控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)隔磁片失效機(jī)理研究及設(shè)計(jì)優(yōu)化

王德斌，錢 浩，劉 剛，許艷濤，詹陽(yáng)烈WANG De-bin， QIAN Hao， LIU Gang， XU Yan-tao， ZHAN Yang-lie（上海核工程研究設(shè)計(jì)院，上海 200233）

控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)隔磁片失效機(jī)理研究及設(shè)計(jì)優(yōu)化

王德斌，錢 浩，劉 剛，許艷濤，詹陽(yáng)烈
WANG De-bin， QIAN Hao， LIU Gang， XU Yan-tao， ZHAN Yang-lie
（上海核工程研究設(shè)計(jì)院，上海 200233）

壓水反應(yīng)堆采用完全機(jī)械補(bǔ)償?shù)呢?fù)荷跟蹤模式，對(duì)控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)壽命提出了更高要求。針對(duì)控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)壽命試驗(yàn)中的隔磁片破損事件，介紹了破損隔磁片的檢測(cè)情況，并對(duì)隔磁片失效機(jī)理進(jìn)行了分析。結(jié)果顯示，隔磁片失效是一個(gè)沖擊、疲勞、腐蝕綜合作用的失效過(guò)程。同時(shí)提出了隔磁片結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化方案，樣機(jī)壽命試驗(yàn)結(jié)果證明，該設(shè)計(jì)優(yōu)化方案能夠有效延長(zhǎng)隔磁片疲勞壽命，提高機(jī)構(gòu)可靠性。

控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)；隔磁片；失效機(jī)理；設(shè)計(jì)優(yōu)化

0　引言

磁力提升步躍式控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（Control Rod Drive Mechanism， CRDM）是壓水堆核電廠中用來(lái)改變或保持控制棒插入燃料組件的高度，以實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆的啟停和功率調(diào)節(jié)的電磁驅(qū)動(dòng)機(jī)械裝置［1］，結(jié)構(gòu)如圖1所示。為滿足運(yùn)行需要，控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)在設(shè)計(jì)壽期內(nèi)將經(jīng)歷數(shù)百萬(wàn)步的步躍運(yùn)行。目前大量在役的第二代壓水反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)壽命為40年左右，這類反應(yīng)堆較少進(jìn)行日常功率調(diào)節(jié)和電網(wǎng)負(fù)荷跟蹤，所用驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)鉤爪部件設(shè)計(jì)壽命約為200萬(wàn)步。而如今新建的第三代壓水反應(yīng)堆，其設(shè)計(jì)壽命均為60年，且能夠較好地滿足電網(wǎng)負(fù)荷跟蹤要求，故控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)鉤爪部件的壽命要求也隨之提高。某三代核電廠反應(yīng)堆采用完全機(jī)械補(bǔ)償?shù)呢?fù)荷跟蹤模式，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)鉤爪部件設(shè)計(jì)壽命為600萬(wàn)步，達(dá)到原有要求的3倍。

圖1　控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)步躍動(dòng)作過(guò)程中，電磁線圈會(huì)按控制時(shí)序通電/斷電而產(chǎn)生交變電磁場(chǎng)，磁極/銜鐵在磁場(chǎng)中被交替磁化和退磁。磁化時(shí)二者之間產(chǎn)生的電磁力拉動(dòng)銜鐵直線向上運(yùn)動(dòng)，沖擊到磁極上，并與之吸合。退磁時(shí)銜鐵在彈簧和重力的作用下與磁極分離，并直線向下運(yùn)動(dòng)，回到初始位置。銜鐵的運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)連桿-鉤爪機(jī)構(gòu)動(dòng)作，完成鉤爪與驅(qū)動(dòng)桿的嚙合和釋放，及驅(qū)動(dòng)桿和控制棒組件的提升與下插。為了加快磁極和銜鐵的分離速度，提高機(jī)構(gòu)動(dòng)作頻率，在磁極和銜鐵之間設(shè)置有不導(dǎo)磁材料制成的隔磁片。

上述三代核電廠反應(yīng)堆所使用的600萬(wàn)步設(shè)計(jì)壽命的控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，原采用了304奧氏體不銹鋼隔磁片，而在壽命驗(yàn)證試驗(yàn)中，機(jī)構(gòu)運(yùn)行到300萬(wàn)步即發(fā)現(xiàn)隔磁片裂紋，運(yùn)行到600萬(wàn)步時(shí)，隔磁片裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展至形成碎片。采用相同設(shè)計(jì)的控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)在另一家制造廠再次進(jìn)行了鑒定試驗(yàn)，600萬(wàn)步結(jié)束時(shí)，發(fā)現(xiàn)提升隔磁片也已破裂成兩個(gè)環(huán)面。破損隔磁片如圖2所示，左圖顯示試驗(yàn)后的鉤爪部件，右上為剛拆卸下來(lái)的破損隔磁片，右下為經(jīng)表面清理用于檢測(cè)的破損隔磁片。

