劉 明

（中核遼寧核電有限公司設(shè)計(jì)管理處，遼寧 葫蘆島125000）

0 概述

控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是核電站反應(yīng)堆控制系統(tǒng)和安全保護(hù)系統(tǒng)的一種伺服機(jī)構(gòu)，由驅(qū)動(dòng)桿部件、鉤爪部件、耐壓殼部件、線圈部件、棒位指示器和隔熱套部件組成[1]。安裝于安全殼內(nèi)的壓力容器頂蓋上，是一種在豎直方向步進(jìn)運(yùn)動(dòng)的磁力提升機(jī)構(gòu)。控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的具體功能是用于提升、下降、保持或快插控制棒，以完成反應(yīng)堆啟動(dòng)、反應(yīng)堆功率調(diào)節(jié)、功率維持、反應(yīng)堆停止和事故工況下的快速停堆（又稱為事故快插、事故落棒），它是核反應(yīng)堆的重要?jiǎng)幼鞑考?，也是直接影響核反?yīng)堆正常運(yùn)行和安全可靠的關(guān)鍵設(shè)備之一。

控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的出廠驗(yàn)收試驗(yàn)中包含整機(jī)冷態(tài)試驗(yàn)、熱態(tài)試驗(yàn)、熱態(tài)試驗(yàn)后冷態(tài)試驗(yàn)，每項(xiàng)試驗(yàn)均需測(cè)量銜鐵動(dòng)作電流。對(duì)于移動(dòng)銜鐵的動(dòng)作電流主要控制：移動(dòng)磁極吸合電流、移動(dòng)磁極打開電流、移動(dòng)銜鐵吸合電流和移動(dòng)銜鐵釋放臨界電流。

其中移動(dòng)銜鐵釋放臨界電流：驅(qū)動(dòng)桿掛在移動(dòng)鉤爪上且在提升狀態(tài)，提升線圈15A，逐漸減少移動(dòng)線圈電流，記錄移動(dòng)銜鐵打開落棒時(shí)的電流，該值應(yīng)該大于0.7A。

由國內(nèi)某制造廠首次承制的控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)在出廠驗(yàn)收試驗(yàn)時(shí)，出現(xiàn)了編號(hào)為1#的控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)熱態(tài)試驗(yàn)后冷態(tài)試驗(yàn)移動(dòng)銜鐵釋放臨界電流偏小的問題，實(shí)際測(cè)量值最低的為0.45A，標(biāo)準(zhǔn)要求值為≥0.70A。

1 原因排查

移動(dòng)銜鐵（移動(dòng)電磁鐵的組成如圖1所示）釋放臨界狀態(tài)時(shí)所受載荷主要包括：電磁吸合力；彈簧力；移動(dòng)銜鐵、銷軸、連桿、鉤爪、驅(qū)動(dòng)桿及模擬重物的重力；浮力；靜摩擦力；不導(dǎo)磁片的彈開力；不導(dǎo)磁片與移動(dòng)銜鐵吸合后的表面張力。移動(dòng)銜鐵受力狀況如圖2所示。

圖中：Fm：移動(dòng)銜鐵電磁吸力（包括串磁及移動(dòng)銜鐵釋放臨界電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)）；Fc：不導(dǎo)磁片的表面張力；Fd：不導(dǎo)磁片的彈開力；f：靜摩擦力，所有運(yùn)動(dòng)副等效后的靜摩擦力；Fs：彈簧作用力；Ff：浮力，移動(dòng)銜鐵、銷軸、連桿、鉤爪、驅(qū)動(dòng)桿及模擬重物的等效浮力；G：重力，移動(dòng)銜鐵、銷軸、連桿、鉤爪、驅(qū)動(dòng)桿及模擬重物的等效重力。

影響移動(dòng)銜鐵釋放臨界電流的主要因素分析如下：

1)電磁吸力Fm與移動(dòng)銜鐵釋放臨界電流、串磁直接相關(guān)；

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

3）彈簧影響移動(dòng)銜鐵釋放電流，即增大Fs，移動(dòng)銜鐵釋放臨界電流將增大；

4）靜摩擦力f越大，移動(dòng)銜鐵釋放臨界電流也就越??；

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

目前，工程上尚無銜鐵動(dòng)作臨界電流計(jì)算的成熟方法。在工程實(shí)踐中，一般均借助于試驗(yàn)對(duì)該參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，對(duì)于臨界電流超差排查也采用試驗(yàn)方法進(jìn)行。

1.1 電磁吸力

電磁吸力主要與磁極材料、不導(dǎo)磁片材料、線圈等有關(guān)；該控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的提升磁極、移動(dòng)磁極及移動(dòng)銜鐵用的材料為馬氏體不銹鋼，移動(dòng)磁極原材料與國外設(shè)計(jì)公司技轉(zhuǎn)資料相比，在磁性能方面無明顯差異，對(duì)移動(dòng)銜鐵釋放臨界電流基本無影響。

