控制棒驅動機構隔磁片失效機理研究及設計優化

王德斌，錢 浩，劉 剛，許艷濤，詹陽烈WANG De-bin， QIAN Hao， LIU Gang， XU Yan-tao， ZHAN Yang-lie（上海核工程研究設計院，上海 200233）

控制棒驅動機構隔磁片失效機理研究及設計優化

王德斌，錢 浩，劉 剛，許艷濤，詹陽烈
WANG De-bin， QIAN Hao， LIU Gang， XU Yan-tao， ZHAN Yang-lie
（上海核工程研究設計院，上海 200233）

壓水反應堆采用完全機械補償的負荷跟蹤模式，對控制棒驅動機構壽命提出了更高要求。針對控制棒驅動機構壽命試驗中的隔磁片破損事件，介紹了破損隔磁片的檢測情況，并對隔磁片失效機理進行了分析。結果顯示，隔磁片失效是一個沖擊、疲勞、腐蝕綜合作用的失效過程。同時提出了隔磁片結構的設計優化方案，樣機壽命試驗結果證明，該設計優化方案能夠有效延長隔磁片疲勞壽命，提高機構可靠性。

控制棒驅動機構；隔磁片；失效機理；設計優化

0　引言

磁力提升步躍式控制棒驅動機構（Control Rod Drive Mechanism， CRDM）是壓水堆核電廠中用來改變或保持控制棒插入燃料組件的高度，以實現反應堆的啟停和功率調節的電磁驅動機械裝置［1］，結構如圖1所示。為滿足運行需要，控制棒驅動機構在設計壽期內將經歷數百萬步的步躍運行。目前大量在役的第二代壓水反應堆的設計壽命為40年左右，這類反應堆較少進行日常功率調節和電網負荷跟蹤，所用驅動機構鉤爪部件設計壽命約為200萬步。而如今新建的第三代壓水反應堆，其設計壽命均為60年，且能夠較好地滿足電網負荷跟蹤要求，故控制棒驅動機構鉤爪部件的壽命要求也隨之提高。某三代核電廠反應堆采用完全機械補償的負荷跟蹤模式，驅動機構鉤爪部件設計壽命為600萬步，達到原有要求的3倍。

圖1　控制棒驅動機構結構簡圖

控制棒驅動機構步躍動作過程中，電磁線圈會按控制時序通電/斷電而產生交變電磁場，磁極/銜鐵在磁場中被交替磁化和退磁。磁化時二者之間產生的電磁力拉動銜鐵直線向上運動，沖擊到磁極上，并與之吸合。退磁時銜鐵在彈簧和重力的作用下與磁極分離，并直線向下運動，回到初始位置。銜鐵的運動，帶動連桿-鉤爪機構動作，完成鉤爪與驅動桿的嚙合和釋放，及驅動桿和控制棒組件的提升與下插。為了加快磁極和銜鐵的分離速度，提高機構動作頻率，在磁極和銜鐵之間設置有不導磁材料制成的隔磁片。

上述三代核電廠反應堆所使用的600萬步設計壽命的控制棒驅動機構，原采用了304奧氏體不銹鋼隔磁片，而在壽命驗證試驗中，機構運行到300萬步即發現隔磁片裂紋，運行到600萬步時，隔磁片裂紋進一步擴展至形成碎片。采用相同設計的控制棒驅動機構在另一家制造廠再次進行了鑒定試驗，600萬步結束時，發現提升隔磁片也已破裂成兩個環面。破損隔磁片如圖2所示，左圖顯示試驗后的鉤爪部件，右上為剛拆卸下來的破損隔磁片，右下為經表面清理用于檢測的破損隔磁片。

圖2　破損隔磁片

控制棒驅動機構作為反應堆內的反應性快速調節裝置，承擔著事故工況下緊急釋棒停堆的安全功能。而隔磁片破損產生的碎片，具有妨礙機構執行其安全功能的潛在可能性。同時，金屬碎片也是不允許在反應堆一回路中存在的。因此，本文對控制棒驅動機構隔磁片的失效機理進行了分析和研究，并提出優化設計方案，采用該優化方案的控制棒驅動機構通過了試驗鑒定。

1　破損隔磁片檢驗

為了分析隔磁片的失效機理，對制造廠中拆卸下來的破損隔磁片（圖2）的外表面和斷面進行了檢測。從圖1中看出，隔磁片一面受磁極支撐定位，簡稱為支撐面；另一面由彈簧壓緊，且承受銜鐵沖擊作用，簡稱為沖擊面。對破損隔磁片表面的目視和低倍放大鏡檢查結果（圖3）顯示，沖擊面十分粗糙，具有較深的蝕坑和很多刻痕，蝕坑和刻痕大都靠近整個隔磁片環面的中心，且多分布在彈簧接觸區的外緣。而支撐面也有蝕坑，但深度和出現范圍更小。

