數字棒位顯示系統探測器缺陷分析及改進

凌奇，楊海波

(國核工程有限公司，上海　200093)

數字棒位顯示系統探測器缺陷分析及改進

凌奇，楊海波

(國核工程有限公司，上海200093)

針對AP1000依托項目棒位指示系統探測器所發現的問題進行分析，并通過后續改進制造工序，運用相關標準對關鍵工藝進行質量控制和驗收。結果表明:經過工藝改進和標準使用控制，可以消除缺陷，并在后續制造過程中防止重復發生，取得良好效果;同時，也為該類設備在后續制造和質量管理提供經驗反饋和良好借鑒。

AP1000;DRPI探測器;焊接缺陷;工藝控制;焊接驗收標準

AP1000核電廠中數字棒位顯示(DRPI)系統是電廠控制系統的一個重要組成部分。DRPI系統探測控制棒的實際位置，以監視棒控系統的運行，對整個反應堆的穩定運行具有十分重要的作用。準確并可靠的控制棒位置探測和指示是電廠安全運行的重要保證。DRPI實現了準確可靠的棒位顯示功能。

在對探測器工廠測試和現場開箱檢查中，發現其存在不同程度的焊點銹蝕，進而導致功能失效的情況。筆者對探測器失效的原因進行分析，介紹制造工藝改進措施，并提出相應質量控制方法。

1　DRPI探測器介紹

AP1000 DRPI系統為非核安全級，系統結構見圖1。DRPI系統主要包括以下設備:棒位探測器組件，數據機柜A、B，邏輯機柜，落棒測試機柜。探測器通過電纜與數據柜相連，均位于安全殼內;系統其余設備位于殼外。DRPI作為電廠控制系統(PLS)的子系統之一，與Ovation控制柜相連。

棒位探測器組件共69套，每套探測器組件通過48個探測線圈探測一束控制棒的位置，分為A、B兩組，每組都是24個探測線圈，交替安置在探測器套管上。相鄰的A、B線圈之間間距為約9.525 cm，6步。AP1000的控制棒移動范圍是0～267步。探測器AP1000物項代碼為JS40，根據AP1000等級為D級，抗震II類設備。原理為當驅動桿縱向移動通過線圈時，每個線圈的電感發生變化。具體為若線圈有驅動桿通過，則線圈阻抗變大;當相鄰的兩個線圈1個有驅動桿通過，1個沒有驅動桿通過時，則分別與這兩個線圈相連的終端電阻的分壓就產生了電壓差，此電壓差經過一個差動放大器放大，產生一個反應驅動桿相對位置的信號。

2　質量缺陷及原因分析

2.1質量缺陷

首批設備運抵現場后，在開箱檢查時發現所有導線焊點均存在不同程度的銅綠腐蝕。在現場電氣測試中發現部分探測器存在低導通問題，同時在制造工廠檢查過程中發現后續在建的多個探測器也存在上述問題，部分焊點甚至出現斷裂現象。

2.2原因分析

焊點銅綠原因分析:由于焊接過程中使用銅基焊條作為焊材，因此在焊后焊點暴露在普通條件下產生的表面輕微氧化，供貨方認為屬正常現象。對于部分焊點的嚴重銹蝕現象，主要由于焊后沒有將焊點周圍遺留的釬焊劑完全清除。此處使用的焊接方法為氧乙炔氣焊，焊接過程需要使用釬劑。釬劑的作用是去除母材和釬料表面的氧化物和油污雜質，保護釬料和母材接觸面不被氧化，增加釬料的潤濕性和毛細流動性，降低焊料熔點和表面張力，盡快達到釬焊溫度。但需注意的是，硬釬焊釬劑通常由堿金屬和重金屬的氯化物和氟化物，或硼砂、硼酸、氟硼酸鹽等組成，可制成粉狀、糊狀和液狀，具有腐蝕性。另外，缺乏適當的包裝保護措施以及在海運過程中高濕度高鹽度的環境，也進一步加劇了焊點的銹蝕。

低導通原因分析:電氣性能低導通是由于部分焊點掉線沒有充分連接，從而導致焊點虛焊而產生的。造成虛焊現象主要有兩個原因:焊接過程操作不當，溫度過熱或欠熱;焊前對母材和焊材的清潔不夠全面，導致焊點存在雜質，降低了焊接的強度和材料的導通性。

