核電站堆芯運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測儀工藝研究

譚星寧，張洪偉

（中廣核研究院有限公司，廣東 深圳 518031）

0 引言

堆芯運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測儀（簡稱監(jiān)測儀）通過對(duì)反應(yīng)堆中子通量、溫度和水位的連續(xù)在線監(jiān)測和分析，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測堆芯的功率分布和運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)核電站的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有重要意義。監(jiān)測儀信號(hào)處理部件由水位信號(hào)處理機(jī)柜、中子通量信號(hào)處理機(jī)柜、線纜組成，各機(jī)柜由卡件、機(jī)箱組成信號(hào)處理部件的集成工藝對(duì)儀器可靠性、可用率和可維護(hù)性有重要的影響。本文著重論述監(jiān)測儀信號(hào)處理部件集成工藝、生產(chǎn)步驟，以及產(chǎn)品在批量生產(chǎn)制造中為保證可靠性與一致性所做的措施。

核電行業(yè)將安全置于第一位，核電產(chǎn)品質(zhì)量直接影響核電站的安全。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，各級(jí)單位制定了質(zhì)量保證大綱及各項(xiàng)的規(guī)定來規(guī)范影響質(zhì)量的行為。核電站堆芯運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測儀的研制同樣有編制質(zhì)量保證大綱、設(shè)計(jì)方案、工藝控制等文件。

1 核電站堆芯運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測儀

核電站堆芯運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測儀系統(tǒng)由堆芯中子通量測量子系統(tǒng)、堆芯溫度測量子系統(tǒng)（包括堆芯出口溫度測量及壓力容器上封頭溫度測量）、壓力容器水位測量子系統(tǒng)及相應(yīng)的探測器組件與電纜等組成。儀控機(jī)柜有4 臺(tái)堆芯中子通量信號(hào)處理機(jī)柜、4 臺(tái)水位信號(hào)處理機(jī)柜。經(jīng)堆芯中子通量信號(hào)處理機(jī)柜的主要功能是處理堆芯中子信號(hào)，并進(jìn)行堆芯功率分布、LOCA 域度等計(jì)算和監(jiān)視，并將信號(hào)輸出給上游系統(tǒng)進(jìn)行處理。壓力容器水位測量子系統(tǒng)的主要功能是通過熱電偶信號(hào)監(jiān)測反應(yīng)堆壓力容器內(nèi)水位，顯示水位信號(hào)，進(jìn)行故障檢測處理，并將信號(hào)輸出給上游系統(tǒng)。

較其它儀控系統(tǒng)，核電儀控系統(tǒng)不同之處在于設(shè)備有嚴(yán)格縝密的設(shè)計(jì)過程，制造過程受核安全局監(jiān)管，有著詳細(xì)的指導(dǎo)文件，需要進(jìn)行鑒定試驗(yàn)。研發(fā)過程中，設(shè)計(jì)上游給出技術(shù)參數(shù)，設(shè)計(jì)方設(shè)計(jì)過程中需要進(jìn)行設(shè)計(jì)確認(rèn)、設(shè)計(jì)評(píng)審、設(shè)計(jì)驗(yàn)證等過程；制造方需編制質(zhì)量保證大綱、質(zhì)量計(jì)劃、工藝文件、控制文件等控制設(shè)備質(zhì)量[1]。首件鑒定過程需要進(jìn)行的試驗(yàn)有外觀檢查、基準(zhǔn)試驗(yàn)、防護(hù)試驗(yàn)、溫升試驗(yàn)、鹽霧試驗(yàn)、電磁兼容試驗(yàn)、老化試驗(yàn)、抗地震試驗(yàn)等[2]。

核電站堆芯運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測儀受核安全局監(jiān)管，制作、鑒定過程、運(yùn)行時(shí)核安全局會(huì)設(shè)點(diǎn)監(jiān)控，對(duì)不符合項(xiàng)責(zé)令整改。監(jiān)測儀系統(tǒng)處理的是反應(yīng)堆中子通量、溫度和水位信號(hào)，其在核島中起著極其重要的監(jiān)測功能，如同人的耳目，及時(shí)發(fā)現(xiàn)堆芯的反應(yīng)走向。信號(hào)微弱，機(jī)柜與探測器之間使用屏蔽電纜傳遞信號(hào)，需要定期檢查維護(hù)探測器、電纜、機(jī)柜。將安全置于第一位，是核電行業(yè)內(nèi)達(dá)成的共識(shí)。產(chǎn)品的質(zhì)量直接影響到電站的安全運(yùn)行，成熟的生產(chǎn)工藝才能生產(chǎn)出成熟的可靠的產(chǎn)品。

