盧朝暉 周建明 呂永紅 向文元 白 冰

（中科華核電技術(shù)研究院有限公司 深圳 518124）

控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(CRDM, control rod drive mechanism)以步進(jìn)磁力提升方式驅(qū)動(dòng)控制棒組件在堆芯內(nèi)作上下運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆啟動(dòng)、功率調(diào)節(jié)、正常停堆和事故停堆等功能。EMC-A型CRDM的改進(jìn)與樣機(jī)研制，是在嶺澳核電站一期CRDM技術(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)驅(qū)動(dòng)桿行程套管、鉤爪組件等作改進(jìn)設(shè)計(jì)。解決原設(shè)計(jì)的一些弊病，如其上部?形密封焊縫泄露問(wèn)題，其鉤爪組件的彈簧設(shè)計(jì)缺陷，其與外部運(yùn)動(dòng)部件的接觸摩擦引起機(jī)械動(dòng)作延遲。樣機(jī)制造中，在不影響冷態(tài)性能試驗(yàn)結(jié)果的前提下，對(duì)某些零件采用替代材料并簡(jiǎn)化制造工藝。

1 設(shè)計(jì)改進(jìn)

1.1 一體式驅(qū)動(dòng)桿行程套管

嶺澳核電廠 L1號(hào)機(jī)組第五次大修中，發(fā)現(xiàn)控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)H14、D4、D6和D8的上部?密封焊縫出現(xiàn)泄漏，而第三、四次大修時(shí)曾分別發(fā)現(xiàn)控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)P10、K14泄漏，則該機(jī)組共有6根CRDM 在上部 ?密封焊縫或焊縫附近母材區(qū)發(fā)現(xiàn)泄漏。國(guó)外數(shù)據(jù)顯示，法國(guó)電力集團(tuán)(Electricite De France)已發(fā)生 4起 CRDM 密封焊縫泄漏，其中 2起在上部?密封焊縫；美國(guó)Calvert Cliffs 2號(hào)機(jī)組也曾出現(xiàn)CRDM上部?密封焊縫泄漏[1]。

CRDM 上部 ?密封焊縫連接端塞和驅(qū)動(dòng)桿行程套管，其端塞部分有吊環(huán)螺釘供吊裝CRDM，還有水壓試驗(yàn)[2]時(shí)驅(qū)動(dòng)桿行程套管內(nèi)氣體排放的閥門(圖1a)。其實(shí)，該排氣閥在反應(yīng)堆運(yùn)行時(shí)并不使用，在高溫高壓下充水時(shí)，驅(qū)動(dòng)桿行程套管內(nèi)殘留的氣體被極度壓縮，所占體積不會(huì)影響驅(qū)動(dòng)桿在驅(qū)動(dòng)桿行程套管內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，完全可取消此排氣閥(圖1b)。

圖1 原上部?密封焊縫結(jié)構(gòu)(a)和改進(jìn)后的一體式驅(qū)動(dòng)桿行程套管(b)Fig.1 Original upper ?-type seal weld structure (a) and the improved integral rodtravelling house (b).

1.2 鉤爪組件改進(jìn)設(shè)計(jì)

鉤爪組件是CRDM的動(dòng)作部件，結(jié)合運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)對(duì)原設(shè)計(jì)作分析，我們改進(jìn)了鉤爪組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以提高鉤爪組件的運(yùn)行可靠性。

1.2.1 改進(jìn)鉤爪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

齒根倒圓區(qū)是應(yīng)力集中區(qū)，易產(chǎn)生疲勞裂紋，將原設(shè)計(jì)齒根倒圓(圖 2a)改為倒橢圓(圖 2b)，可減少應(yīng)力集中，改善裂紋產(chǎn)生傾向；同時(shí)，增加齒厚(圖2c)，以提高CRDM的耐磨性能。

圖3的有限元分析結(jié)果表明，在相同工況下，倒橢圓后齒根過(guò)渡區(qū)的應(yīng)力(圖 3a)較倒圓結(jié)構(gòu)的應(yīng)力(圖3b)降低約17%。

圖2 鉤爪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)前后示意圖(a) 原鉤爪結(jié)構(gòu)，(b) 倒橢圓后的鉤爪結(jié)構(gòu)，(c) 加大齒厚的鉤爪結(jié)構(gòu)Fig.2 Schematics of latch structure before/after design improvement.(a) Original latch structure, (b) Latch structure with ellipse dedendum, (c) Latch structure with thicker tooth

圖3 鉤爪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)前后的應(yīng)力分布(a) 倒圓結(jié)構(gòu)的鉤爪應(yīng)力分布，(b) 倒橢圓結(jié)構(gòu)的鉤爪應(yīng)力分布Fig.3 Latch stress before/after design improvement.(a) Latch stress with blending structure, (b) Latch stress with ellipse dedendum structure

