王豐，沈秋平

（上海核工程研究設(shè)計(jì)院，上海 200233）

0 引言

反應(yīng)堆運(yùn)行期間，設(shè)備隨著服役時(shí)間的增長，由于一種或多種老化機(jī)理的綜合作用，會(huì)發(fā)生影響其安全功能的各種形式的變化。核電廠運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，由于高溫、高壓、輻照和循環(huán)載荷等因素產(chǎn)生的材料脆化、機(jī)械斷裂、腐蝕、疲勞、蠕變以及磨損等劣化過程導(dǎo)致的設(shè)備退化和故障時(shí)有發(fā)生。

老化不僅會(huì)造成設(shè)備的故障，而且大大降低電廠的核安全水平，由此可能造成設(shè)備的安全裕度低于設(shè)計(jì)安全裕度限值或核安全法規(guī)要求，降低核安全系統(tǒng)功能，從而增加對公眾健康和安全的風(fēng)險(xiǎn)。

在壓水堆核電站中，控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（CRDM）位于反應(yīng)堆壓力容器頂蓋上方，它的作用是在垂直方向定位控制棒組件。通過控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)改變或保持控制棒組件垂直方向的高度，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆的啟停，并在反應(yīng)堆正常運(yùn)行中調(diào)節(jié)或維持堆芯的功率水平以及在事故工況下快速停堆。圖1 為反應(yīng)堆本體結(jié)構(gòu)。

圖1 反應(yīng)堆本體結(jié)構(gòu)

控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)長期運(yùn)行于高溫、高壓環(huán)境中，由于沖擊、磨損、腐蝕等因素將產(chǎn)生一系列老化、性能衰減現(xiàn)象。一旦控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生失步、滑步、卡棒、彈棒等故障，將嚴(yán)重影響電廠經(jīng)濟(jì)性，甚至引發(fā)核安全事故。

1 CRDM 結(jié)構(gòu)及功能簡介

以我國引進(jìn)的三代核電技術(shù)中使用的控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)為例，其主要由4 個(gè)主要部件組成，它們分別是驅(qū)動(dòng)桿部件、鉤爪部件、承壓殼體部件和磁軛線圈部件，如圖2。

圖2 控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

承壓殼體部件內(nèi)包容了鉤爪部件、驅(qū)動(dòng)桿部件和高溫高壓冷卻劑，是整臺控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的支承部件，同時(shí)又是反應(yīng)堆冷卻劑壓力邊界的一個(gè)組成部分。

磁軛線圈部件是控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)作步躍運(yùn)行的動(dòng)力部件，它由磁軛體和3 個(gè)電磁工作線圈組成，3 個(gè)電磁工作線圈內(nèi)置在磁軛體中，與對應(yīng)的鉤爪部件電磁鐵構(gòu)成3個(gè)工作磁路。電磁工作線圈按控制裝置給定的電流程序通電，使位于承壓殼體內(nèi)的鉤爪部件產(chǎn)生感應(yīng)電磁力，帶動(dòng)各自的鉤爪作程序規(guī)定的動(dòng)作。

鉤爪部件是控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的核心部件，主要由上下2 組鉤爪、3 對電磁鐵組成，3 對電磁鐵藉電磁力吸合，受彈簧和重力作用打開下落。通過鉤爪/連桿機(jī)構(gòu)，各對電磁鐵帶動(dòng)它們各自的鉤爪組，與驅(qū)動(dòng)桿環(huán)齒槽作嚙合、脫開或步躍式升降動(dòng)作。

驅(qū)動(dòng)桿部件是直接連接控制反應(yīng)堆反應(yīng)性的控制棒組件的一個(gè)部件。在反應(yīng)堆運(yùn)行期間，驅(qū)動(dòng)桿部件和控制棒組件始終連接在一起，在反應(yīng)堆堆芯行程范圍內(nèi)作定位、上下運(yùn)行或緊急落棒。

2 CRDM 老化機(jī)理研究

研究分析控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（CRDM）的老化機(jī)理，首先需要確定和理解它的老化過程。由于設(shè)備老化過程涉及設(shè)備結(jié)構(gòu)、組成設(shè)備的材料、部件及工作條件和環(huán)境，因此必須了解設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行工況、性能要求、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)等。

“老化”這一技術(shù)術(shù)語，主要出自并用于電氣及電氣控制類設(shè)備，包括熱老化、輻照老化、運(yùn)行老化［1］。這些老化因子會(huì)使設(shè)備/材料的物理性能、力學(xué)性能、絕緣性能等改變和劣化，甚至出現(xiàn)設(shè)備故障或失效。

控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的磁軛線圈部件設(shè)計(jì)中就考慮了老化因子，并要求對絕緣結(jié)構(gòu)按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行包括輻照因子在內(nèi)的耐溫等級等性能的評定試驗(yàn)。對應(yīng)于控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)械部分，其“老化”應(yīng)指承壓殼體的運(yùn)行壽命（年）和鉤爪部件和驅(qū)動(dòng)桿部件的步躍運(yùn)行次數(shù)及落棒次數(shù)。

