控制棒驅動機構老化機理及影響分析

王豐，沈秋平

（上海核工程研究設計院，上海 200233）

0 引言

反應堆運行期間，設備隨著服役時間的增長，由于一種或多種老化機理的綜合作用，會發生影響其安全功能的各種形式的變化。核電廠運行經驗表明，由于高溫、高壓、輻照和循環載荷等因素產生的材料脆化、機械斷裂、腐蝕、疲勞、蠕變以及磨損等劣化過程導致的設備退化和故障時有發生。

老化不僅會造成設備的故障，而且大大降低電廠的核安全水平，由此可能造成設備的安全裕度低于設計安全裕度限值或核安全法規要求，降低核安全系統功能，從而增加對公眾健康和安全的風險。

在壓水堆核電站中，控制棒驅動機構（CRDM）位于反應堆壓力容器頂蓋上方，它的作用是在垂直方向定位控制棒組件。通過控制棒驅動機構改變或保持控制棒組件垂直方向的高度，實現反應堆的啟停，并在反應堆正常運行中調節或維持堆芯的功率水平以及在事故工況下快速停堆。圖1 為反應堆本體結構。

圖1 反應堆本體結構

控制棒驅動機構長期運行于高溫、高壓環境中，由于沖擊、磨損、腐蝕等因素將產生一系列老化、性能衰減現象。一旦控制棒驅動機構產生失步、滑步、卡棒、彈棒等故障，將嚴重影響電廠經濟性，甚至引發核安全事故。

1 CRDM 結構及功能簡介

以我國引進的三代核電技術中使用的控制棒驅動機構為例，其主要由4 個主要部件組成，它們分別是驅動桿部件、鉤爪部件、承壓殼體部件和磁軛線圈部件，如圖2。

圖2 控制棒驅動機構

承壓殼體部件內包容了鉤爪部件、驅動桿部件和高溫高壓冷卻劑，是整臺控制棒驅動機構的支承部件，同時又是反應堆冷卻劑壓力邊界的一個組成部分。

磁軛線圈部件是控制棒驅動機構作步躍運行的動力部件，它由磁軛體和3 個電磁工作線圈組成，3 個電磁工作線圈內置在磁軛體中，與對應的鉤爪部件電磁鐵構成3個工作磁路。電磁工作線圈按控制裝置給定的電流程序通電，使位于承壓殼體內的鉤爪部件產生感應電磁力，帶動各自的鉤爪作程序規定的動作。

鉤爪部件是控制棒驅動機構的核心部件，主要由上下2 組鉤爪、3 對電磁鐵組成，3 對電磁鐵藉電磁力吸合，受彈簧和重力作用打開下落。通過鉤爪/連桿機構，各對電磁鐵帶動它們各自的鉤爪組，與驅動桿環齒槽作嚙合、脫開或步躍式升降動作。

驅動桿部件是直接連接控制反應堆反應性的控制棒組件的一個部件。在反應堆運行期間，驅動桿部件和控制棒組件始終連接在一起，在反應堆堆芯行程范圍內作定位、上下運行或緊急落棒。

2 CRDM 老化機理研究

研究分析控制棒驅動機構（CRDM）的老化機理，首先需要確定和理解它的老化過程。由于設備老化過程涉及設備結構、組成設備的材料、部件及工作條件和環境，因此必須了解設備的設計、制造、運行工況、性能要求、運行經驗等。

“老化”這一技術術語，主要出自并用于電氣及電氣控制類設備，包括熱老化、輻照老化、運行老化［1］。這些老化因子會使設備/材料的物理性能、力學性能、絕緣性能等改變和劣化，甚至出現設備故障或失效。

控制棒驅動機構的磁軛線圈部件設計中就考慮了老化因子，并要求對絕緣結構按相關標準進行包括輻照因子在內的耐溫等級等性能的評定試驗。對應于控制棒驅動機構的機械部分，其“老化”應指承壓殼體的運行壽命（年）和鉤爪部件和驅動桿部件的步躍運行次數及落棒次數。