2 產(chǎn)品工藝流程

核電站堆芯運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測儀以機(jī)柜的形式安裝在核電站廠房內(nèi)，機(jī)柜在廠家組裝好后發(fā)往核電站。為規(guī)范流程，保證質(zhì)量，機(jī)柜組裝過程嚴(yán)格按照?qǐng)D1 流程執(zhí)行，每步流程均有對(duì)應(yīng)的工藝文件指導(dǎo)工作進(jìn)行。設(shè)計(jì)定型后，通過設(shè)計(jì)接口，表達(dá)設(shè)計(jì)輸入。采購人員提起采購，采購物料包括結(jié)構(gòu)件、電子元器件、PCB 板、線纜及其它物料。物料到貨后，需要檢驗(yàn)合格方可放進(jìn)庫房。庫房人員根據(jù)種類、型號(hào)為每種物料編物料編碼，將合格產(chǎn)品放在對(duì)應(yīng)的區(qū)域內(nèi)。

整柜制造主要分兩部分，機(jī)柜與機(jī)柜內(nèi)部機(jī)箱、插件。機(jī)箱與插件制造過程類似，機(jī)箱、插件組裝時(shí)，機(jī)柜可同步進(jìn)行組裝。PCB 板卡與電子元器件準(zhǔn)備齊后，進(jìn)行焊接。板卡焊接好后組裝結(jié)構(gòu)件外殼，并進(jìn)行連接器、面板器件的接線，經(jīng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)100%接線檢查后與工藝檢查后進(jìn)行調(diào)試。機(jī)柜結(jié)構(gòu)件制作過程需要磨具成型、焊接、電鍍、噴塑、絲印、裝配、檢驗(yàn)等工藝，制作過程需要質(zhì)量計(jì)劃，除各環(huán)節(jié)檢驗(yàn)外，還需設(shè)關(guān)鍵點(diǎn)檢查產(chǎn)品質(zhì)量。結(jié)構(gòu)件制作完成后，接下來是結(jié)構(gòu)件與器件、板卡、線束的組裝。每種機(jī)柜組裝方式均不同，為規(guī)范作業(yè)，每種機(jī)柜組裝均有作業(yè)指導(dǎo)書指導(dǎo)工人組裝，作業(yè)指導(dǎo)書圖文并茂，細(xì)化到每一步操作。機(jī)柜組裝完成后，進(jìn)行100%接線檢查與工藝檢查。調(diào)試完成的板卡需要進(jìn)行老化篩選與例行試驗(yàn)。機(jī)箱機(jī)柜采用分部件與整機(jī)集成工藝開發(fā)控制和驗(yàn)證，整個(gè)機(jī)柜在分部件驗(yàn)證合格后按照整機(jī)工藝文件執(zhí)行，保證產(chǎn)品一致性和可靠性。

圖1 生產(chǎn)組裝工藝流程圖Fig.1 Production assembly process flowchart

設(shè)計(jì)過程中，元器件使用標(biāo)準(zhǔn)件，使用機(jī)器焊接或者手工焊接方式焊接在板卡上。機(jī)器焊接元器件的方式有回流焊與波峰焊。回流焊適用于SMT 器件，直插件常見機(jī)焊方式為波峰焊。機(jī)器焊接方式較手工焊接方式，焊接質(zhì)量較穩(wěn)定，批量焊接時(shí)速度更快。手工焊接方式更為靈活，對(duì)焊接人員要求比較高。

結(jié)構(gòu)件面臨使用標(biāo)準(zhǔn)件組裝，還是在訂制這個(gè)問題上值得探討。堆芯溫度測量子系統(tǒng)使用的機(jī)箱為訂制的不銹鋼鈑金制成的機(jī)箱，機(jī)柜為訂制的鑄造件。可靠性得到提高，但是成本高、重量大。堆芯中子通量測量子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)件使用標(biāo)準(zhǔn)件組裝而成，稍微進(jìn)行絲印噴涂而成，成本相對(duì)低，部分結(jié)構(gòu)適用性不如訂制結(jié)構(gòu)件，仍然需要進(jìn)行設(shè)計(jì)加工以匹配器件安裝。