2.1 疲勞

疲勞指在脈動(dòng)或循環(huán)應(yīng)力的作用下，結(jié)構(gòu)材料中可能發(fā)生的裂紋萌生和擴(kuò)展現(xiàn)象。而循環(huán)應(yīng)力主要源自溫度和壓力載荷的波動(dòng)。

控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)步躍動(dòng)作時(shí)，受到步躍沖擊載荷的作用產(chǎn)生疲勞。CRDM 的承壓殼體部件、鉤爪部件以及驅(qū)動(dòng)桿部件等承受步躍循環(huán)載荷的零部件，均需考慮疲勞這一老化機(jī)理。通過在試驗(yàn)臺架上進(jìn)行步躍時(shí)的動(dòng)態(tài)沖擊載荷試驗(yàn)，根據(jù)步躍沖擊載荷下的壓力、加速度和應(yīng)變的測量，從而確定驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)步躍時(shí)的動(dòng)載荷可知：機(jī)構(gòu)運(yùn)行的各種工況中，在提升時(shí)產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)和撞擊最大。

通過承壓殼體部件的應(yīng)力分析（圖3，圖4）表明，密封焊縫處的應(yīng)力水平較高，同時(shí)在步躍沖擊載荷作用下，有可能產(chǎn)生高周疲勞失效，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注疲勞這一老化機(jī)理對此部件劣化的影響。

圖3 承壓殼體部件的應(yīng)力強(qiáng)度云圖

圖4 承壓殼體部件密封焊縫區(qū)域的應(yīng)力強(qiáng)度云圖

2.2 應(yīng)力腐蝕開裂

應(yīng)力腐蝕開裂（SCC）是指合金在承受應(yīng)力的腐蝕性環(huán)境中，由于裂紋的擴(kuò)展而失效。應(yīng)力腐蝕開裂具有脆性斷口形貌，但也可能發(fā)生于韌性高的材料中。發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的必要條件是要有拉應(yīng)力和特定的腐蝕介質(zhì)存在。如果材料具有敏感的微觀結(jié)構(gòu)，同時(shí)又處于較高拉應(yīng)力水平以及腐蝕環(huán)境中，應(yīng)力腐蝕開裂就有可能發(fā)生。

圖5 承壓殼體部件焊縫裂紋［3］

承受高溫高壓的CRDM 承壓邊界的奧氏體不銹鋼處于氯化物環(huán)境中時(shí)，如結(jié)構(gòu)中存在應(yīng)力集中的部位，則很容易在這些部位發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂現(xiàn)象，高溫環(huán)境以及氯化物還會(huì)使這種現(xiàn)象加劇。而承壓殼體部件密封焊縫區(qū)域的水質(zhì)和反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的主體環(huán)境不同，裝配施工時(shí)，從使用的副材料析出微量元素，造成濃度雖然不高但屬于含有氯離子的環(huán)境；此外，密封焊縫區(qū)域處于反應(yīng)堆上部，形成空氣囊溶解氧高，兩個(gè)因素疊加產(chǎn)生SSC 傾向［2］，圖5 為承壓殼體部件焊縫區(qū)域的裂紋。

2.3 環(huán)境應(yīng)力

對于控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，主要的環(huán)境應(yīng)力老化因子包括溫度、濕度和輻照。

2.3.1 溫度

溫度是在控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)老化中占主要地位的環(huán)境應(yīng)力。“時(shí)間—溫度”老化效應(yīng)會(huì)使很多有機(jī)材料老化。試驗(yàn)結(jié)果顯示，高溫會(huì)造成有機(jī)聚合物材料的氧化和脆化，特別是在潮濕和輻射環(huán)境中。

反應(yīng)堆正常運(yùn)行時(shí)壓力容器頂蓋溫度可達(dá)到較高的溫度水平，老化效應(yīng)會(huì)引起以下影響：電氣部件絕緣性能改變；聚合物的脆化和硬化導(dǎo)致開裂；材料機(jī)械強(qiáng)度和性能的改變；潤滑劑化學(xué)成分的變化。

2.3.2 濕度

濕度對控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的影響僅次于溫度。高濕度會(huì)引起電氣絕緣性能改變，降低電氣部件的絕緣能力和耐壓能力。同時(shí)，高濕度也增加了漏電流的幾率，還可能導(dǎo)致電氣部件表面電暈放電。

控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中最容易受濕度影響的部分是電氣接插件和工作線圈，它們持續(xù)暴露在潮濕環(huán)境會(huì)引起腐蝕和變形，最終對它們的電氣性能帶來影響。

2.3.3 輻照

對位于相對和緩環(huán)境中的控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)來說，輻照不作為重要的老化因子。然而，在反應(yīng)堆壓力容器中的那部分，輻射劑量（主要有伽馬和中子輻射）必須考慮，包括累積劑量、劑量率等。

