秦?？?， 禹華強(qiáng)， 陳正

（東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司， 四川德陽， 618000）

0 引言

棒位探測器 （簡稱 “RPI”） 是控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) （簡稱 “CRDM”） 的關(guān)鍵檢測設(shè)備， 主要用于測量CRDM 驅(qū)動(dòng)桿在反應(yīng)堆的實(shí)際位置， 從而確定反應(yīng)堆控制棒的實(shí)際位置， 對監(jiān)控核電站安全運(yùn)行有非常重要作用， 該設(shè)備屬于核電站反應(yīng)堆核島產(chǎn)品。

RPI 供應(yīng)商主要集中在歐美等西方國家， 目前國內(nèi)在運(yùn)機(jī)組的RPI 大部分依靠進(jìn)口， 防止出現(xiàn)“卡脖子” 問題， 正在實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化， 徹底掌握新型棒位探測器制造核心技術(shù)， 公司進(jìn)行了新型棒位探測器研制并進(jìn)行了鑒定試驗(yàn)， 收集、 分析了數(shù)萬條試驗(yàn)數(shù)據(jù)， 為RPI 和CRDM 的國產(chǎn)化奠定了基礎(chǔ)。

1 新型棒位探測器簡介

RPI 在原理上采用差動(dòng)變壓器的測量原理，主要由棒位探測線圈組件、 外筒體組件、 定位卡環(huán)、 抗震支撐板連接法蘭、 壓縮彈簧、 電連接器及相應(yīng)的連接緊固件組成。 棒位探測線圈組件主要由線圈支撐件、 1 個(gè)初級線圈、 31 個(gè)次級線圈和2 個(gè)輔助線圈等組成， 初級線圈貫穿整個(gè)驅(qū)動(dòng)桿行程的全部范圍， 次級線圈被分為五組， 每組線圈均按差接法連接形成五位葛萊碼。

主要技術(shù)參數(shù)： 環(huán)境溫度， 5 ℃； 耐壓次級線圈工頻500 V， 1 min， 初級線圈直流707 V， 1 min； 相對濕度100%； 長期運(yùn)行溫度150 ℃； 輻照累積劑量≥5.3×104Gy； 短期運(yùn)行溫度200 ℃；外形尺寸約Φ168 mm×4 006 mm； 絕緣電阻≥100 MΩ； 設(shè)計(jì)壽命40 年。

2 制造技術(shù)研究

2.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

二代半CPR1000/三代華龍一號機(jī)型RPI 均采用整體式結(jié)構(gòu)， 如圖1 所示， 次級線圈外層繞制初級線圈， 結(jié)構(gòu)緊湊， 但不易于維修和故障排除。

圖1 整體式RPI 示意圖

公司CRDM 根據(jù)在國內(nèi)運(yùn)機(jī)組RPI 存在的問題， 進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)， 將整體式結(jié)構(gòu)優(yōu)化為分體式結(jié)構(gòu)， 使初次級線圈獨(dú)立制造和裝配， 提高了RPI 的可維護(hù)性和使用壽命， 如圖2 所示。

圖2 新型分體式棒位探測器示意圖

2.2 材料篩選

國內(nèi)在運(yùn)機(jī)組的RPI 基本都是依靠國外進(jìn)口，自主國產(chǎn)化需要從原材料篩選開始。 公司進(jìn)行大量市場調(diào)研， 篩選RPI 需要的11 種非金屬材料，通過輻照試驗(yàn)和熱老化試驗(yàn)， 使用γ 射線進(jìn)行輻照前后的性能篩選檢驗(yàn)， 輻照劑量不低于5.3× 104Gy； 然后經(jīng)過200 ℃的高溫處理， 檢驗(yàn)各材料的性能參數(shù)。 經(jīng)過約2 個(gè)月的嚴(yán)密策劃和連續(xù)測試，順利完成了11 種非金屬材料篩選。

2.3 線圈制造

每臺RPI 件主要包括一個(gè)初級線圈、 33 個(gè)次級線圈。 線圈制造包含多道復(fù)雜工序， 如繞線、浸漆、 烘干固化、 電氣測量等。 次級線圈的漆包線直徑只有0.226 mm， 每個(gè)線圈1 700 匝， 一套RPI 56 100 匝， 繞制極為困難， 容易出現(xiàn)塌層；由于漆包線外層為光滑的絕緣層， 排列緊密后浸漆難度加大， 不易浸透。