探測器至機(jī)柜部分使用多芯屏蔽電纜傳遞信號(hào)。從機(jī)柜到核島堆芯距離上百米長，線纜兩端的電勢可能不同，若使用兩端接地，電勢差引起的電流會(huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生干擾，屏蔽層使用單端接地方式。電纜至板卡端使用單芯屏蔽線傳遞信號(hào)，屏蔽層與板卡信號(hào)地相連。處理中子信號(hào)的板卡使用屏蔽罩屏蔽信號(hào)干擾。

電源電磁兼容設(shè)計(jì)，電源輸入使用濾波器、脈沖抑制器、防雷濾波器濾除干擾。濾波器安裝在機(jī)柜下側(cè)，使用金屬罩屏蔽干擾。機(jī)箱、插件均使用金屬外殼，避免電磁干擾。柜門與機(jī)柜連接處使用接地線連接，調(diào)試時(shí)進(jìn)行接地連續(xù)性測試，接地電阻應(yīng)小于0.1Ω[3]。機(jī)柜表面為不銹鋼材料，有利于防靜電。

2.1 連接

端子壓接作為電氣儀控產(chǎn)品加工的重要環(huán)節(jié)，必須具有詳細(xì)的作業(yè)指導(dǎo)書、工藝定型與驗(yàn)證方案。端子壓接按照作業(yè)指導(dǎo)書要求，明確導(dǎo)線類型、端子類型、剝線工具、壓接工具和拉力值等信息。生產(chǎn)人員按照作業(yè)指導(dǎo)書對(duì)樣品壓接后，由檢驗(yàn)人員通過拉力試驗(yàn)進(jìn)行工藝驗(yàn)證，確保每個(gè)批次的壓接符合標(biāo)準(zhǔn)和質(zhì)量要求，壓接工人經(jīng)過專人培訓(xùn)授權(quán)，壓接工具每3 個(gè)月進(jìn)行一次維護(hù)。

連接器與連接器對(duì)接時(shí)，具體的連接點(diǎn)一般為公針與母針的對(duì)接。連接器與導(dǎo)線的連接一般為壓接、焊接兩種方式。壓接型連接器的連接方式為：使用退針工具將針從連接器中推出，再使用壓接工具將線束緊密壓進(jìn)針內(nèi)，然后將針插回連接器。壓接連接方式可靠性高，無需加熱加焊錫，相對(duì)焊接更環(huán)保，在核電站儀控設(shè)備上有著普遍的使用，缺點(diǎn)需要使用專用工具，維修對(duì)人員、設(shè)備均有要求。焊接型連接器的焊接方式為使用電烙鐵，在設(shè)定溫度下使用焊錫將導(dǎo)線焊在連接器上，并套上熱縮管。焊接型連接器不需要預(yù)留退針空間，連接器可以做得更密、更小，在儀控設(shè)備上一般用于連接信號(hào)線。

2.2 線束制作

線束使用低煙無阻燃線束，線束制作是提高整機(jī)裝配生產(chǎn)效率的重要抓手，通過樣機(jī)的制作確定了走線的最佳路徑、扎緊點(diǎn)和固定點(diǎn)的位置、線束的長短，將樣機(jī)線束通過模具釘板的制作固化下來，達(dá)到與產(chǎn)業(yè)化批量制造的工藝一致，在線束按模具釘板制作完畢時(shí)即可進(jìn)行線束檢驗(yàn)，若有問題即刻修改進(jìn)而保障工藝質(zhì)量的穩(wěn)定。

布線是機(jī)柜最有技術(shù)含量的工序，也是沒有任何依據(jù)文件的工序，技術(shù)員在布線的時(shí)候根據(jù)元器件位置和布線原則布置，具體原則包括：

選擇最短的布線距離、連接時(shí)不要受應(yīng)力、預(yù)留修復(fù)的余量（方便維修與改造）、直角布線（彎曲半徑）、平面布線。

布線要領(lǐng)：沿地布線，集中接地點(diǎn)；電源線與信號(hào)線不能平行，不能形成環(huán)路；遠(yuǎn)離發(fā)熱元器，不能在元器件上面走線；沿金屬或支架走線，線纜必須要有保護(hù)。

