CRDM移動銜鐵釋放臨界電流超差處理方法研究

路 燕 王 慶 馬若群 初起寶

(環境保護部核與輻射安全中心，北京 100083)

CRDM移動銜鐵釋放臨界電流超差處理方法研究

路 燕 王 慶 馬若群 初起寶

(環境保護部核與輻射安全中心，北京 100083)

國內某制造廠承制的壓水堆核電站控制棒驅動機構出現移動銜鐵釋放臨界電流超差的不符合項，通過多種因素排查過程分析可能產生此不符合項的原因，并給出結論及處理方法，從中總結目前控制棒驅動機構國產化過程中存在的問題。

控制棒驅動機構(CRDM)；移動銜鐵；臨界電流

1 背景

控制棒驅動機構(Control Rod Drive Mechanism，簡稱CRDM[1])是安裝于壓力容器頂蓋上的步進式提升機構，主要功能是在堆芯內插入或抽出控制棒束組件[2]，以實現反應性的控制。CRDM由耐壓殼、驅動桿、鉤爪、線圈、棒位指示器和隔熱套組成[3]，如圖1所示。

圖1 CRDM結構圖

CRDM出廠驗收試驗包括冷態試驗、熱態試驗以及熱態后的冷態試驗。具體的試驗要求如下[4-5]：

(1) 冷、熱態試驗選取原則：每臺控制棒驅動機構的鉤爪部件均應做冷態試驗；每個機組的控制棒驅動機構產品中，選擇2臺機構做熱態性能試驗。

(2) 冷態試驗：試驗壓力0.1 MPa，溫度小于100 ℃。

1) 鉤爪部件檢查：CRDM步長15.80～15.95 mm；負荷傳遞間隙1.20～1.57 mm；最大機電延遲時間0.150 s；銜鐵動作電流測量。

2) 全行程運行速度(72+2)步/min，在10～225步范圍內往返7個全行程。

3) 線圈部件電性能檢驗。

(3) 熱態試驗：試驗壓力(15.5±0.6)MPa，溫度(286±10)℃。

1) 100次全行程運行。

2) 銜鐵動作電流測量。

(4) 熱態后的冷態試驗：要求與冷態試驗要求一致。

各項試驗中的銜鐵動作臨界電流考核指標在表1中列出。

對國內一家制造廠為某核電廠制造的CRDM進行出廠驗收試驗，按照合同規定，在45套CRDM中選取冷態試驗時機電延遲時間最長的2套進行熱態試驗，13#CRDM機電延遲時間136 ms，為45套中最長；1#CRDM次之，機電延遲時間131 ms。上述2臺機構冷態、熱態試驗數據合格，但在進行熱態后的冷態試驗時，出現了移動銜鐵吸合、釋放臨界電流超差、步長和負荷傳遞間隙超差的情況，如表2所示。

表1 銜鐵動作臨界電流考核指標

表2 首次試驗NCR參數

制造廠對13#組件重新調整了步長、傳遞間隙，更換了新的不導磁片，進行熱態試驗以及熱態后的冷態試驗；從剩余的鉤爪組件中又選取了2套機電延遲時間最長的58#、59#進行熱態試驗，上述3套組件除移動銜鐵釋放電流外，其余驗收指標均合格。試驗結果如表3所示。

2 原因分析

移動銜鐵釋放臨界電流的定義是：當提升線圈通15.0 A的電流或不通電，且斷開固定線圈電流時，移動線圈電流從8.0 A開始減小直至移動銜鐵開始下落(驅動桿開始下落)時移動線圈中的電流值。該值應≥0.7 A，但在制造廠出廠驗收試驗中測量到的該值都小于0.7 A，最小的為0.42 A。

2.1 設置移動銜鐵釋放臨界電流的目的

表3 第二次試驗NCR參數 單位：A

該CRDM是為適應核電主設備國產化需求，由某制造廠引進國外制造技術生產的，廠家對部分設計指標的理解尚不透徹。關于熱態試驗后的冷態試驗移動銜鐵釋放臨界電流設置為Min0.7 A的目的，制造廠曾向原設計方咨詢，得到解釋：“銜鐵動作臨界電流的要求來源于CRDM原始設計方(西屋公司)，并非該設計方確定的。該指標可以獨立地判定鉤爪部件中零件的機械動作，有利于判定電流—聲音信號曲線未反映出的局部問題?！?/p>

