核電站反應堆松脫件模擬撞擊技術研究

胡海，楊泰波，李翔，劉才學，崔璨，張楊

(中國核動力研究設計院，四川成都，610213)

核電站反應堆松脫件模擬撞擊技術研究

胡海，楊泰波，李翔，劉才學，崔璨，張楊

(中國核動力研究設計院，四川成都，610213)

核電站松脫件撞擊模擬系統可在反應堆系統管壁或器壁上制造出松脫件撞擊信號，用以在線調試和檢測電站松脫部件監測系統，保證核電站的正常運行。利用電容放電特性，產生高能量的脈沖電流；基于電磁效應原理，將脈沖電能轉換為機械動能，實現了核電站松脫件撞擊模擬技術；通過試驗驗證，利用該技術可產生0~100g的核電站松脫件模擬撞擊信號。

松脫件；模擬撞擊；脈沖電流

0 引言

核電站反應堆在長期連續運行條件下，因水流沖擊和流致振動的影響，可能會使某些零件產生松動甚至脫落，從而在一回路中形成松脫件。國內外核電站均發生過嚴重松脫件而導致停堆檢修的事件。因此，及時有效的監測松脫部件是核電站安全運行的重要保障。國內現役和在建的二代或二代加核電站均設置了松脫部件監測與診斷系統（LPMS）[1]，三代AP1000設置了數字式金屬撞擊監測系統（DMIMS-DX）。LPMS與DMIMS-DX要求定期對監測系統的軟硬件進行檢測，以保證系統的工作性能。

我國田灣核電站引進了俄羅斯的LPMS，應用電動脈沖錘模擬產生主系統功率運行下發生的松動件和脫落件信號，以測試LPMS的軟硬件。而目前國內的松脫部件監測與診斷系統采用手持沖擊器，只能在安裝調試和檢修期間工作人員進入核島現場在容器和管道上敲擊，產生模擬松脫件信號，以檢測LPMS的軟硬件，不能實現在核電站功率運行狀態下在線對松脫部件監測系統的軟硬件進行檢測。

本文基于電容放電特性[2]和電磁效應原理[3,4]，研究核電站松脫件模擬撞擊技術，依據該技術設計松脫件撞擊執行機構和控制系統。通過搭建核電站松脫件模擬撞擊技術試驗平臺對該技術進行驗證，試驗表明滿足核電站技術要求。

1 松脫件模擬撞擊技術研究

核電站一回路設備的松脫件與設備器壁或內部構件發生碰撞，會產生沿管壁或器壁傳播的“彎曲波”信號，通過管壁或器壁上設置的加速度傳感器獲取的典型碰撞信號如圖1所示，核電站所監測的碰撞信號最大加速度為100g（加速度傳感器距碰撞點0.91m）。為檢測核電站相應安全監測系統運行的可靠性，有效的模擬該碰撞信號是關鍵。

圖1 典型松脫件碰撞信號波形圖

由圖1可知，典型的撞擊信號具有幅度瞬時陡增并衰減特征，持續時間一般在數十毫秒內，本文基于電容的放電特性和電磁效應原理，可有效的模擬碰撞信號，原理見圖2所示。當儲能電容與電磁線圈接通后，電容閉合放電瞬間放電電流I極大，由畢奧—薩伐爾定理[3]可知，此時在線圈內產生強磁場B（式1），在強磁場作用下，動鐵芯因引力運動撞擊定鐵芯，產生模擬的撞擊信號，將定鐵芯與核電站的管壁或器壁接觸，可將模擬的撞擊信號傳遞出去，從而實現了核電站松脫件模擬撞擊技術。

式中：μ0為磁導率，I為線圈電流，n為線圈匝數，l為線圈長度。

2 松脫件模擬撞擊系統設計

基于松脫件模擬撞擊技術的研究，設計松脫部件模擬撞擊系統，包括撞擊執行機構和控制系統。控制系統可在線遠程控制，為撞擊執行機構輸送不同能量的脈沖電流，從而產生不同的模擬撞擊信號，實現核電站相關安全監測系統的性能檢測。

松脫部件撞擊系統原理如圖3所示，控制系統包括控制程序、總線技術、控制模塊和功率模塊。控制系統通過控制程序遠程設置執行機構的撞擊能量和撞擊位置，撞擊能量與功率模塊的電容儲能有關。控制程序通過總線技術實現與控制模塊的數據交換，功率模塊包括高壓電源與儲能電容，控制模塊對功率模塊中電容充電電壓進行直接控制，實現執行機構撞擊加速度為0~100g（加速度傳感器獲取的振動幅值為量化指標）范圍調節。

