反應(yīng)堆廠房?jī)?nèi)環(huán)境對(duì)磁性數(shù)顯定位設(shè)備的影響研究

黃新東 洪 龍 王炳炎 段春輝 任 荷

（中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院 核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都610041）

0 引言

現(xiàn)行核電廠裝卸料工藝采用數(shù)控裝卸料機(jī)，其定位精度約3mm，在換料時(shí)需要人工全程監(jiān)控、節(jié)點(diǎn)確認(rèn)和實(shí)時(shí)干預(yù)，存在定位機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作員勞動(dòng)強(qiáng)度大、人因干擾因數(shù)較大等情況。如在核電廠裝卸料系統(tǒng)中采用磁性數(shù)顯定位技術(shù)，可簡(jiǎn)化定位裝置的結(jié)構(gòu)，提高其可靠性和維修性，并可提高數(shù)控裝卸料機(jī)的定位精度，為初步實(shí)現(xiàn)數(shù)控裝卸料機(jī)的無人化、全自動(dòng)化和遠(yuǎn)程遙控創(chuàng)造條件。但裝卸料系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境惡劣，除溫度、濕度外，反應(yīng)堆廠房?jī)?nèi)的高輻照環(huán)境也可能對(duì)磁性數(shù)顯設(shè)備的使用性能產(chǎn)生影響。因此，為了將該技術(shù)應(yīng)用于核電廠反應(yīng)堆裝卸料領(lǐng)域，必須研究反應(yīng)堆廠房環(huán)境對(duì)磁性數(shù)顯設(shè)備的影響。

1 技術(shù)方案、關(guān)鍵技術(shù)及解決途徑

1.1 技術(shù)方案

本課題的研究采用調(diào)研、試驗(yàn)的方法，測(cè)量并對(duì)比磁性數(shù)顯定位設(shè)備在模擬的反應(yīng)堆廠房?jī)?nèi)高溫、高濕、高輻射環(huán)境條件下的使用性能的變化情況，根據(jù)所得出的具體數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和計(jì)算，在對(duì)比現(xiàn)有成熟技術(shù)的基礎(chǔ)上，研究論證磁性數(shù)顯定位設(shè)備在反應(yīng)堆廠房?jī)?nèi)進(jìn)行工程運(yùn)用的可行性，并制定磁性數(shù)顯定位技術(shù)運(yùn)用于反應(yīng)堆核燃料裝卸系統(tǒng)的技術(shù)方案。

1.2 技術(shù)指標(biāo)

按照《大亞灣核電站系統(tǒng)及運(yùn)行》、《廣東核電站系統(tǒng)手冊(cè)》、《秦山核電工程》、《核儀器環(huán)境條件與試驗(yàn)方法》、《電工電子產(chǎn)品基本環(huán)境試驗(yàn)規(guī)程 試驗(yàn)Ka：鹽霧試驗(yàn)方法》等文件、標(biāo)準(zhǔn)的描述，以及大亞灣核電站輻照測(cè)量數(shù)據(jù)及近海岸大氣環(huán)境調(diào)研數(shù)據(jù)，在反應(yīng)堆正常運(yùn)行時(shí)，堆廠房?jī)?nèi)的環(huán)境溫度為15℃～45℃、20m平臺(tái)放射性劑量水平＜20mSv/h、環(huán)境鹽霧：＞2mg/m3[1－2]；按 GB8993-1998 選擇本課題的試驗(yàn)為I組3K4， 其環(huán)境濕度約 90～95%、 環(huán)境氣壓 86 kPa～106kPa[3]；按GB2423.17-1993 的規(guī)定，鹽霧試驗(yàn)溫度為 35±2℃[4]。綜上所述，選擇本課題技術(shù)環(huán)境模擬技術(shù)指標(biāo)為：模擬環(huán)境溫度10℃～50℃、模擬環(huán)境濕度100%、模擬環(huán)境放射性劑量水平＜20mSv/h、模擬環(huán)境氣壓：86 kPa～106kPa、模擬環(huán)境鹽霧：＞2mg/m3。在模擬環(huán)境試驗(yàn)中采用的試驗(yàn)件規(guī)格為：PGHW25C，長(zhǎng)度為 900mm（見圖 1）。