圖2　破損隔磁片

控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)作為反應(yīng)堆內(nèi)的反應(yīng)性快速調(diào)節(jié)裝置，承擔(dān)著事故工況下緊急釋棒停堆的安全功能。而隔磁片破損產(chǎn)生的碎片，具有妨礙機(jī)構(gòu)執(zhí)行其安全功能的潛在可能性。同時(shí)，金屬碎片也是不允許在反應(yīng)堆一回路中存在的。因此，本文對(duì)控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)隔磁片的失效機(jī)理進(jìn)行了分析和研究，并提出優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，采用該優(yōu)化方案的控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)通過(guò)了試驗(yàn)鑒定。

1　破損隔磁片檢驗(yàn)

為了分析隔磁片的失效機(jī)理，對(duì)制造廠中拆卸下來(lái)的破損隔磁片（圖2）的外表面和斷面進(jìn)行了檢測(cè)。從圖1中看出，隔磁片一面受磁極支撐定位，簡(jiǎn)稱為支撐面；另一面由彈簧壓緊，且承受銜鐵沖擊作用，簡(jiǎn)稱為沖擊面。對(duì)破損隔磁片表面的目視和低倍放大鏡檢查結(jié)果（圖3）顯示，沖擊面十分粗糙，具有較深的蝕坑和很多刻痕，蝕坑和刻痕大都靠近整個(gè)隔磁片環(huán)面的中心，且多分布在彈簧接觸區(qū)的外緣。而支撐面也有蝕坑，但深度和出現(xiàn)范圍更小。

圖3　破損隔磁片表面檢查

隔磁片斷面的掃描電鏡檢查結(jié)果如圖4所示，圖中上表面顯示的為沖擊面，下表面為支撐面。掃描結(jié)果顯示，樣件斷裂為腐蝕疲勞斷裂，屬于多源疲勞。裂紋源均分布于隔磁片表面，且多在表面腐蝕孔處。

根據(jù)隔磁片檢測(cè)結(jié)果，可以推測(cè)在承載時(shí)，沖擊面受到壓應(yīng)力，而支撐面受到拉應(yīng)力。沖擊面蝕孔缺陷處的應(yīng)力集中被壓應(yīng)力抵消了，即使形成了裂紋也不易擴(kuò)展。而支撐面蝕孔部位在周期拉應(yīng)力的作用下，形成裂紋且易于擴(kuò)展，導(dǎo)致最終斷裂。同時(shí)，沖擊面在壓應(yīng)力的作用下出現(xiàn)大量塑性變形區(qū)，進(jìn)一步抵消了蝕孔等缺陷處的應(yīng)力集中。

圖4　破損隔磁片斷面形貌

2　失效機(jī)理分析

基于控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)作特性、運(yùn)行環(huán)境，及隔磁片檢測(cè)結(jié)果，現(xiàn)對(duì)隔磁片失效機(jī)理進(jìn)行分析。

2.1沖擊疲勞

在控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)完成的每一個(gè)步躍動(dòng)作中，提升銜鐵和提升磁極都要吸合，隔磁片要承受一次銜鐵負(fù)載的沖擊。而控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)壽命試驗(yàn)中，機(jī)構(gòu)需連續(xù)步躍運(yùn)行數(shù)百萬(wàn)步，即隔磁片會(huì)經(jīng)歷數(shù)百萬(wàn)次的連續(xù)沖擊?；跈C(jī)構(gòu)的實(shí)際運(yùn)行工況，結(jié)合以上破損隔磁片的檢驗(yàn)結(jié)果，判斷沖擊和疲勞是隔磁片斷裂失效的重要原因。

單個(gè)步躍動(dòng)作中，隔磁片的受沖擊過(guò)程可以分為兩個(gè)階段：1）銜鐵在電磁力的提升下，克服重力、彈簧力、流阻等阻力的作用，向上運(yùn)動(dòng)直至間隙閉合，與隔磁片貼合。2）銜鐵與隔磁片貼合后，銜鐵負(fù)載的沖擊動(dòng)能轉(zhuǎn)化為彈性勢(shì)能，隔磁片和磁極受到壓縮，隔磁片承受沖擊力。圖5為這兩個(gè)階段的示意圖，x指銜鐵的位移，δ指磁極和銜鐵間的設(shè)計(jì)間隙值。