通過數(shù)百次的線圈試制、 解剖， 終于摸索出了一套合格的繞線、 浸漆、 固化工藝， 并通過了約18 個(gè)月的耐熱性評定試驗(yàn)， 驗(yàn)證了線圈的使用壽命達(dá)到40 年。

3 性能分析

為驗(yàn)證新型RPI 樣機(jī)主要技術(shù)參數(shù)是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求以及性能和制造技術(shù)的可靠性， 設(shè)計(jì)了工程樣機(jī)鑒定試驗(yàn)操作規(guī)范， 包括基準(zhǔn)試驗(yàn)、 設(shè)備性能隨時(shí)間變化試驗(yàn)、 電磁兼容試驗(yàn)、 長周期運(yùn)行試驗(yàn)等， 考核樣機(jī)的綜合性能指標(biāo)。

3.1 外觀檢查、 基準(zhǔn)試驗(yàn)

參考相關(guān)規(guī)范進(jìn)行檢查：

?外觀檢查： 檢驗(yàn)樣機(jī)焊縫是否完整， 檢查緊固件是否安裝到位無松動(dòng)；

?基準(zhǔn)試驗(yàn)： 直流電阻測試、 絕緣試驗(yàn)、 耐壓試驗(yàn)， 試驗(yàn)數(shù)據(jù)趨勢分析詳見圖3～8， 均滿足設(shè)計(jì)要求。

圖3 A 組線圈輸出電壓曲線

?基本功能和性能測試。

新型RPI 樣機(jī)外觀檢查、 基準(zhǔn)試驗(yàn)、 基本功能和性能測試均滿足設(shè)計(jì)要求。

圖4 B 組線圈輸出電壓曲線

圖5 C 組線圈輸出電壓曲線

圖6 D 組線圈輸出電壓曲線

圖7 F 組線圈輸出電壓曲線

圖8 閾值電壓測定波形圖

3.2 評定設(shè)備性能隨時(shí)間變化的試驗(yàn)

RPI 樣機(jī)通過了評價(jià)設(shè)備性能隨時(shí)間變化的試驗(yàn)考驗(yàn)， 該試驗(yàn)包含振動(dòng)試驗(yàn)、 環(huán)境試驗(yàn)（高溫（干熱）試驗(yàn)、 低溫（冷）試驗(yàn)、 交變濕熱試驗(yàn)）、 極限壓力試驗(yàn)。

3.2.1 振動(dòng)試驗(yàn)

本試驗(yàn)要驗(yàn)證在正常振動(dòng)工作環(huán)境中， RPI樣機(jī)設(shè)備性能是否滿足設(shè)計(jì)要求。

（1）振動(dòng)響應(yīng)檢查

沿X/Y/Z 3 個(gè)直角方向施加的正弦波振動(dòng)， 以10～2 000 Hz 連續(xù)掃描， 頻率變化以每分鐘1 倍頻程的速度進(jìn)行， 掃描1 次。 在交越頻率57 Hz 以下， 以0.15 mm 恒定位移掃描； 在57 Hz 以上，以2g 恒定加速度掃描。

（2）掃頻耐久試驗(yàn)

沿X/Y/Z 3 個(gè)直角方向施加的正弦波振動(dòng)， 以10～2 000 Hz 連續(xù)掃描， 頻率變化以每分鐘1 倍頻程的速度進(jìn)行， 掃描2 次。 在交越頻率57 Hz 以下， 以0.15 mm 恒定位移掃描； 在57 Hz 以上，以2g 恒定加速度掃描。

（3）定頻耐久試驗(yàn)

可選擇振動(dòng)響應(yīng)檢查出的危險(xiǎn)頻率， 或者采用0.8～1.2 倍危險(xiǎn)頻率的近固定頻率掃頻。 在交越頻率57 Hz 以下， 以0.15 mm 恒定位移掃描； 在57 Hz 以上， 以2g 恒定加速度掃描。 持續(xù)時(shí)間10±0.5 min。

（4）完成后檢查外觀和各電氣性能

3.2.2 環(huán)境試驗(yàn)

