黃亞軍 孟 路 于耀華

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1 控制棒驅(qū)動機構(gòu)簡介

控制棒驅(qū)動機構(gòu)是核反應(yīng)堆控制系統(tǒng)和安全保護系統(tǒng)的一種伺服機構(gòu),主要用于提升、下降、保持和快插控制棒,以完成核反應(yīng)堆啟動、調(diào)節(jié)功率、維持功率、停堆和事故情況下的快速停堆,是核反應(yīng)堆的重要動作部件,也是直接影響核反應(yīng)堆正常運行和安全可靠的關(guān)鍵設(shè)備之一,主要由位置指示器部件、定子部件、轉(zhuǎn)子部件、耐壓殼體部件、絲杠部件和彈簧部件組成。其中,位置指示器用來探測控制棒在堆芯中的位置;定子部件為機構(gòu)動作提供必要的磁場,并通過相序的改變來控制絲杠的移動方向;轉(zhuǎn)子部件通過其滾輪組件與絲杠部件的嚙合、釋放,以及在磁場作用的旋轉(zhuǎn)運動,驅(qū)動絲杠部件上下運動;耐壓殼體部件是反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)壓力邊界的組成部分,將驅(qū)動機構(gòu)的電氣部件和機械部件進行分隔;絲杠部件通過可拆接頭與控制棒相連,最終實現(xiàn)對反應(yīng)堆的控制;彈簧部件提供額外的彈簧力,協(xié)助絲杠部件在緊急停堆工況下的瞬間釋放。

2 故障現(xiàn)象

XX1190批次控制棒驅(qū)動機構(gòu)性能試驗期間,在水中冷態(tài)性能試驗過程中進行吸合、釋放電流試驗時,部分控制棒驅(qū)動機構(gòu)出現(xiàn)半吸合、全吸合電流數(shù)據(jù)偏大,吸合釋放動作電流散點圖如圖1、圖2所示。要求吸合釋放動作半合電流不大于5.0 A,全合電流不大于8.5 A。如該故障原因不查明并不及時進行排除,將直接影響控制棒驅(qū)動機構(gòu)的生產(chǎn)進度,進而導(dǎo)致其無法順利交付。在核反應(yīng)堆的實際運行中,如出現(xiàn)吸合電流偏大類問題,則有可能造成卡棒等危險工況,甚至造成反應(yīng)堆危險運行事件等。因此,該故障的發(fā)生,在控制棒驅(qū)動機構(gòu)的實際批次生產(chǎn)和性能試驗過程中需引起高度重視,并審慎處置。

圖1 吸合釋放動作半合電流散點圖

3 故障排查過程

控制棒驅(qū)動機構(gòu)轉(zhuǎn)子部件的吸合動作是分裂轉(zhuǎn)子在受定子部件吸合力作用后,克服小軸位置處的摩擦力和釋放彈簧阻力的過程?？紤]到影響控制棒驅(qū)動機構(gòu)吸合電流數(shù)據(jù)的因素較多,試驗設(shè)備、操作人員、控制棒驅(qū)動機構(gòu)任意部件等異常均可導(dǎo)致試驗數(shù)據(jù)異常,因此,重點針對影響控制棒驅(qū)動機構(gòu)轉(zhuǎn)子部件吸合動作的因素進行分析,建立導(dǎo)致吸合動作電流偏大問題的故障樹,如圖3所示。以下針對故障樹對象逐個進行排查。

圖2 吸合釋放動作全合電流散點圖

圖3 控制棒驅(qū)動機構(gòu)吸合電流偏大故障樹

3.1 測量誤差、低頻電源排查

對試驗控制柜、儀器儀表、示波器試驗設(shè)備等進行檢查,設(shè)備、儀器儀表標定均在有效期內(nèi),未發(fā)現(xiàn)異常。采用多人現(xiàn)場見證、更換操作人員的方式,使用同型號XX150批次控制棒驅(qū)動機構(gòu)壽命試驗件進行試驗,試驗數(shù)據(jù)與XX150批次前期試驗數(shù)據(jù)保持一致,試驗過程中未發(fā)現(xiàn)操作人員失誤的情況,驗證了試驗設(shè)備和操作人員不是導(dǎo)致吸合電流偏大現(xiàn)象發(fā)生的原因。

3.2 定子部件排查

對該批次控制棒驅(qū)動機構(gòu)定子部件的尺寸檢查報告進行核查,其尺寸均滿足圖紙要求。

對該批次控制棒驅(qū)動機構(gòu)定子部件采用的硅鋼片導(dǎo)磁材料入廠復(fù)驗結(jié)果進行核查,磁性能滿足設(shè)計要求。

查閱定子繞組元件完工文件,對匝數(shù)進行核查,定子繞組元件繞線記錄表顯示其匝數(shù)滿足技術(shù)條件要求。

前述控制棒驅(qū)動機構(gòu)定子部件各項工序完工后均進行相應(yīng)尺寸檢查、單項性能測試等,檢驗合格后開具對應(yīng)檢驗報告。所以該排查結(jié)果可排除控制棒驅(qū)動機構(gòu)定子部件造成吸合電流偏大的可能。

3.3 耐壓殼體部件排查

控制棒驅(qū)動機構(gòu)耐壓殼體部件影響吸合電流的因素主要有原材料鍛棒磁性能、耐壓殼體具體尺寸等因素。核查該批次控制棒驅(qū)動機構(gòu)耐壓殼體零件用鍛棒磁性能報告,數(shù)值滿足要求。核查該批次控制棒驅(qū)動機構(gòu)耐壓殼體尺寸檢查報告,均滿足圖紙要求。