以上僅是定性判斷，目前尚無任何機構能定量說明該移動銜鐵釋放臨界電流的大小對控制棒驅動機構的影響。

2.2 移動銜鐵釋放臨界電流超差的影響因素

從受力方面分析，移動銜鐵釋放臨界狀態時所受載荷主要包括：電磁吸合力Fm；彈簧力Fs；移動銜鐵、銷軸、連桿、鉤爪、驅動桿及模擬重物的重力G；浮力Ff；靜摩擦力f；不導磁片的彈開力Fd；不導磁片與移動銜鐵吸合后的表面張力Fc。移動銜鐵受力狀況如圖2所示[6]。

圖2 移動銜鐵受力平衡圖

作用在移動銜鐵上的力在豎直方向的平衡方程為：

Fm+f+Fc+Ff=Fs+Fd+G

也即：

Fm=Fs+Fd+G-(f+Fc+Ff)

影響移動銜鐵釋放臨界電流的主要因素分析如下：

(1) 電磁吸合力Fm與移動銜鐵釋放臨界電流、串磁直接相關；

(2) 增大不導磁片的彎曲度，可以增加其彈開力Fd，并減小水膜的影響Fc，從而提高移動銜鐵釋放臨界電流；

(3) 彈簧影響移動銜鐵釋放電流，即Fs增大，移動銜鐵釋放臨界電流將增大；

(4) 靜摩擦力f越大，移動銜鐵釋放臨界電流也就越?。?/p>

(5) 等效到移動銜鐵上的重力G、浮力Ff，重力和浮力的合力增大，移動銜鐵釋放臨界電流將增大。

以上是對影響移動銜鐵釋放臨界電流的因素的定性判斷。目前為止，工程上尚無計算銜鐵動作臨界電流的成熟方法[7-8]，實踐中一般借助于試驗對該參數進行測試。

2.3 不導磁片的安裝方向和彎曲度

在查找該不符合項原因的過程中，原CRDM國外制造商曾派其員工自行組裝由我國生產的CRDM來進行試驗，但是將國內制造的不導磁片更換為其自己制造的不導磁片，試驗結果滿足技術要求。在這個過程之后，國外制造商建議對國內制造的CRDM作出如下修改：(1) 不導磁片的安裝方向：建議國內將不導磁片由凹面向上的正裝改為凹面向下的反裝。正裝與反裝的差異如圖3所示；(2) 不導磁片的彎曲度：由原設計的0.35～0.45 mm增加至0.6～0.8 mm。

圖3 移動銜鐵不導磁片安裝方向

關于不導磁片的彎曲度，國外制造方與國內制造廠的測量結果有約0.1～0.2 mm的偏差。經核實發現，二者在測量不導磁片彎曲度時采用的測量基準不同，因此測量結果也不同。具體測量方法如圖4所示。

圖4 不導磁片測量方法

不導磁片是使用模具彎曲成型的，彎曲后不太平整，從圖4可看出，以不導磁片邊緣為測量基準可以排除因制造不平整所引起的誤差。

2.4 其他原因

除了不導磁片的安裝方向和彎曲度的影響外，排查過程中還發現了影響試驗結果的其他原因：

(1) 零件尺寸：移動銜鐵與緩沖軸的配合間隙，3個銷軸與連接件之間的配合間隙會影響鉤爪動作的靈活性，從而對移動銜鐵釋放臨界電流產生影響。

(2) 過電鍍鉻：緩沖軸螺紋根部輕微過電鍍，修磨后試驗數據有一定改善，但仍然不滿足Min0.7 A的設計驗收要求。

(3) 移動彈簧：移動彈簧的彈力偏小可能導致移動銜鐵釋放臨界電流值偏小。

(4) 電控柜的標定和操作程序：電控柜性能不夠穩定，存在意外失電和漂移現象，通過外置一臺穩壓器解決此問題。

(5) 機構的清潔度：國內制造廠清潔度控制較差，而制造和安裝CRDM屬于精細化作業，環境條件對生產的影響不可忽略。

(6) 機構的裝配：國外制造商曾派其員工對國內制造的CRDM進行獨立安裝，試驗結果滿足要求，這說明裝配過程控制得好壞會影響試驗結果。

2.5 性能試驗

針對熱態后的冷態試驗中出現的移動銜鐵釋放臨界電流超差現象，在綜合分析多方面原因但仍然不能取得滿意的試驗結果的情況下，為了驗證此不符合項是否會對CRDM的性能和反應堆正常運行產生影響，國內制造廠抽取了一套CRDM鉤爪部件進行性能試驗。

