控制棒驱动机构吸合电流偏大的故障排查

黄亚军 孟 路 于耀华

1.海装驻上海地区第九军事代表室 上海 201206 2.上海第一机床厂有限公司 上海 201308

1 控制棒驱动机构简介

控制棒驱动机构是核反应堆控制系统和安全保护系统的一种伺服机构,主要用于提升、下降、保持和快插控制棒,以完成核反应堆启动、调节功率、维持功率、停堆和事故情况下的快速停堆,是核反应堆的重要动作部件,也是直接影响核反应堆正常运行和安全可靠的关键设备之一,主要由位置指示器部件、定子部件、转子部件、耐压壳体部件、丝杠部件和弹簧部件组成。其中,位置指示器用来探测控制棒在堆芯中的位置;定子部件为机构动作提供必要的磁场,并通过相序的改变来控制丝杠的移动方向;转子部件通过其滚轮组件与丝杠部件的啮合、释放,以及在磁场作用的旋转运动,驱动丝杠部件上下运动;耐压壳体部件是反应堆冷却剂系统压力边界的组成部分,将驱动机构的电气部件和机械部件进行分隔;丝杠部件通过可拆接头与控制棒相连,最终实现对反应堆的控制;弹簧部件提供额外的弹簧力,协助丝杠部件在紧急停堆工况下的瞬间释放。

2 故障现象

XX1190批次控制棒驱动机构性能试验期间,在水中冷态性能试验过程中进行吸合、释放电流试验时,部分控制棒驱动机构出现半吸合、全吸合电流数据偏大,吸合释放动作电流散点图如图1、图2所示。要求吸合释放动作半合电流不大于5.0 A,全合电流不大于8.5 A。如该故障原因不查明并不及时进行排除,将直接影响控制棒驱动机构的生产进度,进而导致其无法顺利交付。在核反应堆的实际运行中,如出现吸合电流偏大类问题,则有可能造成卡棒等危险工况,甚至造成反应堆危险运行事件等。因此,该故障的发生,在控制棒驱动机构的实际批次生产和性能试验过程中需引起高度重视,并审慎处置。

图1 吸合释放动作半合电流散点图

3 故障排查过程

控制棒驱动机构转子部件的吸合动作是分裂转子在受定子部件吸合力作用后,克服小轴位置处的摩擦力和释放弹簧阻力的过程。考虑到影响控制棒驱动机构吸合电流数据的因素较多,试验设备、操作人员、控制棒驱动机构任意部件等异常均可导致试验数据异常,因此,重点针对影响控制棒驱动机构转子部件吸合动作的因素进行分析,建立导致吸合动作电流偏大问题的故障树,如图3所示。以下针对故障树对象逐个进行排查。

图2 吸合释放动作全合电流散点图

图3 控制棒驱动机构吸合电流偏大故障树

3.1 测量误差、低频电源排查

对试验控制柜、仪器仪表、示波器试验设备等进行检查,设备、仪器仪表标定均在有效期内,未发现异常。采用多人现场见证、更换操作人员的方式,使用同型号XX150批次控制棒驱动机构寿命试验件进行试验,试验数据与XX150批次前期试验数据保持一致,试验过程中未发现操作人员失误的情况,验证了试验设备和操作人员不是导致吸合电流偏大现象发生的原因。

3.2 定子部件排查

对该批次控制棒驱动机构定子部件的尺寸检查报告进行核查,其尺寸均满足图纸要求。

对该批次控制棒驱动机构定子部件采用的硅钢片导磁材料入厂复验结果进行核查,磁性能满足设计要求。

查阅定子绕组元件完工文件,对匝数进行核查,定子绕组元件绕线记录表显示其匝数满足技术条件要求。

前述控制棒驱动机构定子部件各项工序完工后均进行相应尺寸检查、单项性能测试等,检验合格后开具对应检验报告。所以该排查结果可排除控制棒驱动机构定子部件造成吸合电流偏大的可能。