1.2.2 改進(jìn)鉤爪組件彈簧設(shè)計(jì)

原設(shè)計(jì)中，彈簧與運(yùn)動(dòng)件內(nèi)孔表面的公差范圍重疊，運(yùn)行過(guò)程中，彈簧外圈與運(yùn)動(dòng)件內(nèi)孔表面可能會(huì)產(chǎn)生附加摩擦力，而影響銜鐵動(dòng)作，使機(jī)械動(dòng)作時(shí)間延長(zhǎng)，甚至出現(xiàn)銜鐵動(dòng)作匹配不協(xié)調(diào)而滑步或落棒。我們調(diào)整了彈簧和運(yùn)動(dòng)件的配合尺寸及公差，以避免上述現(xiàn)象。

1.2.3 改進(jìn)鎖緊螺釘?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，鉤爪支承套的鎖緊螺釘發(fā)生斷裂現(xiàn)象，故將螺釘尺寸由 M6改為 M8；螺釘材料也由奧氏體不銹鋼材料Z5CND17-12改為鎳基合金材料NC15FeTNbA，兩者的熱膨脹系數(shù)相近 (前者為15.5×10–6K–1，后者為 14.5×10–6K–1)。由此提高鎖緊螺釘?shù)目辜羟心芰Α?/p>

2 樣機(jī)制造和試驗(yàn)

2.1 樣機(jī)的材料替代與加工工藝簡(jiǎn)化

其僅用于CRDM冷態(tài)性能試驗(yàn)，只需要對(duì)機(jī)構(gòu)的運(yùn)行性能(如機(jī)電延遲時(shí)間等)進(jìn)行驗(yàn)證。因此，在不影響冷態(tài)性能試驗(yàn)結(jié)果的前提下，材料采購(gòu)時(shí)以國(guó)標(biāo)材料替代RCC-M要求的材料(如省去探傷要求等)，對(duì)樣機(jī)的制造進(jìn)行了一系列的簡(jiǎn)化。為便于采購(gòu)，將驅(qū)動(dòng)桿行程套管、密封殼等零件的材料由設(shè)計(jì)時(shí)的00Cr18Ni10N改為0Cr18Ni9，將驅(qū)動(dòng)桿、可拆接頭等零件的材料由12Cr13改為20Cr13，同時(shí)驅(qū)動(dòng)桿坯料采購(gòu)由管材改為棒材。

為提高CRDM鉤爪和連桿的耐磨性，及降低接觸反應(yīng)堆冷卻劑材料的含鈷量，鉤爪和連桿均采用在奧氏體不銹鋼基體上堆焊耐磨鈷基合金的結(jié)構(gòu)型式。鈷基合金堆焊工藝復(fù)雜，為降低樣機(jī)制造成本和制造周期，對(duì)鉤爪和連桿均采用整體鈷基合金的結(jié)構(gòu)型式，簡(jiǎn)化制造工藝。為提高CRDM的使用壽命，其零件滑動(dòng)配合表面均鍍有致密的硬鉻層，但樣機(jī)僅用于設(shè)計(jì)和運(yùn)行性能參數(shù)驗(yàn)證，對(duì)使用壽命不作要求，因而在樣機(jī)的制造過(guò)程中也取消了零件的鍍硬鉻工藝要求。

2.2 冷態(tài)性能試驗(yàn)

為驗(yàn)證該樣機(jī)設(shè)計(jì)的合理性，開(kāi)展了如下冷態(tài)性能試驗(yàn)：負(fù)荷傳遞間隙測(cè)量，機(jī)電延遲時(shí)間測(cè)試，三組銜鐵(提升銜鐵、移動(dòng)銜鐵和保持銜鐵)的吸合電流測(cè)試，三組銜鐵的打開(kāi)電流測(cè)試，額定電流運(yùn)行試驗(yàn)，記錄運(yùn)行時(shí)提升和下插的電流、聲音與時(shí)間的關(guān)系曲線等。

冷態(tài)性能試驗(yàn)臺(tái)架(圖 4a)為四層 5 m×5 m×25 m的鋼架結(jié)構(gòu)。地面層安裝電機(jī)、泵、閥門和管線等，提供試驗(yàn)本體安裝的地面支撐，試驗(yàn)回路的進(jìn)出口在該層與試驗(yàn)本體相連；第二層提供試驗(yàn)本體的上支撐，CRDM與試驗(yàn)本體在二層對(duì)接；第三層安裝 CRDM，其中驅(qū)動(dòng)桿行程套管為有機(jī)玻璃管，以便觀察；第四層安裝吊裝機(jī)構(gòu)，并為驅(qū)動(dòng)桿提供行程空間。