不導(dǎo)磁片為國外進(jìn)口，由控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的國外某制造廠（在控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)制造方面有著良好業(yè)績，為世界多個(gè)核電廠控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的供貨商，產(chǎn)品質(zhì)量從未出現(xiàn)過問題）按照規(guī)定的材料采購技術(shù)條件提供。

除此之外，進(jìn)行了線圈部件、導(dǎo)磁環(huán)等對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明均對(duì)移動(dòng)銜鐵釋放臨界電流無明顯差別。

1．2 不導(dǎo)磁片裝配方向、彎曲度試驗(yàn)

為了確認(rèn)不導(dǎo)磁片的安裝方向，設(shè)計(jì)方和制造廠用2套鉤爪部件進(jìn)行了不導(dǎo)磁片安裝方向的對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明不導(dǎo)磁片的正/反裝對(duì)移動(dòng)銜鐵釋放臨界電流沒有明顯影響。

不導(dǎo)磁片的彎曲度增大為0.6mm后，2行程和7行程的移動(dòng)銜鐵釋放臨界電流分別提高了0.11A/0.13A，由此判斷，不導(dǎo)磁片彎曲度加大后對(duì)移動(dòng)銜鐵臨界釋放電流有一定影響，影響不明顯。

經(jīng)過上述針對(duì)不導(dǎo)磁片安裝方向、彎曲度的驗(yàn)證試驗(yàn)，表明不導(dǎo)磁片對(duì)移動(dòng)銜鐵釋放臨界電流影響不明顯。

1．3 彈簧影響

為排查控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)鉤爪部件移動(dòng)彈簧對(duì)移動(dòng)銜鐵釋放臨界電流的影響，首先核查了所有移動(dòng)彈簧的完工報(bào)告，核查結(jié)果滿足采購要求，然后通過更換移動(dòng)彈簧的試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

試驗(yàn)結(jié)果表明：更換移動(dòng)彈簧對(duì)移動(dòng)銜鐵釋放臨界電流的影響不明顯。

1．4 摩擦力影響

摩擦力主要與部件尺寸及靈活性有關(guān)；為了排查控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)鉤爪部件運(yùn)動(dòng)副尺寸偏差對(duì)移動(dòng)銜鐵釋放臨界電流是否有影響，對(duì)移動(dòng)銜鐵、緩沖軸等關(guān)鍵零件進(jìn)行了尺寸復(fù)測(cè)，復(fù)測(cè)結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求，核查其余零件的完工報(bào)告，尺寸合格。通過上述零件尺寸排查，排除了零件加工尺寸偏差導(dǎo)致移動(dòng)銜鐵釋放臨界電流超差的可能性。對(duì)控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的鉤爪部件進(jìn)行了靈活性檢查和目視檢查。鉤爪部件在拆卸前，使用專用工裝對(duì)銷軸擴(kuò)孔邊進(jìn)行了檢查，卷邊狀況符合要求，鉤爪移動(dòng)部位靈活性正常，鎖緊帽、鎖緊螺釘防松無異常。

1．5 委托JSPM制造廠進(jìn)行排查試驗(yàn)

委托JSPM制造廠對(duì)2套控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行重新裝配后分別進(jìn)行冷態(tài)—熱態(tài)—熱態(tài)后冷態(tài)試驗(yàn)，2 套機(jī)構(gòu)的熱態(tài)后冷態(tài)試驗(yàn)移動(dòng)銜鐵釋放臨界電流實(shí)際測(cè)量值分別為0.65～0.74A，0.66～0.73A， 與國內(nèi)制造廠的試驗(yàn)結(jié)果相比略有提高。

國外制造廠認(rèn)為造成移動(dòng)銜鐵釋放臨界電流超差的因素是綜合性的，概括為如下幾點(diǎn)：

（1）不導(dǎo)磁片的彎曲度及安裝方向；

（2）電控柜的標(biāo)定和操作程序；

（3）機(jī)構(gòu)的清潔度；

（4）零件尺寸及鍍鉻；

（5）機(jī)構(gòu)的裝配。

從國內(nèi)外制造廠的排查結(jié)果可以得出控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)熱態(tài)后冷態(tài)試驗(yàn)移動(dòng)銜鐵釋放臨界電流偏小可能是是多個(gè)因素綜合造成，而非單一因素引起的。

2 可靠性驗(yàn)證

為了驗(yàn)證熱態(tài)后冷態(tài)試驗(yàn)移動(dòng)銜鐵釋放臨界電流超差對(duì)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)性能的影響，驗(yàn)證控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)熱態(tài)后冷態(tài)試驗(yàn)移動(dòng)銜鐵釋放臨界電流超差不會(huì)影響其在反應(yīng)堆上的正常運(yùn)行，選取一臺(tái)控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，在模擬反應(yīng)堆正常運(yùn)行工況的溫度、壓力、水質(zhì)等環(huán)境條件下，進(jìn)行性能試驗(yàn)。

