控制棒驅動機構臨界釋放電流偏小對控制棒驅動機構功能可靠性的影響分析

劉 明

（中核遼寧核電有限公司設計管理處，遼寧 葫蘆島125000）

0 概述

控制棒驅動機構是核電站反應堆控制系統和安全保護系統的一種伺服機構，由驅動桿部件、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]。安裝于安全殼內的壓力容器頂蓋上，是一種在豎直方向步進運動的磁力提升機構。控制棒驅動機構的具體功能是用于提升、下降、保持或快插控制棒，以完成反應堆啟動、反應堆功率調節、功率維持、反應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），它是核反應堆的重要動作部件，也是直接影響核反應堆正常運行和安全可靠的關鍵設備之一。

控制棒驅動機構的出廠驗收試驗中包含整機冷態試驗、熱態試驗、熱態試驗后冷態試驗，每項試驗均需測量銜鐵動作電流。對于移動銜鐵的動作電流主要控制：移動磁極吸合電流、移動磁極打開電流、移動銜鐵吸合電流和移動銜鐵釋放臨界電流。

其中移動銜鐵釋放臨界電流：驅動桿掛在移動鉤爪上且在提升狀態，提升線圈15A，逐漸減少移動線圈電流，記錄移動銜鐵打開落棒時的電流，該值應該大于0.7A。

由國內某制造廠首次承制的控制棒驅動機構在出廠驗收試驗時，出現了編號為1#的控制棒驅動機構熱態試驗后冷態試驗移動銜鐵釋放臨界電流偏小的問題，實際測量值最低的為0.45A，標準要求值為≥0.70A。

1 原因排查

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

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

影響移動銜鐵釋放臨界電流的主要因素分析如下：

1)電磁吸力Fm與移動銜鐵釋放臨界電流、串磁直接相關；

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

3）彈簧影響移動銜鐵釋放電流，即增大Fs，移動銜鐵釋放臨界電流將增大；

4）靜摩擦力f越大，移動銜鐵釋放臨界電流也就越小；

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

目前，工程上尚無銜鐵動作臨界電流計算的成熟方法。在工程實踐中，一般均借助于試驗對該參數進行測試，對于臨界電流超差排查也采用試驗方法進行。

1.1 電磁吸力

電磁吸力主要與磁極材料、不導磁片材料、線圈等有關；該控制棒驅動機構的提升磁極、移動磁極及移動銜鐵用的材料為馬氏體不銹鋼，移動磁極原材料與國外設計公司技轉資料相比，在磁性能方面無明顯差異，對移動銜鐵釋放臨界電流基本無影響。

不導磁片為國外進口，由控制棒驅動機構的國外某制造廠（在控制棒驅動機構制造方面有著良好業績，為世界多個核電廠控制棒驅動機構的供貨商，產品質量從未出現過問題）按照規定的材料采購技術條件提供。

除此之外，進行了線圈部件、導磁環等對比試驗，試驗結果表明均對移動銜鐵釋放臨界電流無明顯差別。

1．2 不導磁片裝配方向、彎曲度試驗

為了確認不導磁片的安裝方向，設計方和制造廠用2套鉤爪部件進行了不導磁片安裝方向的對比試驗。試驗結果表明不導磁片的正/反裝對移動銜鐵釋放臨界電流沒有明顯影響。

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

經過上述針對不導磁片安裝方向、彎曲度的驗證試驗，表明不導磁片對移動銜鐵釋放臨界電流影響不明顯。

1．3 彈簧影響

為排查控制棒驅動機構鉤爪部件移動彈簧對移動銜鐵釋放臨界電流的影響，首先核查了所有移動彈簧的完工報告，核查結果滿足采購要求，然后通過更換移動彈簧的試驗進行驗證。

試驗結果表明：更換移動彈簧對移動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；為了排查控制棒驅動機構鉤爪部件運動副尺寸偏差對移動銜鐵釋放臨界電流是否有影響，對移動銜鐵、緩沖軸等關鍵零件進行了尺寸復測，復測結果滿足設計要求，核查其余零件的完工報告，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致移動銜鐵釋放臨界電流超差的可能性。對控制棒驅動機構的鉤爪部件進行了靈活性檢查和目視檢查。鉤爪部件在拆卸前，使用專用工裝對銷軸擴孔邊進行了檢查，卷邊狀況符合要求，鉤爪移動部位靈活性正常，鎖緊帽、鎖緊螺釘防松無異常。