2.1 疲勞

疲勞指在脈動或循環應力的作用下，結構材料中可能發生的裂紋萌生和擴展現象。而循環應力主要源自溫度和壓力載荷的波動。

控制棒驅動機構步躍動作時，受到步躍沖擊載荷的作用產生疲勞。CRDM 的承壓殼體部件、鉤爪部件以及驅動桿部件等承受步躍循環載荷的零部件，均需考慮疲勞這一老化機理。通過在試驗臺架上進行步躍時的動態沖擊載荷試驗，根據步躍沖擊載荷下的壓力、加速度和應變的測量，從而確定驅動機構步躍時的動載荷可知：機構運行的各種工況中，在提升時產生的壓力脈動和撞擊最大。

通過承壓殼體部件的應力分析（圖3，圖4）表明，密封焊縫處的應力水平較高，同時在步躍沖擊載荷作用下，有可能產生高周疲勞失效，應重點關注疲勞這一老化機理對此部件劣化的影響。

圖3 承壓殼體部件的應力強度云圖

圖4 承壓殼體部件密封焊縫區域的應力強度云圖

2.2 應力腐蝕開裂

應力腐蝕開裂（SCC）是指合金在承受應力的腐蝕性環境中，由于裂紋的擴展而失效。應力腐蝕開裂具有脆性斷口形貌，但也可能發生于韌性高的材料中。發生應力腐蝕開裂的必要條件是要有拉應力和特定的腐蝕介質存在。如果材料具有敏感的微觀結構，同時又處于較高拉應力水平以及腐蝕環境中，應力腐蝕開裂就有可能發生。

圖5 承壓殼體部件焊縫裂紋［3］

承受高溫高壓的CRDM 承壓邊界的奧氏體不銹鋼處于氯化物環境中時，如結構中存在應力集中的部位，則很容易在這些部位發生應力腐蝕開裂現象，高溫環境以及氯化物還會使這種現象加劇。而承壓殼體部件密封焊縫區域的水質和反應堆冷卻劑系統的主體環境不同，裝配施工時，從使用的副材料析出微量元素，造成濃度雖然不高但屬于含有氯離子的環境；此外，密封焊縫區域處于反應堆上部，形成空氣囊溶解氧高，兩個因素疊加產生SSC 傾向［2］，圖5 為承壓殼體部件焊縫區域的裂紋。

2.3 環境應力

對于控制棒驅動機構，主要的環境應力老化因子包括溫度、濕度和輻照。

2.3.1 溫度

溫度是在控制棒驅動機構老化中占主要地位的環境應力。“時間—溫度”老化效應會使很多有機材料老化。試驗結果顯示，高溫會造成有機聚合物材料的氧化和脆化，特別是在潮濕和輻射環境中。

反應堆正常運行時壓力容器頂蓋溫度可達到較高的溫度水平，老化效應會引起以下影響：電氣部件絕緣性能改變；聚合物的脆化和硬化導致開裂；材料機械強度和性能的改變；潤滑劑化學成分的變化。

2.3.2 濕度

濕度對控制棒驅動機構的影響僅次于溫度。高濕度會引起電氣絕緣性能改變，降低電氣部件的絕緣能力和耐壓能力。同時，高濕度也增加了漏電流的幾率，還可能導致電氣部件表面電暈放電。

控制棒驅動機構中最容易受濕度影響的部分是電氣接插件和工作線圈，它們持續暴露在潮濕環境會引起腐蝕和變形，最終對它們的電氣性能帶來影響。

2.3.3 輻照

對位于相對和緩環境中的控制棒驅動機構來說，輻照不作為重要的老化因子。然而，在反應堆壓力容器中的那部分，輻射劑量（主要有伽馬和中子輻射）必須考慮，包括累積劑量、劑量率等。

輻照帶來的老化效應會引起以下影響：電氣絕緣性能改變；金屬晶體結構改變。

2.3.4 熱老化

控制棒驅動機構的工作線圈使用了大量有機材料作為絕緣以及導熱材料，因此對于環境應力相對更為敏感。主要體現在“熱老化”這一老化機理上。

熱老化指的是電氣設備絕緣在運行過程中因周圍環境溫度過高，或因電氣設備本身發熱而導致絕緣溫度升高。在溫度的作用下，絕緣的機械強度下降，結構變形，因氧化、聚合而導致材料喪失彈性，或因材料裂解而造成絕緣擊穿，耐電壓下降。