圖2 模擬碰撞技術原理圖

圖3 模擬撞擊系統原理圖

撞擊執行機構為模擬撞擊能量輸出裝置，機構將電容的脈沖電能轉化為機械撞擊能，其結構設計如圖4所示，控制系統的高能量脈沖電能與機構的電磁線圈接通，在線圈內部產生強磁場，定鐵芯和動鐵心為電磁純鐵材料（高磁導率），在強磁場作用下兩者產生吸引力，定鐵芯被法蘭盤、套筒組件和線圈骨架形成的空間限制，動鐵芯因吸力在線圈骨架內運動，撞擊定鐵芯，該機構通過捆扎固定在撞擊目標體上，撞擊能量通過錘頭傳遞到被撞物體上，從而模擬核電站松脫件在管壁或器壁的撞擊過程。

圖4 撞擊執行機構結構圖

3 試驗驗證

搭建模擬撞擊系統試驗平臺，對設計的松脫部件模擬撞擊系統性能進行驗證，對比核電站實際松脫件撞擊信號與模擬撞擊系統所產生信號。

試驗條件包括：撞擊執行機構樣機、管道模擬體、加速度計(B&K8324)、電荷轉換器（B&K2647B）、電纜、松脫部件監測系統（簡稱LPMS）樣機、220V交流電源。利用扎條將撞擊執行機構捆扎固定在管道模擬體上，撞擊執行機構與模擬體水平面成30°~45°，以確保執行機構在執行撞擊命令后，機構內部的動鐵芯能依靠重力自動回到原始位置，依據規范要求，測量撞擊振動的加速度傳感器距撞擊執行機構0.91m。

試驗時選取三個不同的電容充電電壓，分別為100V，200V和300V，進行若干次模擬撞擊試驗，利用LPMS獲得執行機構模擬撞擊體所產生的振動信號和加速度幅值。圖5為電容電壓為200V時，由LPMS所采集的撞擊信號，表1為若干次試驗后不同充電電壓所產生的撞擊振動加速度平均值。

圖5 模擬撞擊信號（電壓200V）波形圖

表1 電容充電電壓與撞擊加速度關系試驗值

圖5和圖1對比可知，由松脫件模擬撞擊系統所產生的信號與核電站松脫件撞擊的信號波形具有高度的相似性，說明該系統能有效地模擬核電站松脫部件在管壁和器壁的撞擊；表1為松脫件模擬撞擊系統產生的不同撞擊能量信號，驗證了該系統可以模擬核電站不同能量的松脫件撞擊，滿足核電站要求。

4 結論

本文對核電站松脫部件模擬撞擊技術進行了研究，利用該技術設計了模擬撞擊系統。研究的核電站松脫部件模擬撞擊技術能有效的模擬核電站松脫部件在管壁或器壁上的撞擊，可模擬出不同能量的松脫件撞擊，實現通過在線遠程控制對核電站相關安全監測系統的定期檢測，保證了核電站的安全運行。

[1] 劉才學，汪成元，鄭武元等.核電站松脫部件監測系統研制[J].核動力工程，2010（2）：97-101.

[2] Li Wei-feng,Zhang Kai-zhi,Han Qing.電容放電式脈沖勵磁電源研究[J].High Power Laser and Particle Beams,2007(1):121-124.

[3] 盧新波，謝憲旺，張中明.電磁鐵相關技術參數的分析[J].液壓氣動與密封，2011(11):36-38.

[4] 趙凱華，陳熙謀.電磁學[M].北京：高等教育出版社，2003. [5] 邱宣懷.機械設計[M].北京：高等教育出版社，1997.

Research on Simulating Impact Technology of Lose Part in Nuclear Power Plant

Hu Hai ,Yang Taibo, Li Xiang, Liu Caixue, Cui Can,Zhang Yang
( Nuclear Power Institute of China, Chengdu Sichuan, 610213)

The simulating impact system of lose part in Nuclear Power Plant could creat impact signal on equipment ektexine of reactor, which is used to debug and inpect loose part monitorring system for the well operation of NPP. The high energy of inpluse current is generated by discharge of capacitance that is turn into kinetic energy through electromagnetic effect, consequently, the simulating impact technology of lose part is studied on Finally, it is known form the test that acceleration of simulating impact signal created by this technology is 0-100g.

lose part;simulating impact;inpluse current