1.3 關(guān)鍵技術(shù)及其解決途徑

1.3.1 反應(yīng)堆廠房?jī)?nèi)環(huán)境條件模擬技術(shù)

綜合模擬實(shí)際反應(yīng)堆廠房?jī)?nèi)環(huán)境條件比較困難，而將試驗(yàn)件放入實(shí)際反應(yīng)堆廠房?jī)?nèi)進(jìn)行試驗(yàn)又會(huì)面臨溝通、試驗(yàn)設(shè)施的設(shè)置、數(shù)據(jù)測(cè)量和研究周期較長(zhǎng)等困難。因此將環(huán)境因素分解后進(jìn)行分項(xiàng)模擬試驗(yàn)

反應(yīng)堆廠房?jī)?nèi)環(huán)境因素主要為溫度因素、濕度因素、輻射因素、粉塵因素、鹽霧因素。因此現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境對(duì)磁性數(shù)顯定位設(shè)備的影響可分解為上述環(huán)境因素對(duì)磁性數(shù)顯定位設(shè)備的單獨(dú)影響。由于磁性數(shù)顯定位設(shè)備的測(cè)量特性不因含油、水、粉塵等惡劣工作環(huán)境而改變。所以，可不進(jìn)行對(duì)粉塵因素影響的研究。由于前期調(diào)研發(fā)現(xiàn)磁性數(shù)顯定位設(shè)備的工作溫度為0℃～50℃、貯存溫度為-5℃～70℃，而反應(yīng)堆運(yùn)行期間反應(yīng)堆廠房?jī)?nèi)的溫度最低為15℃，最高為50℃。所以，可不進(jìn)行對(duì)溫度因素影響的研究。

通過高濕環(huán)境模擬試驗(yàn)、鹽霧環(huán)境模擬試驗(yàn)，使用專用試驗(yàn)容器和相關(guān)裝置模擬反應(yīng)堆廠房?jī)?nèi)的濕度、鹽霧環(huán)境進(jìn)行試驗(yàn)，取得濕度和鹽霧模擬試驗(yàn)的測(cè)量結(jié)果；通過尋找合適的輻照站模擬反應(yīng)堆廠房?jī)?nèi)的輻射環(huán)境進(jìn)行放射性模擬試驗(yàn)，取得輻照模擬試驗(yàn)的測(cè)量結(jié)果。為縮短試驗(yàn)時(shí)間，在計(jì)算出設(shè)備預(yù)期壽命期接受的照射總劑量后，采取適當(dāng)加大照射劑量的方法進(jìn)行試驗(yàn)。

1.3.2 在試驗(yàn)條件下磁性數(shù)顯定位設(shè)備使用性能的測(cè)量技術(shù)

由于模擬環(huán)境的影響，如果采用在線測(cè)量取得測(cè)量結(jié)果，可能會(huì)面臨測(cè)量?jī)x器也受模擬環(huán)境影響而產(chǎn)生較大測(cè)量誤差的情況?？刹捎秒x線測(cè)量取得測(cè)量結(jié)果。即在試驗(yàn)前對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行測(cè)量和標(biāo)定，將試驗(yàn)件放入模擬環(huán)境中達(dá)到一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間后，取出試驗(yàn)件并進(jìn)行運(yùn)行和測(cè)量，然后再將試驗(yàn)件放入模擬環(huán)境中，以此類推直至達(dá)到試驗(yàn)規(guī)定時(shí)間或試驗(yàn)件失效為止，從而取得測(cè)量結(jié)果。在試驗(yàn)中，使用雙頻激光干涉儀（見圖2）對(duì)磁性數(shù)顯定位裝置的定位精度進(jìn)行測(cè)量，其不確定度為 0.04μm。