性能試驗(yàn)在模擬反應(yīng)堆正常運(yùn)行工況的溫度、壓力和水質(zhì)等環(huán)境條件下進(jìn)行，重點(diǎn)考核與移動(dòng)銜鐵釋放臨界電流有關(guān)的鉤爪部件在性能試驗(yàn)期間的綜合性能。試驗(yàn)進(jìn)行累積不低于1700000步的性能試驗(yàn)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)釋棒的安全功能通過測(cè)量機(jī)電延遲時(shí)間來實(shí)現(xiàn)。試驗(yàn)回路中的水的水質(zhì)應(yīng)滿足B級(jí)水質(zhì)規(guī)定。

試驗(yàn)回路應(yīng)能提供CRDM冷熱態(tài)試驗(yàn)所需的運(yùn)行條件。

（1）熱態(tài)試驗(yàn)壓力：p=15.5MPa±0.6MPa （絕對(duì)壓力）；

（2）熱態(tài)試驗(yàn)溫度：t=286℃ ± 10℃；

（3）冷態(tài)試驗(yàn)壓力：大氣壓（耐壓殼不焊接時(shí)）；

（4）冷態(tài)試驗(yàn)溫度： t＜100℃。

試驗(yàn)本體應(yīng)模擬控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)在反應(yīng)堆中的運(yùn)行狀態(tài)，模擬控制棒組件與控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的連接形式與實(shí)際產(chǎn)品應(yīng)一致。機(jī)構(gòu)提升載荷（驅(qū)動(dòng)桿+模擬控制棒組件）：163kg±5kg（在空氣中）。

試驗(yàn)過程中測(cè)量鉤爪部件的步長、載荷傳遞間隙、銜鐵動(dòng)作臨界電流、機(jī)電延遲時(shí)間。

本次試驗(yàn)，累計(jì)完成1702626步步躍動(dòng)作。在整個(gè)性能試驗(yàn)期間，機(jī)構(gòu)運(yùn)行平穩(wěn)、無異常噪聲，能順利完成提升、下插及保持在指定高度等動(dòng)作，沒有出現(xiàn)因機(jī)構(gòu)本身原因引起的失步、打滑、提不起或卡棒等異?，F(xiàn)象。在熱態(tài)試驗(yàn)期間，按照試驗(yàn)規(guī)程要求，每200個(gè)全行程測(cè)量1次銜鐵動(dòng)作臨界電流和機(jī)電延遲時(shí)間。移動(dòng)銜鐵釋放臨界電流值在機(jī)構(gòu)運(yùn)行600個(gè)全行程后達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)，保持在1.2A～1.32A范圍內(nèi)。機(jī)電延遲時(shí)間最長為124ms，滿足設(shè)計(jì)要求（≤150ms）。在熱態(tài)試驗(yàn)期間，每100個(gè)全行程記錄提升和下插的電流、聲音-時(shí)間曲線，所有波形及數(shù)據(jù)均滿足設(shè)計(jì)要求。24#鉤爪部件在170萬步熱態(tài)試驗(yàn)前后的冷態(tài)試驗(yàn)中，移動(dòng)銜鐵釋放臨界電流數(shù)據(jù)無明顯變化（性能試驗(yàn)前為0.70A/0.68A，性能試驗(yàn)后為0.67A/0.74A）。說明在經(jīng)歷熱態(tài)試驗(yàn)（100個(gè)全行程）后，機(jī)構(gòu)性能已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定，移動(dòng)銜鐵釋放臨界電流不會(huì)持續(xù)降低，對(duì)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)行波形、機(jī)電延遲時(shí)間等性能參數(shù)也無不利影響。該控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)性能試驗(yàn)結(jié)果完全滿足控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)性能試驗(yàn)方案驗(yàn)收準(zhǔn)則[3]。

3 結(jié)論

基于上述分析，以及170萬步的性能試驗(yàn)結(jié)果表明控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)出現(xiàn)的熱態(tài)后冷態(tài)試驗(yàn)移動(dòng)銜鐵釋放臨界電流超差問題不會(huì)影響其在反應(yīng)堆上的正常運(yùn)行；對(duì)該電流超差分析表明不會(huì)影響CRDM執(zhí)行其安全停堆功能。

［1］某核電廠．控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)備規(guī)格書[Z].上海,2009，01．

［2］某核電廠．控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)鉤爪部件組裝說明書[Z].深圳,2008，12．

［3］控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)鉤性能試驗(yàn)方案[R].深圳,2012，08．