核動力研究設計院 核反應堆系統設計技術重點實驗室，四川 成都610041）

0 引言

現行核電廠裝卸料工藝采用數控裝卸料機，其定位精度約3mm，在換料時需要人工全程監控、節點確認和實時干預，存在定位機構結構復雜、操作員勞動強度大、人因干擾因數較大等情況。如在核電廠裝卸料系統中采用磁性數顯定位技術，可簡化定位裝置的結構，提高其可靠性和維修性，并可提高數控裝卸料機的定位精度，為初步實現數控裝卸料機的無人化、全自動化和遠程遙控創造條件。但裝卸料系統運行環境惡劣，除溫度、濕度外，反應堆廠房內的高輻照環境也可能對磁性數顯設備的使用性能產生影響。因此，為了將該技術應用于核電廠反應堆裝卸料領域，必須研究反應堆廠房環境對磁性數顯設備的影響。

1 技術方案、關鍵技術及解決途徑

1.1 技術方案

本課題的研究采用調研、試驗的方法，測量并對比磁性數顯定位設備在模擬的反應堆廠房內高溫、高濕、高輻射環境條件下的使用性能的變化情況，根據所得出的具體數據進行分析和計算，在對比現有成熟技術的基礎上，研究論證磁性數顯定位設備在反應堆廠房內進行工程運用的可行性，并制定磁性數顯定位技術運用于反應堆核燃料裝卸系統的技術方案。

1.2 技術指標

按照《大亞灣核電站系統及運行》、《廣東核電站系統手冊》、《秦山核電工程》、《核儀器環境條件與試驗方法》、《電工電子產品基本環境試驗規程 試驗Ka：鹽霧試驗方法》等文件、標準的描述，以及大亞灣核電站輻照測量數據及近海岸大氣環境調研數據，在反應堆正常運行時，堆廠房內的環境溫度為15℃～45℃、20m平臺放射性劑量水平＜20mSv/h、環境鹽霧：＞2mg/m3[1－2]；按 GB8993-1998 選擇本課題的試驗為I組3K4， 其環境濕度約 90～95%、 環境氣壓 86 kPa～106kPa[3]；按GB2423.17-1993 的規定，鹽霧試驗溫度為 35±2℃[4]。綜上所述，選擇本課題技術環境模擬技術指標為：模擬環境溫度10℃～50℃、模擬環境濕度100%、模擬環境放射性劑量水平＜20mSv/h、模擬環境氣壓：86 kPa～106kPa、模擬環境鹽霧：＞2mg/m3。在模擬環境試驗中采用的試驗件規格為：PGHW25C，長度為 900mm（見圖 1）。

1.3 關鍵技術及其解決途徑

1.3.1 反應堆廠房內環境條件模擬技術

綜合模擬實際反應堆廠房內環境條件比較困難，而將試驗件放入實際反應堆廠房內進行試驗又會面臨溝通、試驗設施的設置、數據測量和研究周期較長等困難。因此將環境因素分解后進行分項模擬試驗

反應堆廠房內環境因素主要為溫度因素、濕度因素、輻射因素、粉塵因素、鹽霧因素。因此現場環境對磁性數顯定位設備的影響可分解為上述環境因素對磁性數顯定位設備的單獨影響。由于磁性數顯定位設備的測量特性不因含油、水、粉塵等惡劣工作環境而改變。所以，可不進行對粉塵因素影響的研究。由于前期調研發現磁性數顯定位設備的工作溫度為0℃～50℃、貯存溫度為-5℃～70℃，而反應堆運行期間反應堆廠房內的溫度最低為15℃，最高為50℃。所以，可不進行對溫度因素影響的研究。

通過高濕環境模擬試驗、鹽霧環境模擬試驗，使用專用試驗容器和相關裝置模擬反應堆廠房內的濕度、鹽霧環境進行試驗，取得濕度和鹽霧模擬試驗的測量結果；通過尋找合適的輻照站模擬反應堆廠房內的輻射環境進行放射性模擬試驗，取得輻照模擬試驗的測量結果。為縮短試驗時間，在計算出設備預期壽命期接受的照射總劑量后，采取適當加大照射劑量的方法進行試驗。

