控制棒驅動機構出廠性能試驗研究

□于耀華 □李翔 □吳偉建

1.上海第一機床廠有限公司上海201308

2.清華大學機械工程學院北京100084

控制棒驅動機構出廠性能試驗研究

□于耀華1,2□李翔1□吳偉建1

1.上海第一機床廠有限公司上海201308

2.清華大學機械工程學院北京100084

控制棒驅動機構是執行反應堆功率調節、緊急停堆的重要安全設備，其能否正常運行直接關系到核反應堆的安全性。對控制棒驅動機構出廠性能試驗進行了研究，試驗時機構性能良好，運行正常，落棒時間滿足設計要求。試驗結果表明，控制棒驅動機構的制造符合設計指標。

1 研究背景

控制棒驅動機構是民用核電站控制反應堆安全啟動、調節反應堆功率和停止反應堆運行的關鍵設備，通常采用磁力提升直線步躍式驅動機構[1-2]，工作原理是通過三組電磁線圈按給定的時序通電、斷電，從而帶動鉤爪組件對應的磁極和銜鐵作機械運動，并帶動驅動桿組件上下運行或保持靜止狀態。

由于控制棒驅動機構在核電站核安全方面作用重要，因此學者們已開展了大量研究。劉森、沈小要、李維、劉鵬亮等人[3-6]分別從電流響應、鉤爪組件動作時間影響因素、分段非線性動態及步進運動等方面借助理論模型和仿真計算對控制棒驅動機構性能及工作特性進行分析，楊平漢、周詩光、昌正科等人[7-9]則通過潛在失效模式和影響分析工具對控制棒驅動機構零部件潛在故障模式進行分析，但均缺少必要的實物驗證。

筆者借助上海第一機床廠有限公司承制的某壓水堆用控制棒驅動機構實物，在專用試驗臺架上測試機構整體在冷態運行工況下的電流、位置探測精度、步躍尺寸、釋棒落棒時間，以及在熱態運行工況下的步躍尺寸、釋棒落棒時間、工作線圈溫度等參數，并對相關數據進行分析，從而驗證機構能否滿足設計要求。

2 試驗裝置

2.1 試驗臺架

為了更好地模擬控制棒驅動機構在反應堆上的運行環境（溫度305～315℃、壓力15～16 MPa）和拖動負荷（600～1 800 N，可調），配置了專用試驗臺架，基于該專用臺架進行相關試驗研究能夠較好地展現驅動機構的整體性能。

控制棒驅動機構專用試驗臺架及實物如圖1所示，主要由回路系統、測控系統等組成。回路系統由試驗本體、加熱器、循環泵、穩壓器、管道及管道附件連接組成。回路內介質（去離子水）經電加熱元件加熱后，由循環泵驅動構成循環，使試驗本體升溫、加熱和保持所需的溫度。回路壓力由穩壓器采用氣水穩壓，即穩壓器通過回路壓力信號與電熱元件聯鎖，根據設定的壓力定值自動調控電加熱功率，從而穩定由于回路水溫變化而引起的壓力波動。測控系統主要對試驗本體溫度和壓力、穩壓器溫度和壓力、電加熱元件功率、循環泵冷卻水溫度等重要參數進行測量控制與顯示。

圖1 控制棒驅動機構專用試驗臺架及實物

臺架還為磁軛線圈部件設計、添置了通風系統，一方面可以更好地模擬反應堆堆倉環境，另一方面為線圈部件提供降溫措施，以保證電性能不受溫度的影響。此外，針對高溫高壓的回路系統環境，為確保回路系統和試驗人員、設備的安全，安裝彈簧式自動開啟安全閥用于回路超壓保護。

2.2 試驗用水

基于輕水的可用性、低成本及可兼做慢化劑的特點[10]，目前大多數商用核動力反應堆普遍使用輕水作為冷卻劑。輕水由于其特有的化學物理特性，會在反應堆使用期間對重要設備產生腐蝕、雜質溶解和輻射分解等問題，給反應堆運行帶來不利影響。基于此，壓水堆核電廠要求使用的輕水應具有極高的純度。