圖3　破損隔磁片表面檢查

隔磁片斷面的掃描電鏡檢查結果如圖4所示，圖中上表面顯示的為沖擊面，下表面為支撐面。掃描結果顯示，樣件斷裂為腐蝕疲勞斷裂，屬于多源疲勞。裂紋源均分布于隔磁片表面，且多在表面腐蝕孔處。

根據隔磁片檢測結果，可以推測在承載時，沖擊面受到壓應力，而支撐面受到拉應力。沖擊面蝕孔缺陷處的應力集中被壓應力抵消了，即使形成了裂紋也不易擴展。而支撐面蝕孔部位在周期拉應力的作用下，形成裂紋且易于擴展，導致最終斷裂。同時，沖擊面在壓應力的作用下出現大量塑性變形區，進一步抵消了蝕孔等缺陷處的應力集中。

圖4　破損隔磁片斷面形貌

2　失效機理分析

基于控制棒驅動機構的動作特性、運行環境，及隔磁片檢測結果，現對隔磁片失效機理進行分析。

2.1沖擊疲勞

在控制棒驅動機構完成的每一個步躍動作中，提升銜鐵和提升磁極都要吸合，隔磁片要承受一次銜鐵負載的沖擊。而控制棒驅動機構壽命試驗中，機構需連續步躍運行數百萬步，即隔磁片會經歷數百萬次的連續沖擊。基于機構的實際運行工況，結合以上破損隔磁片的檢驗結果，判斷沖擊和疲勞是隔磁片斷裂失效的重要原因。

單個步躍動作中，隔磁片的受沖擊過程可以分為兩個階段：1）銜鐵在電磁力的提升下，克服重力、彈簧力、流阻等阻力的作用，向上運動直至間隙閉合，與隔磁片貼合。2）銜鐵與隔磁片貼合后，銜鐵負載的沖擊動能轉化為彈性勢能，隔磁片和磁極受到壓縮，隔磁片承受沖擊力。圖5為這兩個階段的示意圖，x指銜鐵的位移，δ指磁極和銜鐵間的設計間隙值。

圖5　隔磁片受沖擊過程

以上兩個階段可以簡化為兩個運動方程，根據控制棒驅動機構的設計參數計算得出，提升動作過程中提升銜鐵碰撞前的末速度約為0.4米/秒，與該類型機構的歷史試驗數據基本相符。

從圖1所示的控制棒驅動機構結構上看出，隔磁片的支撐面始終與磁極貼合，而沖擊面可以分為內環區域和外環區域，內環區域始終承受壓緊彈簧施加的彈簧載荷，外環區域所受到的載荷則取決于銜鐵的接觸與否，銜鐵接觸時承受沖擊力，銜鐵分離時不承載。在沖擊過程中，隔磁片的應力狀態并非均勻分布。根據該邊界條件和隔磁片受沖擊過程分析得到的結果，采用解析方程和限元方法進行應力分析，可計算得出沖擊時隔磁片上最大切向拉應力的產生位置發生在環面內部。

試驗機構中破損隔磁片上環向裂痕（如圖2所示）出現的位置與計算結果一致，顯示以上計算模型較為準確的描述了隔磁片所受沖擊力和應力分布。

2.2表面腐蝕

試驗后的破損隔磁片從機構上拆卸下來后，未經清理的表面呈現焦黑顏色和凹凸不平，顯示為較多腐蝕坑。將表面清理后，隔磁片顏色恢復金屬光澤，依然有斑駁蝕坑留存，如圖2所示。控制棒驅動機構壽命試驗近似模擬了反應堆一回路冷卻劑環境，鉤爪部件全部浸沒在高溫高壓水環境中。高溫高壓水環境下，奧氏體不銹鋼表面腐蝕也是隔磁片潛在失效原因的一種。

關于304奧氏體不銹鋼在壓水堆一回路條件下的腐蝕特性，文獻［2］研究發現，經過14天模擬壓水堆一回路條件腐蝕環境后，不銹鋼表面由光亮的金屬光澤變為藏青色，氧化膜均勻致密。而經過34天高溫腐蝕后，不銹鋼表面的顏色加深，變為黑色；之后的氧化過程中表面顏色保持不變。但這種黑色氧化層厚度不是均勻的，經過70天的腐蝕后，局部表面氧化層就出現了脫落。

