楊平漢 上海第一機床廠有限公司 (201308)

楊平漢（1979年~），男，本科，工程師，設計室副主任，主要從事核電設備設計、制造工作。

1 壓水堆控制棒驅(qū)動機構(gòu)概述

1.1 壓水堆控制棒驅(qū)動機構(gòu)分類

壓水堆 (Pressurized Water Reactor，PWR)常采用的控制棒驅(qū)動機構(gòu) (Control Rod Drive Mechanism，CRDM) 類型主要有滾珠螺母式、齒條齒輪式、磁力提升式 (鉤爪式) 三種[1]，其中磁力提升式應用最為廣泛，目前國內(nèi)正在建造的以CPR1000為代表的二代改進型以及以AP1000和EPR為代表的第三代壓水堆CRDM均采用磁力提升式。

1.2 功能描述

控制棒驅(qū)動機構(gòu)是核電站反應堆控制系統(tǒng)和安全保護系統(tǒng)的一種伺服機構(gòu)，是反應堆的重要部件。CRDM作為反應堆主冷卻劑系統(tǒng)壓力邊界的一部分，應在保持反應堆壓力邊界完整性的前提下實現(xiàn)以下功能：

(1) 反應堆在啟動、運行和關閉時，應能帶動控制棒組件在堆芯行程范圍內(nèi)做升降運動或?qū)⒖刂瓢艚M件保持在任意設定位置上。

(2) 在事故工況下需要緊急停堆時，CRDM應能快速釋放控制棒組件插入堆芯，從而快速停堆。

1.3 設計要求[2]

為了確保上述運行功能，CRDM設計應滿足以下要求：

(1) CRDM在全行程范圍內(nèi)應運行自如，持棒可靠，無異常噪聲，控制棒不允許有因CRDM的原因而出現(xiàn)提不起、失步、滑棒、掉棒和卡棒等異?，F(xiàn)象；

(2) 在正常工況下控制棒的移動速度要緩慢、動作應準確無誤；

(3) CRDM應在反應堆運行偶發(fā)事件、設計基準地震以及假想事故工況期間和之后仍能執(zhí)行停堆功能，并保證處于任何行程位置或正在作升降運動的控制棒組件能夠快速釋棒、落棒；

(4) 在快速停堆或事故工況時，要求CRDM在得到事故停堆信號后即能自動脫開控制棒組件，使后者靠自重快速插入堆芯，以保證堆芯的安全。

2 磁力提升式控制棒驅(qū)動機構(gòu)結(jié)構(gòu)設計

2.1 CRDM結(jié)構(gòu)組成與設計要點

磁力提升式控制棒驅(qū)動機構(gòu)主要由承壓殼體部件、鉤爪部件、驅(qū)動桿部件、磁軛線圈部件和棒位探測器部件（AP1000中，棒位探測器部件是作為反應堆控制棒棒位指示系統(tǒng)的一個硬件而存在，以AP1000 CRDM結(jié)構(gòu)為例）組成，見圖1。

圖1 控制棒驅(qū)動機構(gòu)（AP1000）

2.1.1 承壓殼體部件

承壓殼體部件位于驅(qū)動桿部件和鉤爪部件的外面，它是反應堆冷卻劑系統(tǒng)壓力邊界的一部分，主要由棒行程殼體和鉤爪殼體及其貫穿件兩部分組成 (見圖2)，這兩段之間通過梯形螺紋和Ω型焊縫連接，以方便鉤爪部件的檢修。鉤爪殼體與CRDM接管在制造廠內(nèi)通過異種金屬焊縫相連；而反應堆壓力容器（Reacter Pressure Vessel，RPV）管座通過冷縮配合和局部焊透與壓力容器上封頭相連接。

圖2 承壓殼體部件

鉤爪殼體由不導磁材料F304LN制成，在鉤爪殼體的外表面開有4個寬度不等的凹槽，槽中裝有導磁環(huán)，導磁環(huán)是不承壓的零件，主要為了減少磁阻。鉤爪殼體為鉤爪部件提供定位支撐和銜鐵運動空間。棒行程殼體為驅(qū)動桿部件的運動提供行程空間，它同時又為棒位探測器部件提供定位和支撐。