圖1 磁性數(shù)顯定位裝置試驗(yàn)件Fig.1 Magnetic Locating Device With Display Unit

圖2 雙頻激光干涉儀Fig.2 Double Frequency Laser Interferometer

2 試驗(yàn)

2.1 輻照模擬試驗(yàn)

根據(jù)研究的需要，應(yīng)考察磁性數(shù)顯定位裝置在輻照環(huán)境下分別工作1年、2年、5年、10年的性能。在輻照試驗(yàn)前、后分別對(duì)試驗(yàn)件使用雙頻激光干涉儀進(jìn)行長(zhǎng)度定位精度計(jì)量檢定。參照《反應(yīng)堆廠房環(huán)境對(duì)磁性數(shù)顯定位裝置的影響研究總體技術(shù)方案》中的輻射劑量水平數(shù)據(jù)，可計(jì)算出每種情況的累積劑量，從而確定每種試驗(yàn)件輻照試驗(yàn)的時(shí)間，具體數(shù)據(jù)參照表1：

表1 輻射計(jì)量表Table1 RadiantIntensity

將試驗(yàn)樣品，包括磁尺、導(dǎo)軌和滑塊一起放入輻照腔內(nèi)按照正常工作10年的累積劑量進(jìn)行加速輻照實(shí)驗(yàn)，最后對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

2.2 高濕、鹽霧模擬試驗(yàn)

高濕、鹽霧環(huán)境試驗(yàn)時(shí)間為240h、480h兩個(gè)階段。在240h先時(shí)將試驗(yàn)件取出，進(jìn)行長(zhǎng)度定位精度計(jì)量檢定后,繼續(xù)進(jìn)行鹽霧試驗(yàn)至480h后取出進(jìn)行精度計(jì)量檢定。

為便于試驗(yàn)用溶液的調(diào)配，并加速試驗(yàn)件的腐蝕，設(shè)定試驗(yàn)采用鹽霧濃度為0.6克/升，是設(shè)備使用環(huán)境的鹽霧濃度的30萬倍。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)后編制了輻照模擬試驗(yàn)和高濕、鹽霧模擬試驗(yàn)的試驗(yàn)報(bào)告，并對(duì)相關(guān)試驗(yàn)件進(jìn)行了檢定。

3.1 輻照模擬試驗(yàn)結(jié)果與分析

在模擬核電站10年累計(jì)劑量的γ射線輻照后，磁性數(shù)顯定位設(shè)備中對(duì)定位測(cè)量最重要的磁條和磁性讀數(shù)頭部件的性能基本無變化，且滑塊在導(dǎo)軌上的滑動(dòng)順暢無阻滯。試驗(yàn)件檢定的絕對(duì)誤差分布見表2，對(duì)檢定數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析見圖3。

表2 輻照試驗(yàn)誤差分布表Table 2 Measurement Error Before and After Radiatio Experiment

圖3 磁性數(shù)顯定位裝置輻照前后檢測(cè)數(shù)據(jù)圖Fig.3 The Measuring Data of Magnetic Locating Device With Display Unit before and after experiment

在模擬核電站10年累計(jì)劑量的γ射線輻照后，磁性數(shù)顯定位設(shè)備中對(duì)定位測(cè)量最重要的磁條和磁性讀數(shù)頭部件的性能基本無變化，鋼制導(dǎo)軌雖然出現(xiàn)輕微的表面腐蝕現(xiàn)象，但基本不影響磁性數(shù)顯定位設(shè)備的定位精度。

3.2 高濕、鹽霧模擬試驗(yàn)結(jié)果與分析

在模擬近海岸大氣環(huán)境濕度與鹽霧時(shí)，為了加速試驗(yàn)件的腐蝕，將濕度增大到100%，鹽霧濃度增大30萬倍達(dá)到0.6克/升，試驗(yàn)結(jié)果顯示，磁條中間部位有1個(gè)點(diǎn)狀腐蝕（Φ1.5mm）（見圖7），在磁條的一端靠近端部約80mm處有1cm2的片狀腐蝕。