冷態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)的控制系統(tǒng)由電源柜、邏輯柜、處理柜和測(cè)量柜組成(圖4b)，另外連接一臺(tái)示波器，觀察和記錄各組試驗(yàn)過(guò)程的電流波形和振動(dòng)信號(hào)，并同時(shí)對(duì)電流時(shí)序進(jìn)行評(píng)定。

圖4 CRDM冷態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng) (a)試驗(yàn)臺(tái)架和試驗(yàn)流程 (b)控制裝置設(shè)備和控制系統(tǒng)Fig.4 Function test system of CRDM.(a) Function test system frame and chart of test (b) Control system and block diagram

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的冷態(tài)性能試驗(yàn)主要如下：

(1) 負(fù)荷傳遞間隙試驗(yàn)：分別測(cè)量提升線圈通電和不通電狀態(tài)下的負(fù)荷傳遞間隙。

(2) 機(jī)電延遲時(shí)間試驗(yàn)：驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)機(jī)電延遲時(shí)間是工作線圈斷電后鉤爪打開(kāi)使驅(qū)動(dòng)桿組件開(kāi)始自由下落所需時(shí)間，測(cè)量的11種狀態(tài)下的機(jī)電延遲時(shí)間涵蓋了CRDM運(yùn)行中可能發(fā)生的所有情況。

(3) 銜鐵吸合電流試驗(yàn)：逐漸加大各組銜鐵對(duì)應(yīng)線圈的電流，直到銜鐵動(dòng)作吸合，示波器上記錄的電流即為該組銜鐵的吸合電流。

(4) 銜鐵打開(kāi)電流試驗(yàn)：逐漸減小各組銜鐵對(duì)應(yīng)線圈的電流，直到銜鐵動(dòng)作打開(kāi)，示波器上記錄的電流即為該組銜鐵的打開(kāi)電流。

通過(guò)試驗(yàn)記錄分析，試驗(yàn)(1–4)的結(jié)果見(jiàn)表1，四組試驗(yàn)結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)要求。

表 1 試驗(yàn)(1)–(4)結(jié)果Table 1 Test results of test items (1)–(4).

另一項(xiàng)試驗(yàn)是額定電流運(yùn)行時(shí)提升和下插的電流、聲音與時(shí)間的關(guān)系曲線：驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)在額定電流下，以72步/分的速度，在5–225步行程內(nèi)往返運(yùn)行。在試驗(yàn)過(guò)程中，記錄每次往返運(yùn)行時(shí)，提升和下插的電流、聲音與時(shí)間的關(guān)系曲線。額定電流運(yùn)行時(shí)提升和下插的電流、聲音與時(shí)間的關(guān)系的正常曲線如圖 5(a–c)所示。而在后期運(yùn)行時(shí)，出現(xiàn)滑步現(xiàn)象(圖 5d)。

CRDM 提升順序?yàn)椋罕３帚^爪保持驅(qū)動(dòng)桿-移動(dòng)鉤爪保持驅(qū)動(dòng)桿-保持鉤爪打開(kāi)-提升銜鐵通電帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)桿提升一步-保持鉤爪保持驅(qū)動(dòng)桿-移動(dòng)鉤爪打開(kāi)-提升銜鐵斷電移動(dòng)鉤爪下降一步-移動(dòng)鉤爪保持驅(qū)動(dòng)桿，如此循環(huán)，帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)桿的提升。其下降順序?yàn)椋罕３帚^爪保持驅(qū)動(dòng)桿-提升銜鐵通電帶動(dòng)移動(dòng)鉤爪空提一步-移動(dòng)鉤爪保持驅(qū)動(dòng)桿-保持鉤爪打開(kāi)-提升銜鐵斷電移動(dòng)鉤爪帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)桿下降一步-保持鉤爪保持驅(qū)動(dòng)桿-移動(dòng)鉤爪打開(kāi)-提升銜鐵通電帶動(dòng)移動(dòng)鉤爪空提一步，如此循環(huán)。由圖 5(a)，移動(dòng)鉤爪閉合動(dòng)作提前于保持鉤爪的打開(kāi)動(dòng)作，在整個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)總有一個(gè)鉤爪保持驅(qū)動(dòng)桿；圖5(d)中，移動(dòng)鉤爪的閉合動(dòng)作遲于保持鉤爪的打開(kāi)動(dòng)作，造成運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)鉤爪存在一定時(shí)間的雙打開(kāi)，造成控制棒的滑步。

圖5 CRDM試驗(yàn)運(yùn)行的聲音-電流波形時(shí)序圖(a)提升波形，(b)下插波形，(c)落棒波形，(d)滑步波形Fig.5 Sound and current wave forms (in time sequence) of rod-lifting (a),rod-inserting (b) and rod-dropping (c), and the wave form showing a step-loss, in the CRDM test

圖6 鉤爪銷滑出及其對(duì)移動(dòng)銜鐵內(nèi)表面磨出的刻痕(a)和銷脹孔后開(kāi)裂(b)Fig.6 Slid of latch pin and inner surface scratch of movable gripper armature by latch pin (a)and the crack after expansion of latch pin (b).