承壓殼體部件設計要點：

(1) 應根據(jù)ASME規(guī)范，核安全1級部件進行設計，對各種運行工況分別進行應力和疲勞分析；

(2) 鉤爪殼體要求采用強度高、韌性好、不導磁、容易焊接的奧氏體不銹鋼制造；

(3) 棒行程殼體要求不導磁，與棒位探測器部件配合良好，棒位信號穩(wěn)定；

(4) 梯形螺紋和Ω型密封環(huán)焊縫應尺寸正確，結(jié)構(gòu)合理；Ω焊道至少應可切割焊接兩次以檢修。

2.1.2 驅(qū)動桿部件

驅(qū)動桿部件位于驅(qū)動機構(gòu)中心位置，驅(qū)動桿部件由驅(qū)動桿、拆卸桿、鎖緊彈簧、鎖緊螺母等零件組成（見圖3）。

圖3 驅(qū)動桿部件

驅(qū)動桿是一根長約7 000mm，外徑?44.5mm的空心細長桿件，驅(qū)動桿的外表面上有291個齒槽，每個齒槽的節(jié)距為15.875mm，正好是驅(qū)動機構(gòu)的步距長度。

驅(qū)動桿的下端為可拆接頭，通過它與控制棒組件的連接柄相連，使用專用工具操作驅(qū)動桿上端的拆卸鈕，從而使CRDM與控制棒組件相連或斷開。

驅(qū)動桿部件設計要點：

(1) 驅(qū)動桿必須采用導磁性材料制造，并具有較高的機械強度和韌性，容易加工，熱處理變形??；

(2) 可拆接頭的材料應具有足夠的強度和抗沖擊性；

(3) 彈簧材料加工性能好，彈簧靜壓和熱處理工藝成熟，彈簧力穩(wěn)定。

2.1.3 鉤爪部件

鉤爪部件安裝在承壓殼體部件里面，鉤爪部件的上端與棒行程殼體連接，下端僅有周向定位，無軸向定位（保證熱態(tài)工況下可以自由膨脹）。鉤爪部件主要由套管軸、提升磁極、移動磁極、提升彈簧、移動銜鐵、緩沖軸、移動彈簧、移動鉤爪、固定磁極、固定銜鐵、固定彈簧、支撐柱、固定鉤爪、連桿和隔磁片等零件構(gòu)成（見圖4）。

圖4 鉤爪部件

套管軸為細長形的空心管，驅(qū)動桿部件從管中心穿過，套管軸外面裝有磁極、銜鐵以及鉤爪等零件，這些零件構(gòu)成了兩套可往復運動的鉤爪提升機構(gòu)，每套鉤爪有3只，按120?布置在同一個平面上，兩套鉤爪交替上、下運動，就可以帶動驅(qū)動桿部件上升或下降，鉤爪的驅(qū)動力來自磁極和銜鐵之間的電磁吸力，銜鐵上、下運動帶動鉤爪的鉤入、嚙合以及載荷轉(zhuǎn)移。

磁極和銜鐵的吸合面之間設有隔磁片，主要為了減小吸合沖擊力和沖擊頻率值，起到緩沖作用，同時可以縮短返回時間。

鉤爪部件設計要點：

(1) 鉤爪部件中相對運動的零件較多，要準確地計算并合理選擇相對運動零件之間的間隙，特別應注意熱態(tài)運行時，不同材料熱膨脹系數(shù)的區(qū)別和變化，防止熱脹卡死；