輻照帶來的老化效應(yīng)會(huì)引起以下影響：電氣絕緣性能改變；金屬晶體結(jié)構(gòu)改變。

2.3.4 熱老化

控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的工作線圈使用了大量有機(jī)材料作為絕緣以及導(dǎo)熱材料，因此對于環(huán)境應(yīng)力相對更為敏感。主要體現(xiàn)在“熱老化”這一老化機(jī)理上。

熱老化指的是電氣設(shè)備絕緣在運(yùn)行過程中因周圍環(huán)境溫度過高，或因電氣設(shè)備本身發(fā)熱而導(dǎo)致絕緣溫度升高。在溫度的作用下，絕緣的機(jī)械強(qiáng)度下降，結(jié)構(gòu)變形，因氧化、聚合而導(dǎo)致材料喪失彈性，或因材料裂解而造成絕緣擊穿，耐電壓下降。

圖6 工作線圈絕緣老化（310℃）

在反應(yīng)堆正常運(yùn)行期間，控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)電磁工作線圈的失效可能會(huì)導(dǎo)致機(jī)構(gòu)動(dòng)作不正?；?qū)е聶C(jī)構(gòu)釋棒,進(jìn)而影響機(jī)構(gòu)步躍壽命，雖然不會(huì)造成重大核安全問題，但是會(huì)引起反應(yīng)堆非計(jì)劃停堆事件，對核電廠的經(jīng)濟(jì)效益帶來很大的影響。

對于磁軛線圈部件，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注熱老化這一老化機(jī)理的影響，在實(shí)際運(yùn)行過程中需加強(qiáng)對線圈的監(jiān)測，圖6為CRDM 工作線圈經(jīng)歷310℃高溫后產(chǎn)生的絕緣老化現(xiàn)象。

2.4 機(jī)械磨損

磨損是兩個(gè)表面間的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的材料表層的損耗，磨損發(fā)生在部件間的相對運(yùn)動(dòng)［4］。機(jī)械磨損主要影響部件的表面，主要涉及到由物質(zhì)接觸所導(dǎo)致的老化，如磨損。此外，磨損也可由于反應(yīng)堆內(nèi)流致振動(dòng)引起。

控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)械磨損主要發(fā)生在其運(yùn)動(dòng)部件：鉤爪部件和驅(qū)動(dòng)桿部件之上。鉤爪部件中主要存在鉤爪、銷軸、銷孔和眾多摩擦配合面等處的磨損，驅(qū)動(dòng)桿部件中的磨損一般發(fā)生在環(huán)形齒槽處，見圖7。

圖7 控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)典型部位的磨損

作為控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作部件最主要的老化機(jī)理之一，機(jī)械磨損直接影響機(jī)構(gòu)的步躍壽命。因此，對于控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注機(jī)械磨損這一老化機(jī)理對各部件老化的影響。

3 CRDM 失效模式及影響分析

對設(shè)備進(jìn)行失效模式及影響分析（FMEA），可以確定設(shè)備的設(shè)計(jì)特性、潛在的硬件失效以及因控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和操作相關(guān)的人因錯(cuò)誤導(dǎo)致的潛在危險(xiǎn)情況。

控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)FMEA 的重點(diǎn)是分析可能造成CRDM 損壞或?qū)е虏糠?全廠運(yùn)行功率損失的事件，并對它們提出減少發(fā)生概率和降低后果影響的建議。

FMEA 流程：選擇零部件→故障模式分析→故障影響分析→補(bǔ)償措施。

控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)各主要部件FMEA 的結(jié)果如表1 所示。

4 結(jié)論

根據(jù)FMEA 的結(jié)果，并結(jié)合CRDM 老化機(jī)理研究，針對控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的老化，重點(diǎn)需要關(guān)注以下部件的老化機(jī)理：

1）鉤爪部件中，疲勞和機(jī)械磨損為主要老化機(jī)理。磁極、銜鐵等均受步躍沖擊載荷反復(fù)作用，導(dǎo)致破裂或機(jī)構(gòu)動(dòng)作失效。鉤爪、連桿以及銷軸的過度磨損將導(dǎo)致機(jī)構(gòu)無法正常動(dòng)作。

2）驅(qū)動(dòng)桿部件中，機(jī)械磨損及疲勞為主要老化機(jī)理。驅(qū)動(dòng)桿的磨損將導(dǎo)致機(jī)構(gòu)無法正常動(dòng)作，撓性接頭的斷裂將導(dǎo)致落棒停堆。

表1 控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)故障模式和影響分析表

3）承壓殼體部件中，疲勞及SCC 為主要的老化機(jī)理。需重點(diǎn)關(guān)注機(jī)構(gòu)步躍沖擊載荷對承壓邊界的影響以及監(jiān)控承壓邊界密封焊縫處的SCC 現(xiàn)象。

4）磁軛線圈部件中，熱老化為主要的老化機(jī)理。工作線圈的絕緣下降、短路等失效會(huì)導(dǎo)致機(jī)構(gòu)動(dòng)作不正?；蛘呗浒敉６?。

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