滑塊可在導(dǎo)軌上滑動(dòng)；除出現(xiàn)兩個(gè)腐蝕處外，其余磁條表面光滑平整未產(chǎn)生變形。

試驗(yàn)件檢定數(shù)據(jù)及誤差分布見表3、表4、表5，對(duì)檢定數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析見圖8。

圖4 磁體點(diǎn)狀腐蝕圖Fig.4 Punctate Erosion of the Magnet

表3 試驗(yàn)前測(cè)量結(jié)果Table 3 The Measuring Result Before Experiment

表4 試驗(yàn)后精度測(cè)量結(jié)果Table 4 The Error Measuring Result After Experiment

圖5 磁性數(shù)顯定位裝置鹽霧試驗(yàn)前后檢測(cè)數(shù)據(jù)圖表Fig.5 The Error Measuring Result of The Magnetic Locating Device With Display Unit Before and After Salt Mist Test

在試驗(yàn)中，磁性數(shù)顯定位設(shè)備檢定測(cè)量行程最大為0.66m。

所以，根據(jù)公式（2），磁性數(shù)顯定位設(shè)備的定位精度為：

Δ1=±（80+15×0.66）

=±0.0899 mm≈±0.09mm

經(jīng)過測(cè)量精度檢定，點(diǎn)狀腐蝕處的讀數(shù)精度未受影響，片狀腐蝕處的讀數(shù)精度為0.16mm。

所以，片狀腐蝕處的讀數(shù)精度下降了0.07mm。

3.3 采用理論計(jì)算疊加測(cè)量結(jié)果

本課題取得了輻照模擬試驗(yàn)和高濕、鹽霧模擬試驗(yàn)，取得了相應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。為了綜合分析環(huán)境因素的影響，對(duì)所取得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加以取得綜合誤差數(shù)據(jù)。

通常，對(duì)此類計(jì)算是采用均方根計(jì)算法進(jìn)行疊加，本課題為慎重起見，采用絕對(duì)值計(jì)算法進(jìn)行疊加，見表6，綜合誤差分布統(tǒng)計(jì)見圖6。

表5 綜合誤差表Table 5 Compositive Error

通過綜合誤差分布統(tǒng)計(jì)可知，輻照模擬試驗(yàn)和高濕、鹽霧模擬試驗(yàn)所模擬的環(huán)境因素對(duì)磁性數(shù)顯定位設(shè)備定位測(cè)量精度的影響不明顯。

由于磁性數(shù)顯定位設(shè)備本身的定位精度為±0.09mm，所以，從表5和圖6可看出：

a.在試驗(yàn)前，有 4 個(gè)誤差值大于 0.09mm，最大超差 0.0352mm（表中紅字）；

b.在試驗(yàn)后，有 5 個(gè)誤差值大于 0.09mm，最大超差 0.0948mm（表中蘭字）；

c.在試驗(yàn)前后，其余51個(gè)誤差值均小于0.09mm；

d.試驗(yàn)前正向平均綜合誤差為0.04277mm，試驗(yàn)后正向平均綜合誤差為0.05134mm，平均綜合誤差正向擴(kuò)散0.00857mm；試驗(yàn)前反向平均綜合誤差為0.05551mm，試驗(yàn)后反向平均綜合誤差為0.05592mm，平均綜合誤差反向擴(kuò)散0.00041mm。試驗(yàn)后超差現(xiàn)象沒發(fā)生擴(kuò)散，不具有普遍性，是個(gè)別現(xiàn)象；