為更好地模擬控制棒驅動機構所處環境，并盡量避免輕水對設備帶來的腐蝕風險，控制棒驅動機構出廠性能試驗過程中清洗用的輕水和試驗用的輕水也應借鑒核電廠的通用做法——采用機械過濾法和離子交換技術制取。試驗過程中使用的輕水水質標準及實測數據見表1。

表1 輕水水質標準及實測數據

3 冷態運行工況考核

3.1 步躍運行電流確定

磁力提升直線步躍式驅動機構是一種典型的在豎直方向上作步進動作的提升器，其步進動作的過程是電路、磁路、機械運動相互耦合的動態過程。

為了保證控制棒驅動機構后續步躍試驗順利進行，盡量避免控制棒驅動機構在步躍操作中出現滑棒、提不起等異常現象，步躍試驗前需進行單對磁極與銜鐵的吸合釋放電流實測試驗，實測單保、單傳、單提的最小吸合釋放電流值，即機構單對磁極與銜鐵能夠實現吸合與釋放時極限電流值，數據見表2。

根據上述極限電流測量值，經與設計方共同分析，以及若干組運行電流值探索性試驗后，確定了機構步躍運行考核試驗時的運行電流參數，見表3。

表2 冷態工況下驅動機構單保、單傳、單提最小吸合釋放電流A

表3 冷態工況下驅動機構步躍運行考核試驗時運行電流參數A

3.2 位置探測器精度測試

為了驗證后續機構步躍試驗中控制棒驅動機構全程運行性能正確與否，機構步躍試驗前應進行位置探測器精度測試。

在0～280步行程內以每分鐘58～62步的運行步速正常上下往返運行三次，記錄給定棒位處于7、35、70、105、140、175、210、245、280步時的實測棒位值，實測值與給定棒位值的誤差如圖2所示。

由圖2數據對比可以發現，隨著測量次序的逐步增加，實測棒位值與給定棒位值之間的誤差有降低的趨勢，實測棒位和給定棒位的吻合度較好，實測棒位與給定棒位的最大差值為6步，出現在實測值3下第二次測量時。位置探測器精度滿足設計規定的二者不大于8步的要求。

圖2 冷態工況下驅動機構位置探測器精度測試對比結果

3.3 步躍試驗

在連續步躍試驗中，驅動機構根據控制柜給定的步躍運行電流及時序，以每分鐘58～62步的運行步速作全程上下運行，上行至50～55步時的試驗電流時間曲線及聲響信號如圖3所示。

圖3 冷態工況下驅動機構步躍試驗電流時間曲線及聲響信號

當控制棒提升時，保持線圈通電，移動鉤爪與驅動桿上的環槽嚙合，然后傳遞線圈斷電，固定鉤爪與驅動桿上的環槽脫開，驅動桿的載荷轉移至移動鉤爪上，此時提升線圈通電，移動鉤爪受到電磁鐵的吸引，帶動驅動桿提升一步。下插的時序與提升相反。兩組鉤爪按上述時序循環動作，從而帶動驅動桿做連續提升及下插運動。通過分析線圈電流變化與鉤爪動作發出的振動信號，可以判斷鉤爪動作是否正常。由圖3波形可以看出，步躍運行期間動作聲響清晰可辨，無失步、滑步現象；電流曲線中磁極和銜鐵閉合吸口，以及對應的動作聲響信號清晰可辨，所測試產品運行記錄有良好的重復性。

3.4 釋棒、落棒試驗

在反應堆事故工況下，為了滿足故障安全原則，控制棒驅動機構磁軛部件斷電后，控制棒應能依靠自重在規定時間內插入堆芯，實現反應堆熱停堆，因此，對控制棒驅動機構的斷電落棒特性進行試驗驗證十分必要，以驗證落棒的可靠性、有效性和控制棒驅動機構本身固有的安全特性。

斷電落棒特性主要考核機電延遲時間和落棒總時間，機電延遲時間指控制棒驅動機構磁軛部件斷電與機械部件動作之間的時間差，一般根據振動波形測量。落棒總時間指控制棒驅動機構磁軛部件斷電后至控制棒插入堆芯底部所需的時間，可通過測量棒位探測器初級線圈的感應電壓信號和機械部件動作的振動信號獲得。兩個信號互為印證，確保測量的準確性。