(2) 鉤爪部件中滑動配合面較多，其表面應鍍鉻，增強耐磨性；

(3) 根據(jù)鉤爪轉(zhuǎn)角運動和銜鐵上升運動的關系來確定鉤爪嚙合間隙；

(4) 鉤爪應有非常高的耐磨性和抗沖擊性能；

(5) 兩套鉤爪在布置時應相互錯開60?，以減少驅(qū)動桿齒面的磨損；

(6) 鉤爪部件應設有適當?shù)牧魉?，以減少落棒時鉤爪部件內(nèi)的水阻力。

2.1.4 磁軛線圈部件

磁軛線圈部件安裝在鉤爪殼體的外面，它由3個電磁線圈、4個磁軛、導線管、導線、密封圈以及電氣連接件等零件組成（見圖5）。

圖5 磁軛線圈部件

無論驅(qū)動機構(gòu)處于何種狀態(tài)，只要有緊急停堆信號發(fā)出，驅(qū)動機構(gòu)的三個工作線圈的斷路器立即處于斷電狀態(tài)，銜鐵在自重、負荷以及彈簧力的作用下快速松開，鉤爪退出驅(qū)動桿的齒槽，驅(qū)動桿部件及其相連的控制棒組件在自重的作用下快速落入堆芯，關閉反應堆。

磁軛線圈部件設計要點：

(1) 確定線圈匝數(shù)、線徑和運行電流，要求線圈產(chǎn)生的磁通量經(jīng)工作和非工作氣隙磁阻漏磁后，仍能產(chǎn)生足夠的提升力。為了保證足夠的提升力，應盡量增大磁極有效面積，減少非工作氣隙磁阻和漏磁，磁軛采用方形截面，減少磁阻，并選用導磁性好的金屬材料；

(2) 提升線圈、移動線圈、固定線圈的冷態(tài)電阻和運行電流的乘積，要調(diào)整到冷態(tài)直流電壓125V左右(有利于驅(qū)動機構(gòu)控制電源的設計)，可通過改變線圈匝數(shù)、線徑和運行電流等參數(shù)來調(diào)整；

(3) 確定線圈的耐溫等級，選擇相匹配的非金屬絕緣漆和絕緣材料，根據(jù)運行電流來估算線圈發(fā)熱量，根據(jù)冷卻通風試驗確定運行線圈的溫度范圍；

(4) 各線圈間以及各線圈對地的絕緣電阻都應在500MΩ以上；

(5) 磁軛零件應該采取防腐蝕工藝，表面鍍鎳；

(6) 從線圈斷電到銜鐵落到原始位置的時間應≤150ms，該參數(shù)直接影響落棒性能，是考核的重要技術指標之一。

2.2 AP1000控制棒驅(qū)動機構(gòu)結(jié)構(gòu)改進

西屋公司設計的AP1000 CRDM為L106AP型，其結(jié)構(gòu)比之前的L106型作了如下改進，以進一步提高其安全性和可靠性。

(1) 鉤爪部件中的鉤爪由單齒改成了雙齒（見圖6、圖7），改善了鉤爪的耐磨性和步躍動作的可靠性；

圖6 單齒鉤爪

圖7 雙齒鉤爪

(2) 承壓殼體部件取消了上部的排氣閥和下部的Ω型密封焊接結(jié)構(gòu)，采用了一體化的鉤爪殼體，降低了冷卻劑泄漏的可能性[3]；

(3) 控制棒驅(qū)動機構(gòu)在做保持運行時采用了雙保持的設計，即固定線圈和移動線圈同時通電，固定鉤爪和移動鉤爪均進入驅(qū)動桿環(huán)槽。當固定線圈失效時，固定鉤爪擺出驅(qū)動桿環(huán)槽的情況下，移動鉤爪仍能與驅(qū)動桿槽嚙合，可有效防止控制棒組件的意外釋放，從而降低非計劃停堆的概率，提高了電廠的經(jīng)濟性。

2.3 結(jié)構(gòu)應力和熱分析

2.3.1 結(jié)構(gòu)應力分析

承壓殼體部件是反應堆主冷卻劑系統(tǒng)壓力邊界的一部分，也是ASME規(guī)范規(guī)定的CRDM中唯一需要進行應力分析的部件，因此必須按照ASME規(guī)范的要求以及CRDM設計規(guī)范書中指定的載荷對其進行結(jié)構(gòu)和熱應力分析和評定。

