2017遠(yuǎn)東論文精選：反應(yīng)堆控制棒束檢測(cè)中的異常信號(hào)分析

核電站資料圖

反應(yīng)堆控制棒束組件（簡(jiǎn)稱RCCA）是一種快速控制反應(yīng)堆核反應(yīng)性的工具，在正常運(yùn)行時(shí)用于調(diào)節(jié)反應(yīng)堆功率，在事故工況下快速引入負(fù)反應(yīng)性，使反應(yīng)堆緊急停堆，從而保證核安全。

RCCA由星形架和吸收劑棒組成，如下圖所示，其中星形架由連接柄、翼片和指狀物組成，17×17型燃料組件中共有24根吸收劑棒。

RCCA結(jié)構(gòu)圖

運(yùn)行工況下，RCCA在燃料組件中上下運(yùn)動(dòng)，從而易產(chǎn)生磨損缺陷，加之長(zhǎng)期處于高溫、高放射性環(huán)境下，還可能產(chǎn)生腫脹、裂紋等缺陷。對(duì)RCCA進(jìn)行檢測(cè)的目的是評(píng)價(jià)磨損速度和腫脹的趨勢(shì)，以便需要時(shí)及時(shí)安排更換可能影響反應(yīng)堆下一循環(huán)正常運(yùn)行的RCCA。

磨損、腫脹和裂紋是核電站反應(yīng)堆控制棒束在役檢測(cè)中最典型的缺陷，對(duì)其信號(hào)的分析和判別現(xiàn)在已比較成熟。實(shí)際應(yīng)用中，信號(hào)采集設(shè)備本身、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境等因素引起的信號(hào)異常現(xiàn)象也時(shí)有發(fā)生，而通過(guò)對(duì)異常信號(hào)的分析，可以快速判斷故障點(diǎn)，并及時(shí)進(jìn)行糾正或修復(fù)。

中廣核檢測(cè)技術(shù)有限公司的技術(shù)人員們對(duì)在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)過(guò)程中出現(xiàn)的三種異常信號(hào)進(jìn)行了分析，以期為同行們?cè)谠O(shè)備調(diào)試和故障排除等方面提供借鑒。

1 檢測(cè)方法

RCCA的無(wú)損檢測(cè)一般采用超聲檢測(cè)和渦流檢測(cè)相結(jié)合的方法，信號(hào)采集設(shè)備對(duì)稱分布12個(gè)渦流探頭和12個(gè)超聲探頭，渦流探頭靜止不動(dòng)，超聲探頭周向旋轉(zhuǎn)，如下圖所示。超聲檢測(cè)采用水浸聚焦探頭，探頭固定在齒輪結(jié)構(gòu)上。現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)，12個(gè)超聲探頭同步高速旋轉(zhuǎn)，同時(shí)帶動(dòng)一個(gè)零點(diǎn)開關(guān)旋轉(zhuǎn)，零點(diǎn)開關(guān)用于各個(gè)通道周向初始位置的標(biāo)定以及為超聲儀提供周向截止信號(hào)，以用于后續(xù)信號(hào)處理。

信號(hào)采集設(shè)備實(shí)物

2 掃查方式

RCCA的超聲檢測(cè)時(shí)采用探頭周向旋轉(zhuǎn)，控制棒軸向運(yùn)動(dòng)的螺旋形軌跡掃查方式如下圖所示。為了保證對(duì)缺陷有足夠的分辨力和定位精度，螺旋形掃查需要設(shè)置合理的周向分辨率和軸向分辨率。現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中,一般周向分辨率設(shè)置為2.98°，即探頭每旋轉(zhuǎn)一周約采集120個(gè)采樣點(diǎn)，控制棒周長(zhǎng)(控制棒外徑9.68mm)約為30mm，即周向圓弧方向的分辨率約為0.25mm；軸向分辨率設(shè)置為2mm，即螺旋線的螺距為2mm。由于探頭旋轉(zhuǎn)一周的時(shí)間和控制棒軸向運(yùn)動(dòng)一個(gè)螺距的時(shí)間應(yīng)相同,因此假設(shè)探頭旋轉(zhuǎn)速度為n(rpm)，控制棒軸向運(yùn)動(dòng)速度為v(mm/s)，軸向分辨率為l(mm)，則探頭旋轉(zhuǎn)速度和控制棒軸向運(yùn)動(dòng)速度需滿足下式：60/n ＝l/v。

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螺旋形軌跡掃查方式示意

3 異常信號(hào)分析

異常信號(hào)一

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中，當(dāng)采用標(biāo)定棒對(duì)設(shè)備進(jìn)行標(biāo)定時(shí)，出現(xiàn)如下圖所示的異常信號(hào)，其典型特征是所有標(biāo)準(zhǔn)傷均向一個(gè)方向傾斜，而且在12個(gè)通道內(nèi)呈現(xiàn)同樣的規(guī)律，而軸向位置信號(hào)正常。