冷態工況下對控制棒驅動機構做全高度（280步）落棒三次，記錄機電延遲時間和落棒總時間，如圖4所示。其中第三次記錄的電流時間曲線和振動信號如圖5所示。

圖4 驅動機構全高度落棒試驗機電延遲時間和落棒總時間

圖5 冷態工況下驅動機構第三次全高度落棒試驗電流時間曲線和振動信號圖

由圖4可以看出，在進行控制棒驅動機構冷態工況下全高度落棒試驗時，機電延遲時間和落棒總時間穩定性較好，說明機構制造情況良好。其中機電延遲時間基本穩定在105 ms左右，說明鉤爪動作靈活，在控制棒驅動機構磁軛部件斷電后可以迅速打開，也滿足設計規定≤150 ms的要求。落棒總時間基本維持在1 460 ms左右，說明機構落棒順暢、穩定，滿足設計規定≤2 000 ms的要求。由圖5可以發現，棒位變化連續平穩，落棒過程中的速度基本呈線性關系，也從側面印證了機構全高度落棒的順暢、穩定。進行落棒總時間測量時，棒位信號和振動信號吻合度好，進一步證明了機構運行的穩定性。

4 熱態運行工況考核

熱態運行性能試驗基本與冷態運行性能試驗類似，區別在于機構所處工況不同：冷態工況下，試驗本體及回路為常溫常壓；熱態工況下，試驗本體及回路的溫度和壓力分別為297℃、15.55 MPa。

考慮到控制棒驅動機構在反應堆中實際使用工況為高溫高壓環境，因此，針對控制棒驅動機構的熱態運行工況考核更能反映控制棒驅動機構的實際制造水平和使用性能。同時，為了方便對比冷熱態工況下相同試驗的結果，熱態運行工況試驗時所用控制棒驅動機構產品與冷態運行工況相同。

在進行位置探測器精度測試前，為更好地保證控制棒驅動機構后續步躍試驗的順利進行，實測熱態工況下單保、單傳、單提最小吸合釋放電流值后，與設計方共同分析，并經過若干組運行電流值的探索性試驗，確定了機構熱態工況下步躍運行試驗時的運行電流參數，如表4所示。

表4 熱態工況下驅動機構步躍運行考核試驗時運行電流參數A

對比表3可以發現，熱態工況下確定的步躍運行考核試驗運行電流中，保持線圈最大運行電流和傳遞線圈運行電流由7 A提升至7.5 A，這主要與熱態工況下鉤爪部件配合間隙的變化、磁性材料的磁性能變化及回路中介質的浮力變化有關。

4.1 位置探測器精度測試

與冷態工況下的位置探測器精度測試相同，在280步行程內，以每分鐘58～62步的運行步速正常上下往返運行兩次，記錄給定棒位處于7、35、70、105、140、175、210、245、280步時的實測棒位值，實測值與給定棒位值的誤差如圖6所示。

圖6 熱態工況下位置探測器精度測試對比

根據圖6中的數據對比，結合圖2可以發現，冷熱態工況下位置探測器精度測試結果基本無差異，均能滿足設計規定的不大于8步的要求。實測棒位與給定棒位數據的最大差值集中出現在機構向下運行時的低位，主要是由于機構上下運行時的累積誤差所致。

4.2 步躍試驗

以每分鐘58～62步的運行步速使機構進行全程上下運行，上行至50～55步時的電流時間曲線與聲響信號如圖7所示。

圖7 熱態工況下驅動機構步躍試驗電流時間曲線及聲響信號

由圖7可見，步躍運行期間，機構動作信號清晰可辨，無失步、滑步現象；電流曲線中磁極和銜鐵閉合吸口，以及對應的6個動作聲響信號清晰可辨，所測試產品運行記錄有良好的重復性。

4.3 釋棒、落棒試驗

熱態工況下驅動機構的釋棒、落棒試驗過程和測量方法與冷態工況類似，對控制棒驅動機構做全高度（280步）落棒6次，記錄機電延遲時間和落棒總時間，相應曲線已在圖4中給出，其中第三次記錄的電流時間曲線與振動信號如圖8所示。