布線順序：從上到下，從左到右，從里向外，先短接后長接。

2.3 線束標(biāo)記

機(jī)柜使用現(xiàn)場下進(jìn)線方式，電源線端子排置于下側(cè)，信號(hào)端子位于上側(cè)。標(biāo)識(shí)清晰，防人因失誤，連接器公頭與母頭均有唯一位置編碼，一一對(duì)應(yīng)。多芯線纜標(biāo)識(shí)位置編碼的常用方式有使用鋼絲緊固金屬銘牌，固定線纜標(biāo)識(shí)盒，使用可打印的熱縮管。每個(gè)連接器絲印標(biāo)識(shí)明確，線纜插頭端有功能位置編碼，插座端有一一對(duì)應(yīng)功能位置碼，防止連接器插錯(cuò)位置。

單根線束兩端均有標(biāo)記號(hào)，單芯線束常用方式有使用打印的線管，套上不同數(shù)字的線號(hào)（類似活字印刷術(shù)），粘貼標(biāo)簽，使用可打印的熱縮管。標(biāo)記方式有從屬本端標(biāo)記、從屬遠(yuǎn)端標(biāo)記、從屬兩端標(biāo)記3 種方式。從屬本端標(biāo)記是指導(dǎo)線本端的標(biāo)記與所連接的端子或設(shè)備的標(biāo)志對(duì)應(yīng)，此方式組裝導(dǎo)線方便查找位置，維修時(shí)方便拆卸后恢復(fù)。從屬遠(yuǎn)端標(biāo)記是指導(dǎo)線本端的標(biāo)記與導(dǎo)線遠(yuǎn)端所連接的端子或設(shè)備的標(biāo)志對(duì)應(yīng)，此方式能直觀地看到導(dǎo)線連接的遠(yuǎn)端設(shè)備，方便分析故障。從屬兩端標(biāo)記是指導(dǎo)線兩端即標(biāo)識(shí)本端連接的端子或設(shè)備的標(biāo)志，又標(biāo)識(shí)遠(yuǎn)端連接的端子或設(shè)備的標(biāo)志，集從屬本端標(biāo)記、從屬遠(yuǎn)端標(biāo)記兩種方式優(yōu)點(diǎn)于一身，但是標(biāo)識(shí)號(hào)因此變長，成本增加、受空間限制，此方式在機(jī)柜中不常運(yùn)用。

2.4 機(jī)柜裝配

機(jī)柜裝配工藝成熟，裝配作業(yè)指導(dǎo)書中的每個(gè)步驟內(nèi)容做到圖形化、可視化、規(guī)范化，將IPC 標(biāo)準(zhǔn)中的具體要求有機(jī)地融合到工藝開發(fā)、生產(chǎn)裝配和過程檢驗(yàn)過程中。作業(yè)指導(dǎo)書細(xì)化到使用物料編號(hào)、使用工具、合格裝配示意圖和不良裝配圖，直接細(xì)化到每個(gè)扎帶的數(shù)量和位置，每個(gè)螺釘扭矩等。生產(chǎn)人員授權(quán)上崗操作，操作后檢驗(yàn)人員依據(jù)文件逐項(xiàng)檢查并簽字確認(rèn)。涉及的接線部分，均要依照文件點(diǎn)對(duì)點(diǎn)查線檢查，并打鉤確認(rèn)。組裝完成后，再進(jìn)行一次全方面的工藝驗(yàn)收。

2.5 防靜電與接地

在生產(chǎn)廠房中，對(duì)所有會(huì)產(chǎn)生靜電的人員和設(shè)備都應(yīng)保證可靠接地。

1）防靜電地坪：為了防止積聚在設(shè)備和人身上的靜電荷達(dá)到危險(xiǎn)電位，在主要生產(chǎn)場地應(yīng)用了防靜電地坪。這類地坪在防護(hù)材料中分布有銅線構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，這些金屬網(wǎng)絡(luò)彼此形成電氣通路，用于防靜電地坪的靜電傳導(dǎo)。為與電氣設(shè)計(jì)配合，應(yīng)在防靜電地坪所在空間的建筑柱上，適當(dāng)預(yù)留接地端子。在地坪敷設(shè)完畢后，將防靜電地坪內(nèi)的金屬線與該接地端子相連；另外，接地端子須通過柱內(nèi)主筋與接地極連通，以使靜電通過接地端子沿柱內(nèi)主筋流向接地極。