結(jié)構(gòu)分析可采用大型商用軟件ANSYS來完成，承壓殼體部件是一個軸對稱模型，其所承受的載荷、壓力以及熱瞬態(tài)也是軸對稱的，因此，在ANSYS建模時，可以建立一個二維的軸對稱實體模型[4]。

承壓殼體通過ANSYS進行結(jié)構(gòu)分析的主要步驟：

(1) 根據(jù)承壓殼體的幾何尺寸進行定義、分解、建立模型并劃分網(wǎng)格；

(2) 通過ASME材料篇確定所分析材料的物性參數(shù)；

(3) 螺紋處的耦合處理。鉤爪殼體和棒行程殼體之間通過梯形螺紋進行連接，此處螺紋模型的建立是為了模擬連接處內(nèi)部壓力作用到棒行程殼體上螺紋抵抗變形的能力。該模型在每副螺牙對的接觸線上都應有相同的節(jié)點，這些節(jié)點可以通過局部坐標系（平行于螺紋斜面的為X 軸，垂直于斜面的為Y 軸）旋轉(zhuǎn)得到，以便這些節(jié)點被耦合在一起并具有相同的方向Y向；

(4) 路徑的選取。需在整個模型不同高度上選取9個路徑，分別是異種金屬焊縫位置（兩處，即690合金處、不銹鋼處）、鉤爪殼體最薄弱位置、鉤爪殼體凹槽位置、Ω焊縫位置（三處）、棒行程殼體位置以及棒位指示器位置；

(5) 承壓殼體在不同工況下，不同位置所受到的機械載荷不同，每個位置的載荷（CRDM規(guī)范書中給出）可通過手工計算，求出6個應力分量，然后與ANSYS求出的各工況下其他載荷產(chǎn)生的應力分量分別進行求和，再計算出A級、B級、C級、D級以及試驗工況下產(chǎn)生的一次、二次應力以及累積疲勞使用因子；

(6) 通過ANSYS計算求解，并對分析結(jié)果進行線性化處理，得到的結(jié)果按照ASME規(guī)范NB分卷的要求對指定應力進行相應的評定。

2.3.2 熱分析

CRDM熱分析的首要任務是計算承壓殼體及其接管的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，計算的結(jié)果主要用于CRDM承壓殼體的結(jié)構(gòu)應力分析和評定。冷卻劑設計瞬態(tài)數(shù)據(jù)可以參見相關核電廠反應堆冷卻劑系統(tǒng)瞬態(tài)及其說明，計算時只需分析正常和異常工況。

CRDM表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的計算主要考慮反應堆壓力容器上封頭內(nèi)部的CRDM接管內(nèi)表面、棒行程殼體、接管外表面以及被安全殼空氣流冷卻的外部構(gòu)件等處?？煞譃橐韵氯齻€區(qū)域（見圖8）分別進行計算[5]：

圖8 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)計算分區(qū)

區(qū)域1：安全殼內(nèi)承壓殼體外表面的傳熱系數(shù)計算。

暴露在安全殼大氣內(nèi)有通風系統(tǒng)空氣流掠過的CRDM承壓殼體和接管外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。通風系統(tǒng)預計提供的沖擊空氣流速約為33.5m/s。安全殼內(nèi)常壓下空氣溫度假定為最小值15℃，以獲得最大的換熱系數(shù)。

外表面強制對流傳熱系數(shù)計算采用橫向流掠過圓柱面關系式：

NuD= 0.43 + C (ReD)m，這里系數(shù)C和m根據(jù)空氣流動雷諾數(shù)確定。

當ReD> 40 000時，C = 0.0239，m= 0.805。

而Nu = hD / k，從而可以求出安全殼內(nèi)承壓殼體外表面的傳熱系數(shù)。

區(qū)域2：CRDM接管內(nèi)浸濕面的傳熱系數(shù)計算。

可采用Dittus-Boelter強制對流傳熱關系式計算CRDM接管內(nèi)的傳熱系數(shù)。

h=0.0265(k/Dh) (Re)0.8(Pr)0.3

式中，h為傳熱系數(shù)，k為冷卻劑導熱系數(shù)，Dh為驅(qū)動桿與CRDM接管之間環(huán)腔的水力直徑，Re為雷諾數(shù)（Re=VD/μν），Pr為普朗特數(shù)（Pr=Cpμ/k），除Re數(shù)和Pr數(shù)外的各參數(shù)均為有量綱參數(shù)，計算時應注意單位的一致性。