以上兩項核查結(jié)果排除控制棒驅(qū)動機構(gòu)耐壓殼體部件造成吸合電流偏大的可能。

3.4 轉(zhuǎn)子部件排查

控制棒驅(qū)動機構(gòu)零部件采用標準化工藝進行制造,各零部件公差精度要求高,經(jīng)檢驗合格的同種零部件之間具有高度的互換性。針對這一特點,使用同一低頻電源、安排同一批試驗人員、在同一個專用試驗臺架上,采用XX150批次控制棒驅(qū)動機構(gòu)壽命試驗件,更換XX1190批次控制棒驅(qū)動機構(gòu)的部件根據(jù)配套關(guān)系進行多種排列組合的部件互換性排查試驗。具體的部件互換性排查試驗吸合電流試驗數(shù)據(jù)見表1。

表1 部件互換性排查試驗吸合電流試驗數(shù)據(jù)

試驗結(jié)果表明,在其它部件一致,僅更換轉(zhuǎn)子部件的情況下,配套XX1190批次控制棒驅(qū)動機構(gòu)轉(zhuǎn)子部件的機構(gòu)吸合電流均偏大,半合電流最大達到5.7 A,要求不大于5.0 A,全合電流最大達到9.0 A,要求不大于8.5 A,而配套XX150批次控制棒驅(qū)動機構(gòu)轉(zhuǎn)子部件的機構(gòu)吸合電流均合格;在配套XX1190批次控制棒驅(qū)動機構(gòu)轉(zhuǎn)子部件不變,其它部件均更換的情況下,控制棒驅(qū)動機構(gòu)吸合電流均偏大,半合電流最大達到6.18 A,全合電流最大達到8.86 A。該部件互換性排查試驗數(shù)據(jù)說明XX1190批次控制棒驅(qū)動機構(gòu)水中冷態(tài)性能試驗過程中出現(xiàn)的吸合電流偏大現(xiàn)象與控制棒驅(qū)動機構(gòu)轉(zhuǎn)子部件有關(guān)。

因此,通過前述各項比對和試驗驗證,可以確定引起XX1190批次控制棒驅(qū)動機構(gòu)吸合動作電流偏大的直接因素為轉(zhuǎn)子部件異常。

4 轉(zhuǎn)子部件異常原因分析

在鎖定轉(zhuǎn)子部件異常為控制棒驅(qū)動機構(gòu)吸合電流偏大的直接因素后,對該批次控制棒驅(qū)動機構(gòu)轉(zhuǎn)子原材料磁性能、制造過程關(guān)鍵尺寸、重點零部件卡滯情況,以及釋放彈簧力數(shù)據(jù)等進行了詳細排查,發(fā)現(xiàn)XX1190批次控制棒驅(qū)動機構(gòu)分裂轉(zhuǎn)子零件存在一定程度變形,變形量較其它正常批次普遍偏大,變形后的控制棒驅(qū)動機構(gòu)分裂轉(zhuǎn)子零件呈類弓形狀,如圖4所示。

圖4 分裂轉(zhuǎn)子零件變形

對分裂轉(zhuǎn)子零件的變形和轉(zhuǎn)子部件裝配后的配合間隙進行測量和分析發(fā)現(xiàn),A端變形會導(dǎo)致控制棒驅(qū)動機構(gòu)吸合動作發(fā)生前分裂轉(zhuǎn)子與套管軸之間氣隙偏小,致使磁場短路,使分裂轉(zhuǎn)子難以在磁場作用下打開,造成的直接結(jié)果就表現(xiàn)為控制棒驅(qū)動機構(gòu)轉(zhuǎn)子部件吸合電流偏大;B端變形會導(dǎo)致控制棒驅(qū)動機構(gòu)吸合動作發(fā)生前釋放彈簧預(yù)緊力偏大,客觀上導(dǎo)致吸合動作發(fā)生后分裂轉(zhuǎn)子需要克服的釋放彈簧力更大,理論上也會導(dǎo)致控制棒驅(qū)動機構(gòu)轉(zhuǎn)子部件吸合電流偏大,但是經(jīng)過計算,釋放彈簧彈性系數(shù)約為11.8 N/mm,分裂轉(zhuǎn)子B端的輕微變形對轉(zhuǎn)子部件彈簧力的性能影響較小。后換用兩瓣正常的分裂轉(zhuǎn)子零件替換變形部件,經(jīng)試驗驗證控制棒驅(qū)動機構(gòu)吸合電流恢復(fù)正常,從而驗證了分裂轉(zhuǎn)子零件A端的變形導(dǎo)致轉(zhuǎn)子部件性能異常,進而直接導(dǎo)致該套控制棒驅(qū)動機構(gòu)水中冷態(tài)試驗時吸合電流數(shù)據(jù)異常。

5 結(jié)論

通過對XX1190批次控制棒驅(qū)動機構(gòu)吸合電流偏大故障的排查與分析,得出結(jié)論。

該批次控制棒驅(qū)動機構(gòu)水中冷態(tài)試驗中出現(xiàn)的吸合電流偏大故障,經(jīng)機構(gòu)部件互換性試驗驗證,是由轉(zhuǎn)子部件性能異常引起的。

通過零部件互換性試驗后的水中冷態(tài)試驗數(shù)據(jù)對比,驗證了分裂轉(zhuǎn)子零件A端的變形是導(dǎo)致控制棒驅(qū)動機構(gòu)轉(zhuǎn)子部件性能異常的直接因素。

零部件生產(chǎn)工藝固化后,在標準化要求、加工精度都較高的情況下,零部件互換性試驗是鎖定該型核反應(yīng)堆控制棒驅(qū)動機構(gòu)性能異常故障的一種非常有效的故障排查模式,而這種故障排查模式可有效作為后續(xù)該型控制棒驅(qū)動機構(gòu)生產(chǎn)、試驗及實際使用維修保障等工作的借鑒。