圖6 工作線圈絕緣老化（310℃）

在反應堆正常運行期間，控制棒驅動機構電磁工作線圈的失效可能會導致機構動作不正常或導致機構釋棒,進而影響機構步躍壽命，雖然不會造成重大核安全問題，但是會引起反應堆非計劃停堆事件，對核電廠的經濟效益帶來很大的影響。

對于磁軛線圈部件，應重點關注熱老化這一老化機理的影響，在實際運行過程中需加強對線圈的監測，圖6為CRDM 工作線圈經歷310℃高溫后產生的絕緣老化現象。

2.4 機械磨損

磨損是兩個表面間的運動導致的材料表層的損耗，磨損發生在部件間的相對運動［4］。機械磨損主要影響部件的表面，主要涉及到由物質接觸所導致的老化，如磨損。此外，磨損也可由于反應堆內流致振動引起。

控制棒驅動機構的機械磨損主要發生在其運動部件：鉤爪部件和驅動桿部件之上。鉤爪部件中主要存在鉤爪、銷軸、銷孔和眾多摩擦配合面等處的磨損，驅動桿部件中的磨損一般發生在環形齒槽處，見圖7。

圖7 控制棒驅動機構典型部位的磨損

作為控制棒驅動機構動作部件最主要的老化機理之一，機械磨損直接影響機構的步躍壽命。因此，對于控制棒驅動機構，應重點關注機械磨損這一老化機理對各部件老化的影響。

3 CRDM 失效模式及影響分析

對設備進行失效模式及影響分析（FMEA），可以確定設備的設計特性、潛在的硬件失效以及因控制棒驅動機構設計和操作相關的人因錯誤導致的潛在危險情況。

控制棒驅動機構FMEA 的重點是分析可能造成CRDM 損壞或導致部分/全廠運行功率損失的事件，并對它們提出減少發生概率和降低后果影響的建議。

FMEA 流程：選擇零部件→故障模式分析→故障影響分析→補償措施。

控制棒驅動機構各主要部件FMEA 的結果如表1 所示。

4 結論

根據FMEA 的結果，并結合CRDM 老化機理研究，針對控制棒驅動機構的老化，重點需要關注以下部件的老化機理：

1）鉤爪部件中，疲勞和機械磨損為主要老化機理。磁極、銜鐵等均受步躍沖擊載荷反復作用，導致破裂或機構動作失效。鉤爪、連桿以及銷軸的過度磨損將導致機構無法正常動作。

2）驅動桿部件中，機械磨損及疲勞為主要老化機理。驅動桿的磨損將導致機構無法正常動作，撓性接頭的斷裂將導致落棒停堆。

表1 控制棒驅動機構故障模式和影響分析表

3）承壓殼體部件中，疲勞及SCC 為主要的老化機理。需重點關注機構步躍沖擊載荷對承壓邊界的影響以及監控承壓邊界密封焊縫處的SCC 現象。

4）磁軛線圈部件中，熱老化為主要的老化機理。工作線圈的絕緣下降、短路等失效會導致機構動作不正常或者落棒停堆。

［1］國家核安全局.HAF·J0053-1995 設備抗震試驗鑒定指南［S］.

［2］丁亞平，徐雪蓮.壓水堆核電廠長壽命化的腐蝕損傷問題［J］.腐蝕與防護，2001，22（11）：489-493.

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［3］蔡澤高，劉以寬，王承忠，等.金屬磨損與斷裂［M］.上海：上海交通大學出版社，1985.

［4］周詩光.秦山一期CRDM 關鍵部件失效機理及可靠性分析［D］.上海：上海交通大學，2008.

［5］段遠剛，謝重，方才順.反應堆控制棒驅動線的故障樹分析［C］//核工業第七屆可靠性研究成果專刊論文集，2004.

［6］束國剛，陸念文.壓水堆核電廠關鍵金屬部件的老化和壽命評估［J］.中國電力，2006，39（5）：53-58.