新型棒位探測器制造技術及性能分析研究

秦海俊， 禹華強， 陳正

（東方電氣集團東方汽輪機有限公司， 四川德陽， 618000）

0 引言

棒位探測器 （簡稱 “RPI”） 是控制棒驅動機構 （簡稱 “CRDM”） 的關鍵檢測設備， 主要用于測量CRDM 驅動桿在反應堆的實際位置， 從而確定反應堆控制棒的實際位置， 對監(jiān)控核電站安全運行有非常重要作用， 該設備屬于核電站反應堆核島產(chǎn)品。

RPI 供應商主要集中在歐美等西方國家， 目前國內(nèi)在運機組的RPI 大部分依靠進口， 防止出現(xiàn)“卡脖子” 問題， 正在實現(xiàn)國產(chǎn)化， 徹底掌握新型棒位探測器制造核心技術， 公司進行了新型棒位探測器研制并進行了鑒定試驗， 收集、 分析了數(shù)萬條試驗數(shù)據(jù)， 為RPI 和CRDM 的國產(chǎn)化奠定了基礎。

1 新型棒位探測器簡介

RPI 在原理上采用差動變壓器的測量原理，主要由棒位探測線圈組件、 外筒體組件、 定位卡環(huán)、 抗震支撐板連接法蘭、 壓縮彈簧、 電連接器及相應的連接緊固件組成。 棒位探測線圈組件主要由線圈支撐件、 1 個初級線圈、 31 個次級線圈和2 個輔助線圈等組成， 初級線圈貫穿整個驅動桿行程的全部范圍， 次級線圈被分為五組， 每組線圈均按差接法連接形成五位葛萊碼。

主要技術參數(shù)： 環(huán)境溫度， 5 ℃； 耐壓次級線圈工頻500 V， 1 min， 初級線圈直流707 V， 1 min； 相對濕度100%； 長期運行溫度150 ℃； 輻照累積劑量≥5.3×104Gy； 短期運行溫度200 ℃；外形尺寸約Φ168 mm×4 006 mm； 絕緣電阻≥100 MΩ； 設計壽命40 年。

2 制造技術研究

2.1 結構優(yōu)化設計

二代半CPR1000/三代華龍一號機型RPI 均采用整體式結構， 如圖1 所示， 次級線圈外層繞制初級線圈， 結構緊湊， 但不易于維修和故障排除。

圖1 整體式RPI 示意圖

公司CRDM 根據(jù)在國內(nèi)運機組RPI 存在的問題， 進行設計改進， 將整體式結構優(yōu)化為分體式結構， 使初次級線圈獨立制造和裝配， 提高了RPI 的可維護性和使用壽命， 如圖2 所示。

圖2 新型分體式棒位探測器示意圖

2.2 材料篩選

國內(nèi)在運機組的RPI 基本都是依靠國外進口，自主國產(chǎn)化需要從原材料篩選開始。 公司進行大量市場調(diào)研， 篩選RPI 需要的11 種非金屬材料，通過輻照試驗和熱老化試驗， 使用γ 射線進行輻照前后的性能篩選檢驗， 輻照劑量不低于5.3× 104Gy； 然后經(jīng)過200 ℃的高溫處理， 檢驗各材料的性能參數(shù)。 經(jīng)過約2 個月的嚴密策劃和連續(xù)測試，順利完成了11 種非金屬材料篩選。

2.3 線圈制造

每臺RPI 件主要包括一個初級線圈、 33 個次級線圈。 線圈制造包含多道復雜工序， 如繞線、浸漆、 烘干固化、 電氣測量等。 次級線圈的漆包線直徑只有0.226 mm， 每個線圈1 700 匝， 一套RPI 56 100 匝， 繞制極為困難， 容易出現(xiàn)塌層；由于漆包線外層為光滑的絕緣層， 排列緊密后浸漆難度加大， 不易浸透。

通過數(shù)百次的線圈試制、 解剖， 終于摸索出了一套合格的繞線、 浸漆、 固化工藝， 并通過了約18 個月的耐熱性評定試驗， 驗證了線圈的使用壽命達到40 年。

3 性能分析

為驗證新型RPI 樣機主要技術參數(shù)是否達到設計要求以及性能和制造技術的可靠性， 設計了工程樣機鑒定試驗操作規(guī)范， 包括基準試驗、 設備性能隨時間變化試驗、 電磁兼容試驗、 長周期運行試驗等， 考核樣機的綜合性能指標。

3.1 外觀檢查、 基準試驗

參考相關規(guī)范進行檢查：

?外觀檢查： 檢驗樣機焊縫是否完整， 檢查緊固件是否安裝到位無松動；

?基準試驗： 直流電阻測試、 絕緣試驗、 耐壓試驗， 試驗數(shù)據(jù)趨勢分析詳見圖3～8， 均滿足設計要求。

圖3 A 組線圈輸出電壓曲線

?基本功能和性能測試。

新型RPI 樣機外觀檢查、 基準試驗、 基本功能和性能測試均滿足設計要求。

圖4 B 組線圈輸出電壓曲線

圖5 C 組線圈輸出電壓曲線

圖6 D 組線圈輸出電壓曲線

圖7 F 組線圈輸出電壓曲線

圖8 閾值電壓測定波形圖

3.2 評定設備性能隨時間變化的試驗

RPI 樣機通過了評價設備性能隨時間變化的試驗考驗， 該試驗包含振動試驗、 環(huán)境試驗（高溫（干熱）試驗、 低溫（冷）試驗、 交變濕熱試驗）、 極限壓力試驗。