2）防靜電安全工作臺(tái)：由工作臺(tái)、防靜電桌墊、腕帶接頭和接地線等組成。防靜電桌墊上應(yīng)有兩個(gè)以上的腕帶接頭，一個(gè)供操作人員用，一個(gè)供技術(shù)人員或檢驗(yàn)人員用。靜電安全工作臺(tái)上不允許堆放塑料盒、橡皮、紙板、玻璃等易產(chǎn)生靜電的雜物，圖紙資料應(yīng)放入防靜電文件袋內(nèi)。

3）防靜電腕帶：直接接觸靜電敏感器件的人員必須帶防靜電腕帶，腕帶與人體皮膚應(yīng)有良好接觸，腕帶系統(tǒng)對(duì)地電阻值應(yīng)1MΩ。

4）防靜電容器：生產(chǎn)場所的元件盛料袋、周轉(zhuǎn)箱、PCB 上下料架等應(yīng)具備靜電防護(hù)作用，不允許使用金屬和普通容器，所有容器都必須接地。

5）防靜電工作服：進(jìn)入防靜電工作區(qū)的人員和接觸SMD 元器件的人員必須穿防靜電工作服，特別是在相對(duì)濕度小于50%的干燥環(huán)境中（如冬季）。

6）防靜電工作鞋：進(jìn)入防靜電工作區(qū)的人員必須穿防靜電工作鞋，穿普通鞋的人員應(yīng)使用導(dǎo)電鞋束、防靜電鞋套或腳跟帶。

7）防靜電生產(chǎn)線：生產(chǎn)線上用的傳送帶和傳動(dòng)軸應(yīng)裝有防靜電接地的電刷和支桿，對(duì)傳送帶表面可使用離子風(fēng)靜電消除器。

8）防靜電工具:生產(chǎn)場所使用的組裝夾具、檢測夾具、焊接工具、各種儀器等，都應(yīng)設(shè)良好的接地線。

9）防靜電測試:生產(chǎn)場所入口處應(yīng)安裝防靜電測試臺(tái)，每一個(gè)進(jìn)入生產(chǎn)現(xiàn)場的人員均應(yīng)進(jìn)行防靜電測試，合格后方能進(jìn)入防靜電工作區(qū)。

2.6 調(diào)試

堆芯作為核心，為防止異物進(jìn)入設(shè)備，從設(shè)計(jì)到管理都有嚴(yán)苛的要求，堆芯使用的設(shè)備均要進(jìn)行鑒定試驗(yàn)，模擬極端工況，使設(shè)備在極端情況下能確保核級(jí)功能處理。

機(jī)箱插件組裝完成后，檢查外觀是否正常，接線是否正確，器件安裝是否正確牢固。只有通過檢驗(yàn)的產(chǎn)品，才能繼續(xù)調(diào)試。每個(gè)產(chǎn)品均有對(duì)應(yīng)的唯一的編碼，對(duì)不滿足要求的產(chǎn)品需要開出不符合項(xiàng)，并對(duì)不符合項(xiàng)進(jìn)行跟蹤，直至關(guān)閉不符合項(xiàng)。調(diào)試設(shè)備均通過計(jì)量，調(diào)試程序具體到寫明每一個(gè)測試的點(diǎn)，每一步操作內(nèi)容，參數(shù)可接受的范圍。調(diào)試內(nèi)容包括外觀檢查、絕緣電阻測試、耐壓測試、接地電阻測試、功能測試。通過功能驗(yàn)證的機(jī)箱、插件還需要通過各項(xiàng)例行試驗(yàn)以驗(yàn)證其可靠性。

3 結(jié)論

核電站堆芯運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測儀的制造過程中為保證其可靠性、可用率和可維護(hù)性，需要可靠的原材料、熟練的操作人員、完善的質(zhì)保體系。此外，科研與制造人員一直在做不懈的努力，學(xué)習(xí)國外先進(jìn)的技術(shù)，并因地制宜，加入自我的創(chuàng)新，制造更可靠的設(shè)備。