試驗在模擬反應堆正常運行工況的溫度、壓力和水質等環境條件下進行，要求進行累計不低于170萬步的步躍試驗，機構釋棒的安全功能通過測量機電延遲時間來實現。最后，性能試驗累計完成1 702 626步步躍動作，圖5為熱態試驗3949全行程下插步序波形圖。

圖5 熱態試驗3949全行程下插步序

在整個性能試驗期間：

(1) 機構運行平穩，能順利提升、下插及保持在指定高度，未出現失步、打滑、提不起或卡棒等異?，F象；

(2) 測得最長的機電延遲時間是135 ms，滿足機電延遲時間在150 ms內的設計要求；

(3) 移動銜鐵釋放臨界電流值：冷態試驗值為0.70/0.68 A，熱態試驗后的冷態試驗值為0.67/0.74 A。從結果看該值變化較小。

性能試驗的結果間接證明該不符合項對CRDM的功能、運行波形、機電延遲時間等性能參數無不利影響。

3 國內外類似問題處理情況

CRDM在國外制造中也曾發生過移動銜鐵釋放臨界電流超差的現象，處理方法是部分拆解鉤爪部件，取出不導磁片并加大其彎曲度或更換彎曲度更大的不導磁片，重新裝配后在試驗臺架上進行冷態試驗(不再對該鉤爪部件進行熱態試驗)，從而使移動銜鐵釋放臨界電流達到設計要求[9]。

國內秦山一期、恰?，敗P1000項目的CRDM在出廠試驗中不做熱態后的冷態試驗；秦山二期及其擴建項目、福清、方家山項目的CRDM熱態后的冷態試驗時不測試銜鐵動作臨界電流[10]。

4 對該不符合項的處理方法

由于移動銜鐵釋放臨界電流超差是受多方面綜合因素的影響，在始終不能達到Min0.7 A的考核電流的情況下，按照控制棒驅動系統技術規格書[11]規定的移動線圈最大零電流設定值0.5 A來驗收也可接受，并提出附加要求。具體處理方法如下：

(1) 在CRDM出廠熱態后的冷態試驗中，將移動銜鐵釋放臨界電流驗收值由Min0.7 A降為Min0.5 A；

(2) 完善不導磁片的彎曲度及測量方面相關的程序或操作規程；

(3) 對電控柜進行整改，加強異常情況的監測和處理；

(4) 加強零件加工的尺寸控制、CRDM裝配的精細程度控制，以及CRDM裝配場所的清潔度控制。

[1]鄭曉敏.嶺澳核電廠L1號機組控制棒驅動機構泄漏問題[J].核安全，2007(2)

[2]周紅，肖志，陶書生，等.運行核電廠控制棒組件及其驅動機構異常事件的經驗反饋[J].核安全，2013(1)

[3]廣東核電培訓中心.900 MW壓水堆核電站系統與設備[M].北京：原子能出版社，2004

[4]嶺澳核電廠.控制棒驅動機構設備規格書[Z]，2009

[5]嶺澳核電廠.CRDM試驗說明書系列實驗——性能試驗[Z]，2009

[6]沈雙全.控制棒驅動機構力學分析[J].核動力工程，2006(10)

[7]張繼革.控制棒新型電磁驅動機構性能實驗研究[J].核動力工程，2001(4)

[8]李紅鷹.秦山核電二期工程反應堆控制棒驅動機構設計[J].核動力工程，2003(S1)

[9]李紅鷹，許川.秦山核電二期工程控制棒驅動機構國產化研制[J].核動力工程，2003(S1)

[10]孫林.國產化核電設備制造中的質量控制與質量監督[A].中國核學會核能動力學會二〇〇七年學術年會論文匯編[C].昆明，2007

[11]中國核動力研究設計院.RGL System Requirement Specification[Z]，2007

2014-07-25

路燕(1983—)，女，甘肅景泰人，碩士研究生，工程師，研究方向：核電廠核級機械設備安全審評。

馬若群(1982—)，男，寧夏銀川人，碩士研究生，工程師，研究方向：核級機械設備安全審評。