2.4 結(jié)果分析及糾正措施

根據(jù)滑步波形分析，由于某種原因致使移動(dòng)鉤爪動(dòng)作延遲，以至在保持鉤爪打開(kāi)時(shí)，移動(dòng)鉤爪未能抱緊驅(qū)動(dòng)桿，造成滑步。上述現(xiàn)象可能系外力引起移動(dòng)銜鐵動(dòng)作滯后。引起移動(dòng)銜鐵動(dòng)作滯后的原因?yàn)椋阂苿?dòng)銜鐵運(yùn)動(dòng)面存在雜質(zhì)、鉤爪或連桿的銷卡滯，造成轉(zhuǎn)動(dòng)不暢。拆檢鉤爪組件，發(fā)現(xiàn)連接移動(dòng)鉤爪的一個(gè)銷端部擴(kuò)口不夠，未將銷鎖死，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)行中，銷子滑出，與移動(dòng)銜鐵接觸，干涉了移動(dòng)銜鐵的動(dòng)作(圖6a)，使移動(dòng)銜鐵不能正常吸合。

由于鉤爪銷脹孔設(shè)計(jì)尺寸問(wèn)題，控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)行時(shí)的不斷磨損擠壓最終使鉤爪銷滑出而導(dǎo)致滑棒。設(shè)計(jì)要求的 KC20WN鈷基合金材料的硬度為 HRC35–40，實(shí)際在樣機(jī)制造過(guò)程中，由于材料采購(gòu)不合格，實(shí)測(cè)硬度為HRC45，考慮到制造周期的限制角度，對(duì)不合格材料進(jìn)行了讓步接收。由于硬度提高，造成材料的塑性降低，脹孔達(dá)到設(shè)計(jì)尺寸時(shí)容易產(chǎn)生開(kāi)裂(圖6b)，因此，在實(shí)際裝配時(shí)，無(wú)法將鉤爪銷擴(kuò)口到設(shè)計(jì)要求尺寸。

重新裝配時(shí)，鉤爪銷采用了硬度滿足設(shè)計(jì)要求的 KC20WN鈷基合金材料，并按設(shè)計(jì)要求重新進(jìn)行擴(kuò)口，達(dá)到預(yù)定脹孔尺寸。對(duì)磨損面進(jìn)行打磨后重新裝配，CRDM運(yùn)行良好，未再次出現(xiàn)滑步現(xiàn)象。

3 結(jié)語(yǔ)

采用一體式驅(qū)動(dòng)桿行程套管結(jié)構(gòu)，解決了原設(shè)計(jì)中因上部?密封焊縫引起的泄露問(wèn)題；

改進(jìn)鉤爪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從理論上改善了裂紋產(chǎn)生傾向，提高了鉤爪齒的耐磨性；

改進(jìn)鉤爪組件彈簧設(shè)計(jì)，從設(shè)計(jì)上避免了因彈簧外圈與運(yùn)動(dòng)件內(nèi)孔表面的接觸而影響銜鐵動(dòng)作，帶來(lái)機(jī)械動(dòng)作時(shí)間延長(zhǎng)，甚至出現(xiàn)滑步或落棒現(xiàn)象；

改進(jìn)了鎖緊螺釘?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，避免鎖緊螺釘?shù)臄嗔眩?/p>

經(jīng)拆檢，試驗(yàn)中出現(xiàn)的滑步現(xiàn)象是由于鉤爪銷裝配不當(dāng)引起的，原因是因?yàn)殇N子使用的材料不符合設(shè)計(jì)要求。通過(guò)改進(jìn)鉤爪銷材料的硬度，避免了因裝配不當(dāng)而造成的滑步現(xiàn)象。

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2 李紅鷹, 許川. 秦山核電二期工程控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)國(guó)產(chǎn)化研制[J]. 核動(dòng)力工程, 2003, 2: 143–145 LI Hongying. Indigenous development of CRDM for Qinshan Phase II NPP project [J]. Nuclear Power Engineering, 2003, 2: 143–145