e.試驗(yàn)前后的誤差絕對(duì)值均小于0.185mm。

圖6綜合誤差統(tǒng)計(jì)圖Fig.6 Compositive Error Graph

3.4 磁性數(shù)顯定位設(shè)備環(huán)境適應(yīng)性分析

通過輻照模擬試驗(yàn)和高濕、鹽霧模擬試驗(yàn)可發(fā)現(xiàn)，對(duì)磁性數(shù)顯定位設(shè)備而言，輻射因素的影響可忽略不計(jì)，高濕、鹽霧因素的影響為個(gè)別、局部的影響，且導(dǎo)致的設(shè)備定位精度下降程度在可接受的范圍內(nèi)。經(jīng)觀察，判定高濕、鹽霧模擬試驗(yàn)造成的磁條中間部位的點(diǎn)狀腐蝕和在磁條的一端靠近端部約80mm處的片狀腐蝕為個(gè)別現(xiàn)象；經(jīng)對(duì)讀數(shù)頭的結(jié)構(gòu)分析，發(fā)現(xiàn)讀數(shù)頭的磁電精密元件均封裝在膠狀體內(nèi)，與外界大氣環(huán)境隔絕，所以讀數(shù)頭性能基本未受高濕、鹽霧模擬環(huán)境的影響。

為防止磁條在反應(yīng)堆運(yùn)行期間的高濕環(huán)境中出現(xiàn)腐蝕，可采用以下方法：

第一種辦法，在反應(yīng)堆啟堆前，將磁條取出，送往AC廠房貯存。在裝卸料機(jī)運(yùn)行前復(fù)裝并檢查磁條；

第二種辦法：在磁條表面涂附有機(jī)防護(hù)層，防護(hù)層厚度應(yīng)不阻滯滑塊在導(dǎo)軌上滑動(dòng)，涂附溫度應(yīng)低于50℃，應(yīng)至少可承受5年累積劑量的照射而不失效。

不論采用采用哪種方法，在裝卸料機(jī)運(yùn)行前都必須對(duì)磁性數(shù)顯定位設(shè)備進(jìn)行零位檢查和調(diào)試；應(yīng)定期對(duì)磁性數(shù)顯定位設(shè)備進(jìn)行功能驗(yàn)證試驗(yàn)，以保證磁性數(shù)顯定位設(shè)備的可用性；應(yīng)按設(shè)備維修計(jì)劃定期更換零部件。

4 結(jié)論

磁性數(shù)顯定位設(shè)備在模擬核電站廠房?jī)?nèi)環(huán)境的輻射模擬試驗(yàn)和高濕、鹽霧模擬試驗(yàn)中表現(xiàn)優(yōu)良，定位精度≤±0.185mm。其中，輻射因素的影響可忽略不計(jì)，高濕、鹽霧因素的影響為個(gè)別、局部的影響，且導(dǎo)致的設(shè)備定位精度下降程度在可接受的范圍內(nèi)。所以，磁性數(shù)顯定位設(shè)備定位精度受環(huán)境因素影響較小，對(duì)核電站廠房環(huán)境適應(yīng)性較好。

現(xiàn)行核電廠采用數(shù)控裝卸料機(jī)，其綜合定位精度約±3毫米，而磁性數(shù)顯定位設(shè)備在模擬核電站10年累計(jì)劑量的γ射線輻照和濕度增大到100%、鹽霧濃度增大30萬倍的情況下，綜合定位精度仍能達(dá)到約±0.185mm。

所以，磁性數(shù)顯定位設(shè)備在核電站廠房?jī)?nèi)使用時(shí)，其定位精度在環(huán)境因素影響下仍能滿足高精度定位需求，可應(yīng)用于核電站、核能海水淡化廠、動(dòng)力堆裝卸料設(shè)備的運(yùn)動(dòng)定位測(cè)量領(lǐng)域。

［1］陳濟(jì)東.等.大亞灣核電站系統(tǒng)及運(yùn)行[M].

［2］歐陽予.等.秦山核電工程[M].

［3］李國(guó)祥.等.核儀器環(huán)境條件與試驗(yàn)方法（GB/T8993-1998）[S].

［4］劉慧貞.等.電工電子產(chǎn)品基本環(huán)境試驗(yàn)規(guī)程試驗(yàn)Ka：鹽霧試驗(yàn)方法（GB/T2423.17-1993）[S].