3.3 耐压壳体部件排查

控制棒驱动机构耐压壳体部件影响吸合电流的因素主要有原材料锻棒磁性能、耐压壳体具体尺寸等因素。核查该批次控制棒驱动机构耐压壳体零件用锻棒磁性能报告,数值满足要求。核查该批次控制棒驱动机构耐压壳体尺寸检查报告,均满足图纸要求。

以上两项核查结果排除控制棒驱动机构耐压壳体部件造成吸合电流偏大的可能。

3.4 转子部件排查

控制棒驱动机构零部件采用标准化工艺进行制造,各零部件公差精度要求高,经检验合格的同种零部件之间具有高度的互换性。针对这一特点,使用同一低频电源、安排同一批试验人员、在同一个专用试验台架上,采用XX150批次控制棒驱动机构寿命试验件,更换XX1190批次控制棒驱动机构的部件根据配套关系进行多种排列组合的部件互换性排查试验。具体的部件互换性排查试验吸合电流试验数据见表1。

表1 部件互换性排查试验吸合电流试验数据

试验结果表明,在其它部件一致,仅更换转子部件的情况下,配套XX1190批次控制棒驱动机构转子部件的机构吸合电流均偏大,半合电流最大达到5.7 A,要求不大于5.0 A,全合电流最大达到9.0 A,要求不大于8.5 A,而配套XX150批次控制棒驱动机构转子部件的机构吸合电流均合格;在配套XX1190批次控制棒驱动机构转子部件不变,其它部件均更换的情况下,控制棒驱动机构吸合电流均偏大,半合电流最大达到6.18 A,全合电流最大达到8.86 A。该部件互换性排查试验数据说明XX1190批次控制棒驱动机构水中冷态性能试验过程中出现的吸合电流偏大现象与控制棒驱动机构转子部件有关。

因此,通过前述各项比对和试验验证,可以确定引起XX1190批次控制棒驱动机构吸合动作电流偏大的直接因素为转子部件异常。

4 转子部件异常原因分析

在锁定转子部件异常为控制棒驱动机构吸合电流偏大的直接因素后,对该批次控制棒驱动机构转子原材料磁性能、制造过程关键尺寸、重点零部件卡滞情况,以及释放弹簧力数据等进行了详细排查,发现XX1190批次控制棒驱动机构分裂转子零件存在一定程度变形,变形量较其它正常批次普遍偏大,变形后的控制棒驱动机构分裂转子零件呈类弓形状,如图4所示。

图4 分裂转子零件变形

对分裂转子零件的变形和转子部件装配后的配合间隙进行测量和分析发现,A端变形会导致控制棒驱动机构吸合动作发生前分裂转子与套管轴之间气隙偏小,致使磁场短路,使分裂转子难以在磁场作用下打开,造成的直接结果就表现为控制棒驱动机构转子部件吸合电流偏大;B端变形会导致控制棒驱动机构吸合动作发生前释放弹簧预紧力偏大,客观上导致吸合动作发生后分裂转子需要克服的释放弹簧力更大,理论上也会导致控制棒驱动机构转子部件吸合电流偏大,但是经过计算,释放弹簧弹性系数约为11.8 N/mm,分裂转子B端的轻微变形对转子部件弹簧力的性能影响较小。后换用两瓣正常的分裂转子零件替换变形部件,经试验验证控制棒驱动机构吸合电流恢复正常,从而验证了分裂转子零件A端的变形导致转子部件性能异常,进而直接导致该套控制棒驱动机构水中冷态试验时吸合电流数据异常。

5 结论

通过对XX1190批次控制棒驱动机构吸合电流偏大故障的排查与分析,得出结论。

该批次控制棒驱动机构水中冷态试验中出现的吸合电流偏大故障,经机构部件互换性试验验证,是由转子部件性能异常引起的。

通过零部件互换性试验后的水中冷态试验数据对比,验证了分裂转子零件A端的变形是导致控制棒驱动机构转子部件性能异常的直接因素。

零部件生产工艺固化后,在标准化要求、加工精度都较高的情况下,零部件互换性试验是锁定该型核反应堆控制棒驱动机构性能异常故障的一种非常有效的故障排查模式,而这种故障排查模式可有效作为后续该型控制棒驱动机构生产、试验及实际使用维修保障等工作的借鉴。