1.3.2 在試驗條件下磁性數顯定位設備使用性能的測量技術

由于模擬環境的影響，如果采用在線測量取得測量結果，可能會面臨測量儀器也受模擬環境影響而產生較大測量誤差的情況。可采用離線測量取得測量結果。即在試驗前對試驗件進行測量和標定，將試驗件放入模擬環境中達到一個標準時間后，取出試驗件并進行運行和測量，然后再將試驗件放入模擬環境中，以此類推直至達到試驗規定時間或試驗件失效為止，從而取得測量結果。在試驗中，使用雙頻激光干涉儀（見圖2）對磁性數顯定位裝置的定位精度進行測量，其不確定度為 0.04μm。

圖1 磁性數顯定位裝置試驗件Fig.1 Magnetic Locating Device With Display Unit

圖2 雙頻激光干涉儀Fig.2 Double Frequency Laser Interferometer

2 試驗

2.1 輻照模擬試驗

根據研究的需要，應考察磁性數顯定位裝置在輻照環境下分別工作1年、2年、5年、10年的性能。在輻照試驗前、后分別對試驗件使用雙頻激光干涉儀進行長度定位精度計量檢定。參照《反應堆廠房環境對磁性數顯定位裝置的影響研究總體技術方案》中的輻射劑量水平數據，可計算出每種情況的累積劑量，從而確定每種試驗件輻照試驗的時間，具體數據參照表1：

表1 輻射計量表Table1 RadiantIntensity

將試驗樣品，包括磁尺、導軌和滑塊一起放入輻照腔內按照正常工作10年的累積劑量進行加速輻照實驗，最后對試驗結果進行分析。

2.2 高濕、鹽霧模擬試驗

高濕、鹽霧環境試驗時間為240h、480h兩個階段。在240h先時將試驗件取出，進行長度定位精度計量檢定后,繼續進行鹽霧試驗至480h后取出進行精度計量檢定。

為便于試驗用溶液的調配，并加速試驗件的腐蝕，設定試驗采用鹽霧濃度為0.6克/升，是設備使用環境的鹽霧濃度的30萬倍。

3 試驗結果分析

試驗后編制了輻照模擬試驗和高濕、鹽霧模擬試驗的試驗報告，并對相關試驗件進行了檢定。

3.1 輻照模擬試驗結果與分析

在模擬核電站10年累計劑量的γ射線輻照后，磁性數顯定位設備中對定位測量最重要的磁條和磁性讀數頭部件的性能基本無變化，且滑塊在導軌上的滑動順暢無阻滯。試驗件檢定的絕對誤差分布見表2，對檢定數據的統計分析見圖3。

表2 輻照試驗誤差分布表Table 2 Measurement Error Before and After Radiatio Experiment

圖3 磁性數顯定位裝置輻照前后檢測數據圖Fig.3 The Measuring Data of Magnetic Locating Device With Display Unit before and after experiment

在模擬核電站10年累計劑量的γ射線輻照后，磁性數顯定位設備中對定位測量最重要的磁條和磁性讀數頭部件的性能基本無變化，鋼制導軌雖然出現輕微的表面腐蝕現象，但基本不影響磁性數顯定位設備的定位精度。

3.2 高濕、鹽霧模擬試驗結果與分析

在模擬近海岸大氣環境濕度與鹽霧時，為了加速試驗件的腐蝕，將濕度增大到100%，鹽霧濃度增大30萬倍達到0.6克/升，試驗結果顯示，磁條中間部位有1個點狀腐蝕（Φ1.5mm）（見圖7），在磁條的一端靠近端部約80mm處有1cm2的片狀腐蝕。

滑塊可在導軌上滑動；除出現兩個腐蝕處外，其余磁條表面光滑平整未產生變形。

試驗件檢定數據及誤差分布見表3、表4、表5，對檢定數據的統計分析見圖8。

圖4 磁體點狀腐蝕圖Fig.4 Punctate Erosion of the Magnet

表3 試驗前測量結果Table 3 The Measuring Result Before Experiment

表4 試驗后精度測量結果Table 4 The Error Measuring Result After Experiment

圖5 磁性數顯定位裝置鹽霧試驗前后檢測數據圖表Fig.5 The Error Measuring Result of The Magnetic Locating Device With Display Unit Before and After Salt Mist Test