異常信號(hào)1

對(duì)此，顯然可以排除探頭本身和軸向編碼器的問(wèn)題。周向信號(hào)出現(xiàn)偏差的可能原因有：超聲軟件相關(guān)配置問(wèn)題、超聲儀問(wèn)題、編碼器電纜線問(wèn)題、零點(diǎn)開關(guān)問(wèn)題等。在重新配置超聲軟件、更換超聲儀、更換編碼器電纜后故障依然重現(xiàn)。拆開設(shè)備腔體，發(fā)現(xiàn)與零點(diǎn)開關(guān)傳感器固連的齒輪出現(xiàn)了松動(dòng)，使得該齒輪不能和其他超聲探頭上的驅(qū)動(dòng)齒輪同步旋轉(zhuǎn)，因此向超聲儀發(fā)送了錯(cuò)位的周向截止信號(hào)，導(dǎo)致周向信號(hào)出現(xiàn)了偏差。緊固零點(diǎn)傳感器齒輪后，進(jìn)行重新采集，信號(hào)正常。

異常信號(hào)二

RCCA信號(hào)采集設(shè)備在燃料廠房時(shí)信號(hào)均正常，而在調(diào)試廠房時(shí)卻出現(xiàn)了如下圖所示的異常信號(hào)，其特征是所有標(biāo)準(zhǔn)傷信號(hào)周向、軸向位置均正常，但總是規(guī)律性地出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的問(wèn)題。

異常信號(hào)2

根據(jù)分析，認(rèn)為這種現(xiàn)象應(yīng)該是超聲探頭周向旋轉(zhuǎn)速度和控制棒軸向線性速度間的不匹配造成的。該信號(hào)采集時(shí)超聲探頭周向旋轉(zhuǎn)速度為450r/min，軸向分辨率為2mm，可以得出軸向最大運(yùn)動(dòng)速度應(yīng)為15mm/s。而檢測(cè)控制棒軸向運(yùn)動(dòng)速度約為31mm/s，大于理論值，因此出現(xiàn)了信號(hào)丟失現(xiàn)象。

由公式60/n ＝l/v可以得出不出現(xiàn)信號(hào)丟失的條件為：周向旋轉(zhuǎn)一周所用的時(shí)間小于等于軸向運(yùn)動(dòng)一個(gè)螺距的時(shí)間，即：60/n≤l/v。

從上式可以看出，在軸向分辨率不變的情況下，提高探頭旋轉(zhuǎn)速度或者降低控制棒軸向運(yùn)動(dòng)速度，都能解決如上圖所示的信號(hào)丟失問(wèn)題。對(duì)于設(shè)備的最高轉(zhuǎn)速700r/min，由上式可得知，控制棒軸向最大運(yùn)動(dòng)速度為23.3mm/s，大于該值將出現(xiàn)信號(hào)丟失現(xiàn)象。

異常信號(hào)三

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中也時(shí)常出現(xiàn)下圖所示的異常信號(hào),其特點(diǎn)是在周向某一角度上出現(xiàn)連續(xù)或者斷續(xù)的信號(hào)丟失，幾乎貫穿整個(gè)軸向長(zhǎng)度，而且是個(gè)別通道才出現(xiàn)這種現(xiàn)象。所有標(biāo)準(zhǔn)傷信號(hào)及其周向、軸向位置均正常。

異常信號(hào)3

經(jīng)分析認(rèn)為這是齒輪配合不暢引起的，12個(gè)超聲探頭的周向同步旋轉(zhuǎn)要依靠齒輪結(jié)構(gòu)齒面之間的相互配合來(lái)完成，齒輪齒數(shù)相同，因此相鄰齒輪的嚙合面總是一一對(duì)應(yīng)；而更換探頭后，如果不能保證原齒面的對(duì)應(yīng)關(guān)系，則新的配合會(huì)由于磨損不同，需要一定的“磨合期”，“磨合期”內(nèi)新齒面之間配合不暢，就會(huì)導(dǎo)致齒輪出現(xiàn)輕微震動(dòng)、卡澀，當(dāng)這種配合正好出現(xiàn)在某一角度時(shí)，則出現(xiàn)上圖所示的異常信號(hào)。當(dāng)更正齒輪位置到原位置后，異常信號(hào)消失。

本文作者：張鵬飛，工程師，碩士，在中廣核檢測(cè)技術(shù)有限公司主要從事核電站在役檢查設(shè)備的研發(fā)工作。

來(lái)源：《無(wú)損檢測(cè)》2017年第39卷第10期“2017遠(yuǎn)東無(wú)損檢測(cè)新技術(shù)論壇論文精選”