區(qū)域3：RPV上封頭內(nèi)CRDM接管外浸濕面的傳熱系數(shù)計算。

CRDM外浸濕面?zhèn)鳠嵯禂?shù)計算采用橫向流掠過圓柱面關系式：

h= (k/D)×[0.43+1.11×0.0239(ReD)0.805(Pr)0.31]

該公式適應范圍：40000

確定上封頭內(nèi)每個設計基準工況下的冷卻劑平均溫度，根據(jù)該平均溫度可獲得冷卻劑的物性參數(shù)，從而得到計算中所需的導熱系數(shù)k、雷諾數(shù)Re和普朗特數(shù)Pr。

然后分別計算每個工況下CRDM接管外表面（RPV上封頭內(nèi)部）的傳熱系數(shù)。

3 AP1000控制棒驅(qū)動機構(gòu)零部件制造難點分析

3.1 鉤爪制造難點

第三代核電AP1000為提高反應堆運行安全性和使用壽命（設計壽命由40年延長到60年），將鉤爪結(jié)構(gòu)由傳統(tǒng)的單齒堆焊改為雙齒整體加工，并采用全鈷基合金熔模鑄件（STELLITE）制造，材料標準為AMS 5387C。

雙齒鉤爪國內(nèi)尚屬研制階段（已有突破性進展），其制造難度非常大，主要體現(xiàn)在：

(1) 零件毛坯采用整體精密鑄造，鑄造要求高，極易出現(xiàn)鑄造質(zhì)量問題；

(2) 鉤爪的加工成型難度高，位置及尺寸精度（如齒頂尺寸、兩個外側(cè)面的平行度、零件背槽尺寸以及銷孔的位置尺寸精度等）較難控制。

另外，由于鉤爪采用毛坯直接加工，鑄造的形狀以及加工時基準的選取尤為重要。

3.2 驅(qū)動桿和可拆接頭制造難點

驅(qū)動桿（見圖9）和可拆接頭（見圖10）都與反應堆回路冷卻劑直接接觸，不僅要有良好的耐腐蝕性能，還要有良好的綜合力學性能，在以往二代改進型核電站驅(qū)動機構(gòu)設備中，驅(qū)動桿和可拆接頭的材料均需從國外進口。

圖9 驅(qū)動桿（局部）

圖10 可拆接頭

AP1000驅(qū)動桿和可拆接頭主要制造難點：

(1) 驅(qū)動桿和可拆接頭均采用ASTM A479 TP410型馬氏體不銹鋼制造，材料的熔煉、熱加工以及熱處理等難度大，缺少成熟工藝；

(2) 驅(qū)動桿內(nèi)孔尺寸進一步減小，從二代改進型的?22mm減小到?13.46mm（總長約7 000mm，外徑?44.5mm），剛度相對較差，切削易發(fā)生振動，即使采用兩端打深孔，其難度仍很大；

(3) 可拆接頭形狀復雜，銑削后薄壁處只有3.4～0.25mm，機床精度要求高，加工難度大，還需考慮工作臺面溫升對加工精度的影響。

3.3 鉤爪殼體制造難點

鉤爪殼體是CRDM關鍵零部件之一，屬于壓力邊界零件，安全等級1級，質(zhì)保等級QA1級，它由二代改進型的軸定位和螺紋連接后通過Ω焊縫焊接的結(jié)構(gòu)改為整體式加工結(jié)構(gòu)（如圖11），從而消除了一處Ω焊縫的泄漏隱患點，進一步提高了安全性。