在試驗中，磁性數顯定位設備檢定測量行程最大為0.66m。

所以，根據公式（2），磁性數顯定位設備的定位精度為：

Δ1=±（80+15×0.66）

=±0.0899 mm≈±0.09mm

經過測量精度檢定，點狀腐蝕處的讀數精度未受影響，片狀腐蝕處的讀數精度為0.16mm。

所以，片狀腐蝕處的讀數精度下降了0.07mm。

3.3 采用理論計算疊加測量結果

本課題取得了輻照模擬試驗和高濕、鹽霧模擬試驗，取得了相應的試驗數據。為了綜合分析環境因素的影響，對所取得的試驗數據進行疊加以取得綜合誤差數據。

通常，對此類計算是采用均方根計算法進行疊加，本課題為慎重起見，采用絕對值計算法進行疊加，見表6，綜合誤差分布統計見圖6。

表5 綜合誤差表Table 5 Compositive Error

通過綜合誤差分布統計可知，輻照模擬試驗和高濕、鹽霧模擬試驗所模擬的環境因素對磁性數顯定位設備定位測量精度的影響不明顯。

由于磁性數顯定位設備本身的定位精度為±0.09mm，所以，從表5和圖6可看出：

a.在試驗前，有 4 個誤差值大于 0.09mm，最大超差 0.0352mm（表中紅字）；

b.在試驗后，有 5 個誤差值大于 0.09mm，最大超差 0.0948mm（表中蘭字）；

c.在試驗前后，其余51個誤差值均小于0.09mm；

d.試驗前正向平均綜合誤差為0.04277mm，試驗后正向平均綜合誤差為0.05134mm，平均綜合誤差正向擴散0.00857mm；試驗前反向平均綜合誤差為0.05551mm，試驗后反向平均綜合誤差為0.05592mm，平均綜合誤差反向擴散0.00041mm。試驗后超差現象沒發生擴散，不具有普遍性，是個別現象；

e.試驗前后的誤差絕對值均小于0.185mm。

圖6綜合誤差統計圖Fig.6 Compositive Error Graph

3.4 磁性數顯定位設備環境適應性分析

通過輻照模擬試驗和高濕、鹽霧模擬試驗可發現，對磁性數顯定位設備而言，輻射因素的影響可忽略不計，高濕、鹽霧因素的影響為個別、局部的影響，且導致的設備定位精度下降程度在可接受的范圍內。經觀察，判定高濕、鹽霧模擬試驗造成的磁條中間部位的點狀腐蝕和在磁條的一端靠近端部約80mm處的片狀腐蝕為個別現象；經對讀數頭的結構分析，發現讀數頭的磁電精密元件均封裝在膠狀體內，與外界大氣環境隔絕，所以讀數頭性能基本未受高濕、鹽霧模擬環境的影響。

為防止磁條在反應堆運行期間的高濕環境中出現腐蝕，可采用以下方法：

第一種辦法，在反應堆啟堆前，將磁條取出，送往AC廠房貯存。在裝卸料機運行前復裝并檢查磁條；

第二種辦法：在磁條表面涂附有機防護層，防護層厚度應不阻滯滑塊在導軌上滑動，涂附溫度應低于50℃，應至少可承受5年累積劑量的照射而不失效。

不論采用采用哪種方法，在裝卸料機運行前都必須對磁性數顯定位設備進行零位檢查和調試；應定期對磁性數顯定位設備進行功能驗證試驗，以保證磁性數顯定位設備的可用性；應按設備維修計劃定期更換零部件。

4 結論

磁性數顯定位設備在模擬核電站廠房內環境的輻射模擬試驗和高濕、鹽霧模擬試驗中表現優良，定位精度≤±0.185mm。其中，輻射因素的影響可忽略不計，高濕、鹽霧因素的影響為個別、局部的影響，且導致的設備定位精度下降程度在可接受的范圍內。所以，磁性數顯定位設備定位精度受環境因素影響較小，對核電站廠房環境適應性較好。

現行核電廠采用數控裝卸料機，其綜合定位精度約±3毫米，而磁性數顯定位設備在模擬核電站10年累計劑量的γ射線輻照和濕度增大到100%、鹽霧濃度增大30萬倍的情況下，綜合定位精度仍能達到約±0.185mm。

所以，磁性數顯定位設備在核電站廠房內使用時，其定位精度在環境因素影響下仍能滿足高精度定位需求，可應用于核電站、核能海水淡化廠、動力堆裝卸料設備的運動定位測量領域。

［1］陳濟東.等.大亞灣核電站系統及運行[M].

［2］歐陽予.等.秦山核電工程[M].

［3］李國祥.等.核儀器環境條件與試驗方法（GB/T8993-1998）[S].

［4］劉慧貞.等.電工電子產品基本環境試驗規程試驗Ka：鹽霧試驗方法（GB/T2423.17-1993）[S].