裝卸料機分離器安全鎖開關設定異常分析及對策

周建平，張 泰，靳瀚博，茍 海

（中核核電運行管理有限公司，浙江嘉興 314300）

1 問題

裝卸料機作為核電廠重水堆不停堆換料的關鍵設備，需要有很高的可靠性，作為其四大組件之一的分離器，在換料期間會與燃料棒束直接接觸，為防止其誤動設計了分離器安全鎖，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位置，每個位置均由兩個干簧管開關同時監測，為保證分離器安全鎖位置的正確指示，確保換料安全，需對安全鎖開關進行精準設定，保證任一組位置開關均有良好的同步性。但在安全鎖設定過程中，開關經常出現延遲觸發、觸發不同步或不觸發現象，導致檢修花費大量時間、人員接受輻照劑量整體偏多的情況。

2 原因分析

2.1 干簧管開關結構及工作原理

干簧管開關是由兩片干簧片（通常由鐵和鎳兩種金屬組成）密封在玻璃管內，玻璃管內的兩片干簧片呈交迭狀且間隔有一小段空隙，適當的磁場將會使兩片干簧片接觸。兩片簧片上的觸點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及產品壽命。而玻璃管內通常注入了氮氣或一些等價的惰性氣體，部份干簧管開關為了提升其高壓性能，將內部做成真空狀態。

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

圖1 干簧管開關結構原理

根據干簧管開關與磁鐵的相對運動關系，最常見的有兩種觸發方式：繞軸轉動和平行動作。

（1）繞軸轉動。圖2 為干簧管開關在磁鐵做繞軸動作時的狀態變化。

圖2 繞軸轉動

（2）平行動作。根據干簧管開關與磁鐵的相對距離，可以實現磁鐵在整個移動過程中開關一次閉合一次斷開和三次閉合三次斷開效果（圖3）。

圖3 平行動作

分離器安全鎖開關的觸發方式為水平觸發方式，且磁鐵與開關相對距離近，通過離線試驗證明，在未加裝屏蔽管時，分離器安全鎖磁棒在移動過程中開關存在三次閉合和三次斷開現象，而實際工況只需一個閉合和斷開區間，因此在原始設計時加裝了屏蔽管，改變磁通流，從而干擾開關開合的磁力線。

2.2 初步原因分析

根據干簧管開關特性，分析影響開關特性的主要因素。

2.2.1 干簧管開關自身匹配性

因分離器安全鎖裝置設計原因，現場開關可調節的空間距離很小，因此，要求開關具有很高的同步性，即要求在相同的磁場強度/安培匝數（AT）時正好達到開關的吸合值，還要求具有相同的磁滯值（通常表達為DO/PI，即斷開值/吸合值）。所以，開關性能匹配性不佳可能會導致開關設定異常。

2.2.2 工作磁場

干簧管開關由磁場驅動，分離器安全鎖在運行期間，涉及分離器安全鎖磁場主要有兩個方面，一是安全鎖鎖頭驅動線圈磁場，另一個是驅動干簧管開關的永磁鐵磁場。如果這兩方面的運行參數發生改變，將會改變開關觸發性能。

2.2.3 管開關后期加工制作

系統設備使用分離器安全鎖干簧管開關前，需要對其進行一系列的加工，如開關引腳剪切、開關套管安裝等。根據干簧管開關特性，開關的引腳長度關系到開關的AT 值，另外，開關在套管中的安裝位置不同，也會影響開關的觸發位置。

2.3 根本原因分析及定位

2.3.1 干簧管匹配性

為檢查干簧管開關的匹配性問題，對若干庫存開關備件做一項試驗。在同一環境中，使用同一永磁鐵分別對開關進行觸發，發現同型號的不同開關的觸發靈敏度存在一定差異性，最大相差5 mm，而安全鎖開關的調節總行程只有13 mm 左右，同步性差異值偏大。

2.3.2 開關工作磁場

（1）安全鎖線圈磁場。因為分離器安全鎖驅動線圈產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作。在原始設計上，線圈的正負極有明確規定，不能正負極接反。雖然線圈正負極接反不影響安全鎖動作功能，即能正常的上鎖和解鎖驅動，但這樣會使線圈磁場方向改變，從而影響永磁鐵磁場，導致驅動干簧管開關的磁場變化，最終影響開關設定。