AP1000控制棒驅(qū)動機構(gòu)鉤爪殼體制造難點：

(1) 相對于二代改進型，AP1000的鉤爪殼體減少了下部Ω焊縫，由于結(jié)構(gòu)的改變，制造難度大幅增加，難度主要體現(xiàn)在內(nèi)腔深孔加工上；

(2) 鉤爪殼體與CRDM管座連接處的奧氏體不銹鋼316L和鎳基合金UNS N06690異種金屬焊接技術有較大難度，需要試驗、研制。

圖11 AP1000和二代改進型鉤爪殼體

3.4 磁軛線圈部件制造難點

磁軛線圈部件的性能和質(zhì)量好壞直接影響到反應堆的運行安全。其中的線圈組件制造過程復雜，需經(jīng)過線圈骨架的注塑、線圈繞制、真空浸漆、石英砂澆注、環(huán)氧樹脂灌封等多道工序才能完成，且需采用專用設備并在特定的環(huán)境下制造和檢測。

線圈繞線時在恒定張力作用下繞組線排列緊密，不允許斷線連接，浸漆后浸漬漆需充滿線圈內(nèi)部間隙。除了原材料的因素之外，制作過程中生產(chǎn)設備的性能、絕緣處理工藝參數(shù)（溫度、壓力、真空度、時間）的控制是保證產(chǎn)品質(zhì)量的關鍵。

3.5 導磁半環(huán)制造難點

導磁半環(huán)（見圖12）是用于彌補鉤爪殼體導磁性能差而增設的零件，其結(jié)構(gòu)相對簡單，制造難度在于導磁半環(huán)在電鍍液中的固定（表面要求鍍鉻厚度為0.03～0.08mm）。在參照二代改進型電鍍工藝進行電鍍時發(fā)現(xiàn)繩索固定位置鍍層不滿足設計要求，為了解決此問題，需要專門設計一套電鍍工裝，通過電鍍過程中變換支撐或接觸點來實現(xiàn)接觸位置表面鍍層厚度在設計允許范圍內(nèi)。

圖12 導磁半環(huán)

4 小 結(jié)

商用壓水堆控制棒驅(qū)動機構(gòu)常采用的是磁力提升式驅(qū)動機構(gòu)，以AP1000為代表的第三代壓水堆CRDM也采用該型式，結(jié)合AP1000控制棒驅(qū)動機構(gòu)，詳細描述了壓水堆控制棒驅(qū)動機構(gòu)結(jié)構(gòu)組成和功能，并介紹了ASME規(guī)范規(guī)定的CRDM中唯一需要進行應力分析的承壓殼體部件在進行結(jié)構(gòu)應力及熱分析時需要關注的地方以及分析、計算方法等。另外，還結(jié)合AP1000 CRDM的制造，指出了CRDM在完全實現(xiàn)國產(chǎn)化過程中碰到的制造難點，從目前的制造來看，很多CRDM關鍵制造技術或難點都獲得了突破性進展。

[1] 趙天宇，黃志勇，陳鳳，等. 反應性控制裝置驅(qū)動機構(gòu)的工作原理與結(jié)構(gòu)特點分析[R].中國核科學技術進展報告（第一卷）.核動力分卷（下）.北京：中國核學會，2009：1009-1010.

[2] 李紅鷹. 秦山核電二期工程反應堆控制棒驅(qū)動機構(gòu)設計[J]. 核動力工程，2003，24(2)：160-162.

[3] 周潔. 核反應堆控制棒驅(qū)動機構(gòu)的結(jié)構(gòu)及構(gòu)造[J]. 裝備機械，2010，134(4):32-33.

[4] Thomas E Demers. AP1000 CRDM Pressure Boundary Model [R]. AP1000 DOCUMENT. APPMV11-S3C-021. America: Westinghouse Electric Co.,LLC，2009:8-9.

[5] Mark Kulwich. CRDM Nozzle and CRDM Housing Thermal Transients for AP1000[R]. AP1000 DOCUMENT. APP-MV11-S3R-020. America:Westinghouse Electric Co., LLC，2009:81-87.