?高溫（干熱）試驗(yàn)： 檢驗(yàn)RPI 樣機(jī)是否在設(shè)置的極限高溫下使用和（或）儲存的適應(yīng)性。

?低溫（冷）試驗(yàn)： 檢驗(yàn)RPI 樣機(jī)是否在設(shè)置的極限低溫下使用和（或）儲存的適應(yīng)性。

?交變濕熱試驗(yàn)： 檢驗(yàn)RPI 樣機(jī)在設(shè)置的溫度循環(huán)變化和濕熱條件下使用和儲存的適應(yīng)性。

3.2.3 極限壓力試驗(yàn)

將RPI 工程樣機(jī)放入密閉容器中， 充入氮?dú)猓訅褐?.56 MPa， 保壓30 min， 然后卸壓， 然后進(jìn)行外觀和電氣性能檢測。

3.3 電磁兼容試驗(yàn)

RPI 樣機(jī)經(jīng)受住了電磁兼容試驗(yàn)， 包括靜電放電抗擾度試驗(yàn)、 射頻電磁場輻射抗擾度試驗(yàn)、 射頻場感應(yīng)的傳導(dǎo)騷擾抗擾度試驗(yàn)、 工頻磁場抗擾度試驗(yàn)。

3.3.1 靜電放電抗擾度試驗(yàn)

由于人體靜電感應(yīng)對儀器可能帶來危害， 試驗(yàn)?zāi)康臋z查RPI 樣機(jī)外部任何一點(diǎn)， 由于操作者所加的靜電感應(yīng)信號是否能引起被試設(shè)備破壞或性能下降。 試驗(yàn)嚴(yán)酷度等級按3 級標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行， 驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)： B。

3.3.2 射頻電磁場輻射抗擾度試驗(yàn)

射頻電磁場輻射抗擾度試驗(yàn)， 測試RPI 樣機(jī)對射頻電磁場的抗擾度。 試驗(yàn)嚴(yán)酷按3 級標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行， 驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)： B。

3.3.3 射頻場感應(yīng)的傳導(dǎo)騷擾抗擾度試驗(yàn)

射頻場感應(yīng)的傳導(dǎo)騷擾抗擾度試驗(yàn)， 測試RPI 樣機(jī)對射頻電磁場感應(yīng)的傳導(dǎo)騷擾的抗擾度。試驗(yàn)嚴(yán)酷按3 級標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行， 按照驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)B 進(jìn)行判定。

3.3.4 工頻磁場抗擾度試驗(yàn)

檢查RPI 樣機(jī)對于其特定位置和按照條件（如設(shè)備靠近騷擾源）相關(guān)的工頻磁場時(shí)的抗擾度。 試驗(yàn)按4 級標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行， 按驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)B 進(jìn)行判定。

3.4 長期穩(wěn)定性運(yùn)行試驗(yàn)

RPI 樣機(jī)進(jìn)行完以上試驗(yàn)后， 應(yīng)在CRDM 試驗(yàn)臺架上進(jìn)行長期穩(wěn)定性運(yùn)行試驗(yàn)， 在熱態(tài)工況下（286 ℃、15.5 MPa）進(jìn)行168 h 的往復(fù)運(yùn)行試驗(yàn)，RPI 波形無異常， 棒位顯示精度應(yīng)在-6～+7 步。

3.5 鑒定試驗(yàn)結(jié)論

鑒定試驗(yàn)顯示新型棒位探測器樣機(jī)主要技術(shù)參數(shù)達(dá)到甚至部分優(yōu)于設(shè)計(jì)要求， 驗(yàn)證了公司新型棒位探測器的性能和制造技術(shù)的可靠性， 基準(zhǔn)試驗(yàn)、 設(shè)備性能隨時(shí)間變化試驗(yàn)、 電磁兼容試驗(yàn)、長周期運(yùn)行試驗(yàn)等順利實(shí)施， 各項(xiàng)綜合性能指標(biāo)均滿足要求。

4 結(jié)束語

通過近半年的研制， 公司順利完成了新型棒位探測器的設(shè)計(jì)、 樣機(jī)試制和鑒定試驗(yàn)， 各項(xiàng)數(shù)據(jù)均滿足設(shè)計(jì)要求。 實(shí)現(xiàn)了棒位探測器的國產(chǎn)化制造， 積累了制造核心技術(shù)和大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為后續(xù)三代棒位探測器及相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。