3.2.1 振動試驗

本試驗要驗證在正常振動工作環(huán)境中， RPI樣機設備性能是否滿足設計要求。

（1）振動響應檢查

沿X/Y/Z 3 個直角方向施加的正弦波振動， 以10～2 000 Hz 連續(xù)掃描， 頻率變化以每分鐘1 倍頻程的速度進行， 掃描1 次。 在交越頻率57 Hz 以下， 以0.15 mm 恒定位移掃描； 在57 Hz 以上，以2g 恒定加速度掃描。

（2）掃頻耐久試驗

沿X/Y/Z 3 個直角方向施加的正弦波振動， 以10～2 000 Hz 連續(xù)掃描， 頻率變化以每分鐘1 倍頻程的速度進行， 掃描2 次。 在交越頻率57 Hz 以下， 以0.15 mm 恒定位移掃描； 在57 Hz 以上，以2g 恒定加速度掃描。

（3）定頻耐久試驗

可選擇振動響應檢查出的危險頻率， 或者采用0.8～1.2 倍危險頻率的近固定頻率掃頻。 在交越頻率57 Hz 以下， 以0.15 mm 恒定位移掃描； 在57 Hz 以上， 以2g 恒定加速度掃描。 持續(xù)時間10±0.5 min。

（4）完成后檢查外觀和各電氣性能

3.2.2 環(huán)境試驗

?高溫（干熱）試驗： 檢驗RPI 樣機是否在設置的極限高溫下使用和（或）儲存的適應性。

?低溫（冷）試驗： 檢驗RPI 樣機是否在設置的極限低溫下使用和（或）儲存的適應性。

?交變濕熱試驗： 檢驗RPI 樣機在設置的溫度循環(huán)變化和濕熱條件下使用和儲存的適應性。

3.2.3 極限壓力試驗

將RPI 工程樣機放入密閉容器中， 充入氮氣，加壓至0.56 MPa， 保壓30 min， 然后卸壓， 然后進行外觀和電氣性能檢測。

3.3 電磁兼容試驗

RPI 樣機經(jīng)受住了電磁兼容試驗， 包括靜電放電抗擾度試驗、 射頻電磁場輻射抗擾度試驗、 射頻場感應的傳導騷擾抗擾度試驗、 工頻磁場抗擾度試驗。

3.3.1 靜電放電抗擾度試驗

由于人體靜電感應對儀器可能帶來危害， 試驗目的檢查RPI 樣機外部任何一點， 由于操作者所加的靜電感應信號是否能引起被試設備破壞或性能下降。 試驗嚴酷度等級按3 級標準執(zhí)行， 驗收標準： B。

3.3.2 射頻電磁場輻射抗擾度試驗

射頻電磁場輻射抗擾度試驗， 測試RPI 樣機對射頻電磁場的抗擾度。 試驗嚴酷按3 級標準執(zhí)行， 驗收標準： B。

3.3.3 射頻場感應的傳導騷擾抗擾度試驗

射頻場感應的傳導騷擾抗擾度試驗， 測試RPI 樣機對射頻電磁場感應的傳導騷擾的抗擾度。試驗嚴酷按3 級標準執(zhí)行， 按照驗收標準B 進行判定。

3.3.4 工頻磁場抗擾度試驗

檢查RPI 樣機對于其特定位置和按照條件（如設備靠近騷擾源）相關的工頻磁場時的抗擾度。 試驗按4 級標準執(zhí)行， 按驗收標準B 進行判定。

3.4 長期穩(wěn)定性運行試驗

RPI 樣機進行完以上試驗后， 應在CRDM 試驗臺架上進行長期穩(wěn)定性運行試驗， 在熱態(tài)工況下（286 ℃、15.5 MPa）進行168 h 的往復運行試驗，RPI 波形無異常， 棒位顯示精度應在-6～+7 步。

3.5 鑒定試驗結論

鑒定試驗顯示新型棒位探測器樣機主要技術參數(shù)達到甚至部分優(yōu)于設計要求， 驗證了公司新型棒位探測器的性能和制造技術的可靠性， 基準試驗、 設備性能隨時間變化試驗、 電磁兼容試驗、長周期運行試驗等順利實施， 各項綜合性能指標均滿足要求。

4 結束語

通過近半年的研制， 公司順利完成了新型棒位探測器的設計、 樣機試制和鑒定試驗， 各項數(shù)據(jù)均滿足設計要求。 實現(xiàn)了棒位探測器的國產(chǎn)化制造， 積累了制造核心技術和大量的試驗數(shù)據(jù)，為后續(xù)三代棒位探測器及相關產(chǎn)品的研發(fā)奠定了堅實基礎。