圖5　隔磁片受沖擊過(guò)程

以上兩個(gè)階段可以簡(jiǎn)化為兩個(gè)運(yùn)動(dòng)方程，根據(jù)控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算得出，提升動(dòng)作過(guò)程中提升銜鐵碰撞前的末速度約為0.4米/秒，與該類型機(jī)構(gòu)的歷史試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本相符。

從圖1所示的控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)上看出，隔磁片的支撐面始終與磁極貼合，而沖擊面可以分為內(nèi)環(huán)區(qū)域和外環(huán)區(qū)域，內(nèi)環(huán)區(qū)域始終承受壓緊彈簧施加的彈簧載荷，外環(huán)區(qū)域所受到的載荷則取決于銜鐵的接觸與否，銜鐵接觸時(shí)承受沖擊力，銜鐵分離時(shí)不承載。在沖擊過(guò)程中，隔磁片的應(yīng)力狀態(tài)并非均勻分布。根據(jù)該邊界條件和隔磁片受沖擊過(guò)程分析得到的結(jié)果，采用解析方程和限元方法進(jìn)行應(yīng)力分析，可計(jì)算得出沖擊時(shí)隔磁片上最大切向拉應(yīng)力的產(chǎn)生位置發(fā)生在環(huán)面內(nèi)部。

試驗(yàn)機(jī)構(gòu)中破損隔磁片上環(huán)向裂痕（如圖2所示）出現(xiàn)的位置與計(jì)算結(jié)果一致，顯示以上計(jì)算模型較為準(zhǔn)確的描述了隔磁片所受沖擊力和應(yīng)力分布。

2.2表面腐蝕

試驗(yàn)后的破損隔磁片從機(jī)構(gòu)上拆卸下來(lái)后，未經(jīng)清理的表面呈現(xiàn)焦黑顏色和凹凸不平，顯示為較多腐蝕坑。將表面清理后，隔磁片顏色恢復(fù)金屬光澤，依然有斑駁蝕坑留存，如圖2所示?？刂瓢趄?qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)壽命試驗(yàn)近似模擬了反應(yīng)堆一回路冷卻劑環(huán)境，鉤爪部件全部浸沒(méi)在高溫高壓水環(huán)境中。高溫高壓水環(huán)境下，奧氏體不銹鋼表面腐蝕也是隔磁片潛在失效原因的一種。

關(guān)于304奧氏體不銹鋼在壓水堆一回路條件下的腐蝕特性，文獻(xiàn)［2］研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)14天模擬壓水堆一回路條件腐蝕環(huán)境后，不銹鋼表面由光亮的金屬光澤變?yōu)椴厍嗌趸ぞ鶆蛑旅?。而?jīng)過(guò)34天高溫腐蝕后，不銹鋼表面的顏色加深，變?yōu)楹谏?；之后的氧化過(guò)程中表面顏色保持不變。但這種黑色氧化層厚度不是均勻的，經(jīng)過(guò)70天的腐蝕后，局部表面氧化層就出現(xiàn)了脫落。

奧氏體不銹鋼在壓水堆一回路條件下的腐蝕特性，較好的解釋了壽命試驗(yàn)中破損隔磁片表面的黑色產(chǎn)物，及隔磁片表面的凹凸不平。在銜鐵的撞擊下，隔磁片表面不均勻厚度的腐蝕產(chǎn)物更容易脫落，從而留下蝕坑。

2.3氣蝕

本次控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)壽命試驗(yàn)中，奧氏體不銹鋼隔磁片在300萬(wàn)步時(shí)即發(fā)現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象。而根據(jù)歷史經(jīng)驗(yàn)，采用相同隔磁片設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)曾經(jīng)運(yùn)行到超過(guò)300萬(wàn)步而沒(méi)有發(fā)現(xiàn)裂紋。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，以前的壽命試驗(yàn)溫度為285℃，而本次壽命試驗(yàn)的溫度為321℃。壽命試驗(yàn)溫度提高，導(dǎo)致試驗(yàn)回路中冷卻劑的飽和壓力提高，從而試驗(yàn)回路中的過(guò)壓就降低了。即回路壓力超出冷卻劑飽和壓力的裕量較少，出現(xiàn)氣蝕現(xiàn)象的可能性變大，表面汽蝕也是隔磁片失效的潛在原因之一。