3　標準應用

3.1背景及標準介紹

在DRPI探頭的初版驗收規程中，僅對設備的測試性能，即輸出的棒位信號是否正確進行規定;而對設備本體的外觀，尤其是導線連接焊點的質量并未進行規定，并缺乏可操作執行的技術標準，從而為后續焊接問題埋下隱患。

IPC/WHMA-A-620《線纜、線束裝配的技術條件及驗收要求》作為驗收依據。作為該領域的主要標準，收集了關于線纜、導線及線束組件的電子和機械質量可接受性要求。內容主要涵蓋焊接端子、壓接端子、絕緣皮穿刺連接、超聲熔接、銜接、連接器連接、壓模/注模、線纜組件與導線的測量、標記/標簽、同軸及雙軸線纜組件、緊固、線束/線纜電氣屏蔽、線纜/線束防護層、成品組件安裝、無焊繞接、測試等方面內容。

值得注意的是，上述標準通常適用于電子產品、通信設備等需要批量制造的領域。基于該標準對焊接端子的驗收規范進行了明確要求，所以同樣適用于DRPI探頭焊接工藝的控制。這一標準的創新引入在AP1000項目中尚屬首次，在核電領域也是鮮見的。

3.2焊接驗收規范

在升版后的工藝要求中規定，DRPI探頭適用于IPC/WHMA-A-620中的2類設備。根據IPC/WHMA-A-620 A版定義的2類設備要求，即專用服務類電子產品包括那些需要持續運行和較長使用壽命的產品，最好能保持不間斷工作但要求不嚴格。一般情況下不會因為使用環境而導致故障。焊點驗收準則適用于其4.9章節，具體要求見表1［1］，缺陷及制程警示描述見表2。

4　改進工藝實踐

4.1焊前清潔準備

首先使用普通的去油污劑對母線進行擦拭，然后使用砂紙對其進行打磨清理，最后使用棉絨蘸取異丙醇進行擦拭;對線圈導線進行漆面打磨拋光，然后對拋光部分使用棉絨蘸取異丙醇進行擦拭;對焊條進行檢驗，確保表面無污物，最后使用異丙醇進行清潔;將要焊接的線圈導線繞成一個圓環，緊緊纏繞在母線上;對所有焊接點上涂上釬焊劑;最后在所有焊接點周圍涂上散熱油灰，對其他部件進行保護。

4.2焊接

使用焊槍對焊點周圍進行均勻預熱，確保母線和線圈導線同時達到焊接溫度。根據焊劑的形狀變化判斷焊接問題(見表3)。

焊接過程中，應確保防止材料過熱，否則將導致釬劑飽和氧化，變綠或者變黑;并防止填充焊材過量。

4.3清潔

焊后應立即對所有焊點進行清潔，去除殘余焊劑。使用71℃左右的除鹽水進行全面涂刷清潔;同時應做好設備防護工作，注意防止水滴濺。

4.4焊后檢查

按照IPC620 4.9節的要求，對所有焊點檢查進行目視檢查。

焊點的焊接工藝應滿足以下要求:焊料填充至少達到引線/導線與接線柱界面的75%;焊料(在導線上的爬升)高度大于線徑的50%;焊料內導線與引線可識別。

當焊點出現焊接連接內導線/引線的輪廓不可辨識;有吹孔、針孔或空洞等，只要焊接連接滿足最低要求;焊料(在導線上的爬升)高度大于線徑的25%，但小于線徑的50%;根據工藝規程，質量要求仍然可接受。

當焊點出現潤濕不良，導線或接線柱有欠潤濕跡象，導線或接線柱退潤濕，焊料(在導線上的爬升)高度小于線徑的25%，應對焊點打磨后進行返工并重新檢查。

完成檢查后，檢查記錄及返修記錄作為制造過程文件將加入最終完工數據包。

每個探測器將對應一份焊點檢查記錄單，放入設備質量數據包。

4.5包裝

對后續制造的探測器按照NQA-1 B級要求進行包裝［2］。防潮措施為:對探測器使用密封袋進行包裝，在密封前抽去袋內多余氣體，放入干燥劑并加裝濕度指示器，避免環境(尤其是海運環境)的干擾。

5　后續管理的思考

5.1設備等級探討

在升版后的焊點質量控制規程中，引入IPC/ WHMA-A-620標準進行驗收。根據這一標準，對產品分為三個等級:

(1)等級1——一般電子產品，產品在完成組裝后的主要功能就是應用。

(2)等級2——專用電子產品，產品要求在超出生命周期可以繼續使用，并且能夠無事故運行，特點是最終用戶的環境下不會導致產品被損壞。

(3)等級3——高科技電子產品，對產品的使用是極其嚴格的，不允許有設備停機，最終用戶的環境是極其不尋常的，設備的功能也要達到要求，如它的生命周期要求和其他的特殊要求。

根據升版工藝規程，設計方將DRPI探測器定義為2級。根據這一定義，焊接過程中出現的制程警示經過評估是可以原樣照用的。制程警示是指一些不符合要求的特征，不影響產品的形狀、安裝和功能。由材料、設計、操作或設備等原因引起應作為過程控制系統的監控對象;單一原因的過程警示項目不需要處置;受影響的產品可“照樣使用”;過程控制方法常常被應用于制造工藝的計劃、實施及評估中制造商需要保留現行工藝控制和持續改進計劃的客觀證據以供審查。

DRPI系統作為電廠控制系統的重要組成部分，如果發生故障，將直接導致棒控系統的運行狀況無法監控，導致反應堆停堆。因此，對探測器設備等級的定義還是值得商榷的。在后續項目的執行中，DRPI探測器應根據標準定義為3級，在制造過程中對出現的制程警示應進行返工，進一步杜絕一切潛在的質量問題和故障因素。

5.2設備質量管理

雖然該制造廠長期為美國其他在役電站制造類似設計的探測器備件，但訂單較少，因此一旦接受大訂單(4臺機組共計280件)，導致產能嚴重不足，暴露的潛在問題，如工藝控制不當和缺乏熟練合格工人等。另外，一級供方對制造廠評審雖然符合程序要求，但缺乏全面深入的評價，高估了其生產制造能力，為后續制造埋下隱患。

在后續項目質量管理中，采購方可以提前開展一次主動型監造，則后續的質量問題是可以避免的。

主動型監造是西屋電氣公司對供應商的檢查活動的一種形式，一般在設備開工制造前進行。S-M-A-R-T主要內容為:

(1)Specific——對計劃檢查的質保體系范圍或實際生產制造條件范圍必須是特定明確的。

(2)Measurable——對于預期的驗證結果必須是明確可以描述的(如可以被清楚地觀察到或者實際結果是顯而易見的)。

(3)Achievable——對于需要整改的問題，制造方必須是有能力實現的。

(4)Relevant——整改的具體行動必須是與目標相關聯的。

(5)Timely——完成整改的期限日期是合理的。

在檢查中通過使用以S-M-A-R-T導則編制的檢查清單，對供應商的質保大綱及制造的產品(質量歷史)進行預防性驗證，確保在未來生產過程中的一致性。主動型監造通過預防潛在質保問題，可在一定程度上幫助提升供應商的質保管理。在活動中，采購方也可以對未來制造過程中涉及的有關質保要求向供應商提供積極的反饋和培訓，以此促進質保體系的改進和核安全文化的建立。

6　結語

本文通過對DRPI探測器制造工藝改進以及驗收標準的介紹，對其問題原因及質量控制方法進行了相應分析，并通過后續運用實踐，驗證了該質量控制措施。此外，對質量監造方法以及設備的設計驗收標準提出了有益的思考和建議，可為設備日后維修保養以及后續項目提供參考借鑒。

［1］國際電子工業聯接協會.IPC/WHMA-A-620A-2006線纜及線束組件的要求與驗收［S］.［出版地不詳］:［出版者不詳］，2006.

［2］上海發電設備成套設計研究院，上海核工程研究院.核設施質量保證要求NQA-1-2004［M］.上海:上海科學技術文獻出版社，2007.

Defect Analysis and Improvement of a DRPI Detector

Ling Qi，Yang Haibo
(State Nuclear Power Engineering Company，Shanghai 200093，China)

By analyzing the problems found in the digital rod position indication(DRPI)detector of an AP1000 self-reliance supporting project，corresponding improvement measures were proposed to the manufacturing procedure of DRPI detector，while quality control and acceptance inspection were conducted on related key processes using relevant standards.Results show that above defects can be eliminated without reoccurrence through improvement on manufacturing procedure and application of relevant standards，which may serve as a reference for subsequent manufacturing and quality control of similar facilities.

AP1000;DRPI detector;welding defect;process control;welding inspection procedure

TM623.8

A

1671-086X(2016)01-0046-04

2015-07-08

凌奇(1988—)，男，助理工程師，主要從事核電廠儀控質量監造工作。

E-mail:lingqi@snpec.com.cn