1．5 委托JSPM制造廠進行排查試驗

委托JSPM制造廠對2套控制棒驅動機構進行重新裝配后分別進行冷態—熱態—熱態后冷態試驗，2 套機構的熱態后冷態試驗移動銜鐵釋放臨界電流實際測量值分別為0.65～0.74A，0.66～0.73A， 與國內制造廠的試驗結果相比略有提高。

國外制造廠認為造成移動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：

（1）不導磁片的彎曲度及安裝方向；

（2）電控柜的標定和操作程序；

（3）機構的清潔度；

（4）零件尺寸及鍍鉻；

（5）機構的裝配。

從國內外制造廠的排查結果可以得出控制棒驅動機構熱態后冷態試驗移動銜鐵釋放臨界電流偏小可能是是多個因素綜合造成，而非單一因素引起的。

2 可靠性驗證

為了驗證熱態后冷態試驗移動銜鐵釋放臨界電流超差對驅動機構性能的影響，驗證控制棒驅動機構熱態后冷態試驗移動銜鐵釋放臨界電流超差不會影響其在反應堆上的正常運行，選取一臺控制棒驅動機構，在模擬反應堆正常運行工況的溫度、壓力、水質等環境條件下，進行性能試驗。

性能試驗在模擬反應堆正常運行工況的溫度、壓力和水質等環境條件下進行，重點考核與移動銜鐵釋放臨界電流有關的鉤爪部件在性能試驗期間的綜合性能。試驗進行累積不低于1700000步的性能試驗，驅動機構釋棒的安全功能通過測量機電延遲時間來實現。試驗回路中的水的水質應滿足B級水質規定。

試驗回路應能提供CRDM冷熱態試驗所需的運行條件。

（1）熱態試驗壓力：p=15.5MPa±0.6MPa （絕對壓力）；

（2）熱態試驗溫度：t=286℃ ± 10℃；

（3）冷態試驗壓力：大氣壓（耐壓殼不焊接時）；

（4）冷態試驗溫度： t＜100℃。

試驗本體應模擬控制棒驅動機構在反應堆中的運行狀態，模擬控制棒組件與控制棒驅動機構的連接形式與實際產品應一致。機構提升載荷（驅動桿+模擬控制棒組件）：163kg±5kg（在空氣中）。

試驗過程中測量鉤爪部件的步長、載荷傳遞間隙、銜鐵動作臨界電流、機電延遲時間。

本次試驗，累計完成1702626步步躍動作。在整個性能試驗期間，機構運行平穩、無異常噪聲，能順利完成提升、下插及保持在指定高度等動作，沒有出現因機構本身原因引起的失步、打滑、提不起或卡棒等異常現象。在熱態試驗期間，按照試驗規程要求，每200個全行程測量1次銜鐵動作臨界電流和機電延遲時間。移動銜鐵釋放臨界電流值在機構運行600個全行程后達到平穩狀態，保持在1.2A～1.32A范圍內。機電延遲時間最長為124ms，滿足設計要求（≤150ms）。在熱態試驗期間，每100個全行程記錄提升和下插的電流、聲音-時間曲線，所有波形及數據均滿足設計要求。24#鉤爪部件在170萬步熱態試驗前后的冷態試驗中，移動銜鐵釋放臨界電流數據無明顯變化（性能試驗前為0.70A/0.68A，性能試驗后為0.67A/0.74A）。說明在經歷熱態試驗（100個全行程）后，機構性能已經達到穩定，移動銜鐵釋放臨界電流不會持續降低，對驅動機構的運行波形、機電延遲時間等性能參數也無不利影響。該控制棒驅動機構性能試驗結果完全滿足控制棒驅動機構性能試驗方案驗收準則[3]。

3 結論

基于上述分析，以及170萬步的性能試驗結果表明控制棒驅動機構出現的熱態后冷態試驗移動銜鐵釋放臨界電流超差問題不會影響其在反應堆上的正常運行；對該電流超差分析表明不會影響CRDM執行其安全停堆功能。

［1］某核電廠．控制棒驅動機構設備規格書[Z].上海,2009，01．

［2］某核電廠．控制棒驅動機構鉤爪部件組裝說明書[Z].深圳,2008，12．

［3］控制棒驅動機構鉤性能試驗方案[R].深圳,2012，08．