曾發生裝卸料機安全鎖完成離線測試后，換至在線運行時，每次會發生指示異常問題，后經排查，原因在于測試臺架安全鎖接線與在線系統接線反向，在糾正測試臺架錯誤的接線后，指示恢復正常。隨后對4 臺在線的裝卸料機的安全鎖線圈接線進行檢查，確定無反接問題，且檢查每個安全鎖線圈的電阻和電壓，均與設計值一致，排除線圈磁場因素。

（2）永磁鐵磁場。一般磁鐵在發生較強的撞擊、振動，過強的磁場或高溫下，都不同程度地影響磁場強度和長期穩定性。分離器安全鎖開關驅動永磁鐵在正常工作環境中不存在過強的振動、強磁場或高溫等工況。

為檢查其磁場強度在日常拆解檢修或在高輻射環境下是否會發生變化，做如下試驗：取兩套現場服役多年永磁鐵和一個新的永磁鐵備件，同環境同方式對一個干簧管開關進行觸發，然后記錄永磁鐵與開關的距離，試驗結果為3 個永磁鐵對干簧管開關的觸發距離完全一樣。通過測試得出，分離器中的永磁鐵的磁場強度正常情況下并未隨其在現場服務時間的長短或日常預維拆解檢修而消退，判斷永磁鐵不是主要因素。

2.3.3 干簧管后期加工制作

查詢相關維修規程和教學計劃，對于開關的引腳剪切長度并未有明確統一的標準，而只要求大于3 mm 的一個范圍，而從圖4 開關AT 值和開關切割后長度值的關系特性可以看出，開關引腳的長度直接影響開關的AT 值，即開關引腳長度保留越長，開關越容易觸發，越靈敏。

圖4 開關吸合AT 值與開關引腳長度關系

另外，在安裝開關套管中也并未給出開關定位方法。從圖5開關及套管設計要求可以得出，在加裝開關套管時，如果套管定位不準確，會導致干簧管開關在開關套管中的位置最大偏差達到0.2 英寸，而開關的調節總行程只有0.5 英寸，所占比重大，判斷后期制作加工將對開關性能有較大影響。

圖5 干簧管開關和套管尺寸

3 改進方案分析與實施

3.1 干簧管匹配性優化

為保證干簧管良好的匹配性，除了嚴格的開關采購控制外，還需對開關的轉運和保存做出明確的規范，因為較強的沖擊及振動，均可能改變干簧管開關的特性，廠家試驗指出，當干簧管從30 cm 以上的高處跌落到硬表面（地面）時，其電氣特性（啟動、釋放等值）將可能改變。另外在對新的干簧管開關進行后期加工前，需要對開關的相關性能進行檢查，篩選工作正常以及性能匹配的開關。

目前已在相應的檢修規程和教學計劃中添加了對開關使用減振棉加塑料瓶的儲存和轉運要求，并增加防振防摔的提醒。還增加了對干簧管開關的觸發電阻、觸發穩定性和遲滯性等方面進行檢查，篩選出合格的開關。

3.2 干簧管后期加工制作的優化

在干簧管開關的后期加工制作中，相關要求需進行完善，保證達到兩點要求：①統一開關引腳長度，保證開關AT 值和磁滯值一致；②安裝開關套管時，保證開關置于套管中央，減少因開關物料位置偏差影響開關設定。

在開關后期加工后，需進行匹配性測試，挑選同步性一致的開關并分類儲存，為實現這一功能，可以設計制作一套開關匹配篩選裝置。

查詢分離器安全鎖原始設計手冊，干簧管開關、開關套管和引腳剪切的尺寸在AECL 提供的相關設計手冊中已給出（圖6）。在開關制作封裝引腳剪切時，需嚴格按設計要求執行。

圖6 干簧管開關及套管尺寸

另外，按安全鎖實際尺寸1∶1 設計制作干簧管開關匹配測試裝置（圖7），且各部件使用與現場部件相同的材料，以保證測試的嚴謹性和可靠性。

圖7 干簧管開關匹配篩選裝置

4 安全鎖開關組件的改進建議

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

圖8 分離器安全鎖開關接線

5 結束語

通過對裝卸料機分離器安全鎖干簧管位置開關的加工制作和最終匹配性篩選等方面進行優化和改造，降低安全鎖開關設定難度，減少了現場檢修人員的輻照劑量。經過長時間的運行觀察，開關的穩定性也得到明顯提升，為電站后續的安全穩定運行提供有力的支持和保證，同時為類似裝卸料機管嘴抱卡開關的設定、管嘴觸盤開關的設定和分離器燃料擋塊位置開關的設定等提供了寶貴經驗。