奧氏體不銹鋼在壓水堆一回路條件下的腐蝕特性，較好的解釋了壽命試驗中破損隔磁片表面的黑色產物，及隔磁片表面的凹凸不平。在銜鐵的撞擊下，隔磁片表面不均勻厚度的腐蝕產物更容易脫落，從而留下蝕坑。

2.3氣蝕

本次控制棒驅動機構壽命試驗中，奧氏體不銹鋼隔磁片在300萬步時即發現開裂現象。而根據歷史經驗，采用相同隔磁片設計的機構曾經運行到超過300萬步而沒有發現裂紋。對比發現，以前的壽命試驗溫度為285℃，而本次壽命試驗的溫度為321℃。壽命試驗溫度提高，導致試驗回路中冷卻劑的飽和壓力提高，從而試驗回路中的過壓就降低了。即回路壓力超出冷卻劑飽和壓力的裕量較少，出現氣蝕現象的可能性變大，表面汽蝕也是隔磁片失效的潛在原因之一。

在控制棒驅動機構磁極和銜鐵快速分離時，隔磁片附近局部區域的水壓會急劇降低；而當水壓降低到飽和壓力以下時，隔磁片表面會出現蒸汽氣泡。在銜鐵再次與磁極吸合時，蒸汽氣泡破裂，破裂形成的噴液沖擊到隔磁片表面，導致微裂紋產生。這個過程即為氣蝕，圖6為其原理圖。微裂紋一旦產生，材料特性不再具有勻質性，承載情況下裂紋將在尖端持續擴展。

圖6　氣蝕原理圖

以上分析可知，控制棒驅動機構壽命試驗中隔磁片破損是一個沖擊、疲勞、腐蝕綜合作用的失效過程。腐蝕或氣蝕，為失效提供了初始裂紋源。沖擊和疲勞，導致了裂紋的擴展及隔磁片的最終失效。

3　設計優化方案

基于失效機理分析結果，可以對隔磁片設計進行優化，以提高隔磁片在運行環境下的疲勞壽命。

1）將隔磁片材料由奧氏體不銹鋼改為鎳基合金。鎳基合金能夠有效提高隔磁片抗腐蝕和抗疲勞損傷能力，且相較奧氏體不銹鋼，鎳基合金具有更高的強度。在承受沖擊壓力的情況下，鎳基合金隔磁片能夠顯著提高疲勞壽命。

2）在單片隔磁片的基礎上，增加緩沖片結構。通過在隔磁片背后增加緩沖片結構（如圖7所示），能夠提高支撐結構阻尼，同時分散部分沖擊能量，降低隔磁片所受沖擊力，提高其疲勞壽命。

圖7　設計優化方案

采用該優化方案設計的控制棒驅動機構鉤爪部件，在相同的試驗條件下進行了步躍壽命試驗，機構運行到600萬步后，對隔磁片進行了檢查，沒有發現任何裂紋。

4　結論

針對某三代核電廠反應堆所用控制棒驅動機構在壽命試驗中發生的隔磁片破損事件，本文介紹了破損隔磁片的檢測情況，并對隔磁片的失效機理進行了分析，同時提出的設計優化方案，有效地延長了隔磁片使用壽命，提高了控制棒驅動機構的可靠性。結論如下：

1）奧氏體不銹鋼隔磁片在控制棒驅動機構壽命試驗中的破損，是一個沖擊、疲勞、腐蝕綜合作用的失效過程。腐蝕或氣蝕，提供了初始裂紋源。沖擊和疲勞，導致了裂紋的擴展及隔磁片的最終失效。

2）將隔磁片材料由奧氏體不銹鋼改為鎳基合金，并在單片隔磁片的基礎上，增加緩沖片結構。試驗證明，該設計優化方案能夠有效解決了隔磁片失效問題。

［1］ 孫漢虹，程平東，繆鴻興，張維忠，朱鑫官，翁明輝.第三代核電技術AP1000［M］.中國電力出版社，2010，9.

［2］ 彭德全，胡石林，張平柱，王輝.304L在模擬壓水堆一回路條件下長期均勻腐蝕性能的研究［J］.中國腐蝕與防護學報2013，08.

Failure analysis and design optimization of
non-magnetic shim in control rod drive mechanism

TL351.5

A

1009-0134（2016）08-0107-04

2016-06-17

國家科技重大專項資助項目（2011ZX06002-002）

王德斌（1983 -），男，甘肅人，工程師，碩士，主要從事核電站反應堆設備設計研究工作。