在控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)磁極和銜鐵快速分離時(shí)，隔磁片附近局部區(qū)域的水壓會(huì)急劇降低；而當(dāng)水壓降低到飽和壓力以下時(shí)，隔磁片表面會(huì)出現(xiàn)蒸汽氣泡。在銜鐵再次與磁極吸合時(shí)，蒸汽氣泡破裂，破裂形成的噴液沖擊到隔磁片表面，導(dǎo)致微裂紋產(chǎn)生。這個(gè)過(guò)程即為氣蝕，圖6為其原理圖。微裂紋一旦產(chǎn)生，材料特性不再具有勻質(zhì)性，承載情況下裂紋將在尖端持續(xù)擴(kuò)展。

圖6　氣蝕原理圖

以上分析可知，控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)壽命試驗(yàn)中隔磁片破損是一個(gè)沖擊、疲勞、腐蝕綜合作用的失效過(guò)程。腐蝕或氣蝕，為失效提供了初始裂紋源。沖擊和疲勞，導(dǎo)致了裂紋的擴(kuò)展及隔磁片的最終失效。

3　設(shè)計(jì)優(yōu)化方案

基于失效機(jī)理分析結(jié)果，可以對(duì)隔磁片設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，以提高隔磁片在運(yùn)行環(huán)境下的疲勞壽命。

1）將隔磁片材料由奧氏體不銹鋼改為鎳基合金。鎳基合金能夠有效提高隔磁片抗腐蝕和抗疲勞損傷能力，且相較奧氏體不銹鋼，鎳基合金具有更高的強(qiáng)度。在承受沖擊壓力的情況下，鎳基合金隔磁片能夠顯著提高疲勞壽命。

2）在單片隔磁片的基礎(chǔ)上，增加緩沖片結(jié)構(gòu)。通過(guò)在隔磁片背后增加緩沖片結(jié)構(gòu)（如圖7所示），能夠提高支撐結(jié)構(gòu)阻尼，同時(shí)分散部分沖擊能量，降低隔磁片所受沖擊力，提高其疲勞壽命。

圖7　設(shè)計(jì)優(yōu)化方案

采用該優(yōu)化方案設(shè)計(jì)的控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)鉤爪部件，在相同的試驗(yàn)條件下進(jìn)行了步躍壽命試驗(yàn)，機(jī)構(gòu)運(yùn)行到600萬(wàn)步后，對(duì)隔磁片進(jìn)行了檢查，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何裂紋。

4　結(jié)論

針對(duì)某三代核電廠反應(yīng)堆所用控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)在壽命試驗(yàn)中發(fā)生的隔磁片破損事件，本文介紹了破損隔磁片的檢測(cè)情況，并對(duì)隔磁片的失效機(jī)理進(jìn)行了分析，同時(shí)提出的設(shè)計(jì)優(yōu)化方案，有效地延長(zhǎng)了隔磁片使用壽命，提高了控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的可靠性。結(jié)論如下：

1）奧氏體不銹鋼隔磁片在控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)壽命試驗(yàn)中的破損，是一個(gè)沖擊、疲勞、腐蝕綜合作用的失效過(guò)程。腐蝕或氣蝕，提供了初始裂紋源。沖擊和疲勞，導(dǎo)致了裂紋的擴(kuò)展及隔磁片的最終失效。

2）將隔磁片材料由奧氏體不銹鋼改為鎳基合金，并在單片隔磁片的基礎(chǔ)上，增加緩沖片結(jié)構(gòu)。試驗(yàn)證明，該設(shè)計(jì)優(yōu)化方案能夠有效解決了隔磁片失效問(wèn)題。

［1］ 孫漢虹，程平東，繆鴻興，張維忠，朱鑫官，翁明輝.第三代核電技術(shù)AP1000［M］.中國(guó)電力出版社，2010，9.

［2］ 彭德全，胡石林，張平柱，王輝.304L在模擬壓水堆一回路條件下長(zhǎng)期均勻腐蝕性能的研究［J］.中國(guó)腐蝕與防護(hù)學(xué)報(bào)2013，08.

Failure analysis and design optimization of
non-magnetic shim in control rod drive mechanism

TL351.5

A

1009-0134（2016）08-0107-04

2016-06-17

國(guó)家科技重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目（2011ZX06002-002）

王德斌（1983 -），男，甘肅人，工程師，碩士，主要從事核電站反應(yīng)堆設(shè)備設(shè)計(jì)研究工作。