在進行控制棒驅動機構冷態工況下全高度落棒試驗時，機電延遲時間和落棒總時間穩定性較好。機電延遲時間基本穩定在75 ms左右，說明鉤爪動作靈活，在控制棒驅動機構磁軛部件斷電后可以迅速打開，也滿足設計規定≤150 ms的要求。落棒總時間基本維持在1 605 ms左右，說明機構落棒順暢、穩定，滿足設計規定≤2 000 ms的要求。

對比冷熱態工況下機電延遲時間和落棒總時間，可以發現熱態工況下機電延遲反應更為靈敏，但落棒總時間偏長。分析認為，冷態工況下機構的運行使機構運動部件的磨合趨于良好，鉤爪動作更靈活，但隨著溫度的升高，試驗臺架模擬配重與導向裝置的配合間隙相對變小，導致機構落棒過程中的摩擦力變大，客觀上導致了落棒總時間的延長。圖5和圖8中的振動信號波峰數量及峰值變化也印證了上述分析。

5 試驗后檢查

在機構完成水中冷態、熱態運行工況考核后，對機構各部件進行了檢查。

（1）鉤爪部件三對磁極銜鐵間隙正常，銜鐵動作靈活，各緊固件之間沒有松動，鉤爪磨損情況均勻。

圖8 熱態工況下驅動機構第三次全高度落棒試驗電流時間曲線和振動信號

（2）驅動桿部件沒有出現緊固件松動現象，環槽磨損正常、均勻。

（3）機構頂部無泄漏現象。

（4）工作線圈和棒位探測器線圈的絕緣電阻值均大于100 MΩ。

6 結論

控制棒驅動機構出廠試驗與分析基于驅動機構產品實物和模擬熱工水力條件下進行。控制棒驅動機構位置探測器精度較好，步躍動作靈活，機電延遲時間和落棒總時間未出現變長或超差現象，指標均滿足設計要求，為后續控制棒驅動機構的堆內運行提供了重要的參考。試驗后運動部件的磨損在設計許可范圍之內，產品可以順利交付采購方使用。

[1]周潔.核反應堆控制棒驅動機構的結構及制造[J].裝備機械，2010（4）：32-35.

[2]楊平漢.壓水堆控制棒驅動機構結構設計與制造[J].裝備機械，2010（2）：20-26.

[3]劉森，李躍忠，趙毛毛，等.控制棒驅動機構電流響應特性分析[J].核動力工程，2014,35（5）:36-38，52.

[4]沈小要.控制棒驅動機構動態提升特性研究[J].核動力工程，2012,33（1）:51-55.

[5]李維，楊博，張智峰，等.控制棒驅動機構動鉤爪組件動作時間影響因素分析[J].科技視界，2016（8）:104-106.

[6]劉鵬亮，周建明，呂永紅.控制棒驅動機構步進運動特性研究[J].核動力工程，2014,35（2）:127-130.

[7]楊平漢.壓水堆控制棒驅動機構失效模式和影響分析[J].上海電氣技術，2014，7（2）:52-57，62.

[8]周詩光.秦山一期CRDM關鍵部件失效機理及可靠性分析[D].上海:上海交通大學，2008.

[9]昌正科，董治國，常樂莉.壓水堆核電站CRDM故障診斷研究與實踐[J].儀器儀表用戶，2013,20（4）：13-18.

[10]史麗生，王百榮.核反應堆冷卻劑材料的選取分析[C].中國核學會2011年學術年會，貴陽，2011.

（編輯：啟德）

Control rod drive mechanismis used to perform nuclear control and is the important safety equipment for emergency shutdown,its failure-free operation is directly related to the safety of nuclear reactors. Through the ex-works performance test of the control rod drive mechanism,the control mechanism shows high performance with normal operation and the timing of rod drop could meet the design requirements.The test results showthat the control rod drive mechanismis manufactured in accordance with the design specifications.

控制棒；驅動機構；性能試驗

ControlRod；Drive Mechanism；Performance Test

TH123；TL362

B

1672-0555（2017）01-052-06

2016年7月

于耀華（1983—），男，碩士，工程師，主要從事控制棒驅動機構研發制造工作