壓水堆核電廠控制棒導向卡磨損機理與檢測標準研究

章 濟，葉 琛，閆國華，周路生，謝晨江

(國核電廠運行服務(wù)技術(shù)有限公司，上海 200233)

核電的發(fā)展始終以安全為前提[1]?？刂瓢魧蛲彩呛朔磻?yīng)堆的重要組成部分，關(guān)乎核電安全運行?？刂瓢魧蛲步M件(CRGT)在反應(yīng)堆運行時，起到了確?？刂瓢艚M件(RCCA)快速插入的作用。其中，CRGT用來減小冷卻劑橫向作用力對落棒時間的影響，RCCA則是起到控制反應(yīng)堆功率，保證安全停堆的作用[2]。在導向筒內(nèi)上下分布著導向卡，用以引導控制棒，因此導向卡也至關(guān)重要。每個導向卡開有24個小孔，用來約束每一根控制棒，并且允許星形架從中間穿過，目的是使控制棒在運行期間能保持對齊。

目前核電廠導向卡的磨損越來越嚴重，有時甚至會導致計劃外停堆。因此，核電廠正逐步實施導向卡磨損測量。迄今為止，該項工作在M310機組上已經(jīng)實施過，而AP1000機組還未實施，原因是其并網(wǎng)時間較短沒有必要性。本文是基于國外測量的結(jié)果和測量技術(shù)，對導向卡孔徑大小的檢測標準進行研究，為第三代核電導向卡磨損測量提供參考。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

自從2009年西班牙核電廠發(fā)現(xiàn)了侵蝕性導向卡磨損之后，歐洲其他核電廠也陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象，壓水反應(yīng)堆業(yè)主聯(lián)合會(PWROG)啟動了由西屋公司牽頭的導卡磨損測量項目。最終發(fā)現(xiàn)只要是使用了“17×17A，AS和AXLR”類型導向筒的核電廠都會受到影響，隨后西屋公司發(fā)布了關(guān)于“滲氮控制棒組件引起的導向筒導向卡磨損”的報告。在2017年的材料信息技術(shù)交流會上，針對導向卡磨損問題，提出了使用離子氮化處理的RCCA，與鍍鉻或不銹鋼RCCA相比，可能會加速導向卡磨損的論斷。1992年西屋公司公布了導向卡磨損測量裝置的專利：控制棒導向筒檢查系統(tǒng)[3]，之后又對該裝置進行了若干改進。2015年，西屋公司開始研發(fā)一種連續(xù)性特殊導向技術(shù)。

法國的法馬通公司(Framatome)開發(fā)的控制棒導向筒檢查工具種類較多、方法更全。

國內(nèi)在這方面的研究成果主要來自中廣核檢測技術(shù)有限公司、中核武漢核電運行技術(shù)股份有限公司[4]等。據(jù)了解，目前國內(nèi)開發(fā)的控制棒導向卡檢測工具已經(jīng)成熟，具備現(xiàn)場使用的條件。導向卡三維模型如圖1所示。

圖1 導向卡三維模型圖Fig.1 The 3D model of the guide plate

2 導向卡磨損機理

在發(fā)電期間，堆芯有大范圍的振動，引起了控制棒和導向卡之間的磨擦，增加了RCCA的星形架不能對中的風險。隨著導向卡孔徑越磨越大，控制棒組件不再被正確引導。在這種情況下，控制棒和CRGT之間可能發(fā)生錯位，或在下降時受到干擾，嚴重情況下會導致RCCA卡死。1983年，西屋公司在分析磨損機理時，基于“縱向微動磨損”，針對性地提出了“沖擊微動磨損”的概念，并總結(jié)為以下兩種。

1)沖擊微動磨損，即由導向筒內(nèi)靠近控制棒和驅(qū)動桿的軸向和橫向的流致振動導致的磨損。

2)RCCA控制過程的步進磨損。導向卡磨損過程如圖2所示。

圖2 導向卡磨損過程Fig.2 The guide card wear process

在國外，針對導向卡磨損還進行過其他探索，如建立RCCA磨損過程的運動仿真。通過振動磨損試驗，驗證RCCA表面處理工藝對這種形式的磨損的抑制。通過增加液壓連桿機構(gòu)，開發(fā)了一種監(jiān)測反應(yīng)堆中RCCA磨損狀況的裝置。

3 導向卡磨損檢測標準

導向卡的侵蝕性磨損是非正常工況下發(fā)生的。而正常情況是指，當控制棒在穿過導向卡開口區(qū)域時，由于控制棒的微振動而產(chǎn)生磨損。目前導向卡的檢測標準主要來自《材料可靠性程序—壓水堆堆內(nèi)檢查和評估導則》，該導則明確了檢查方法、頻率、覆蓋率。其中提到，導向卡檢查的覆蓋率由CRGT數(shù)量的20%更改為：“根據(jù)WCAP-17451-P修訂版1的要求，檢查所有導向卡”。根據(jù)該報告，美國國內(nèi)的核電廠要在不遲于延壽開始后兩次換料大修，在不早于延壽開始前兩次換料大修進行檢測，隨后的檢查周期是10堆·年。另外，盡管落棒時間并不能直接反映導向卡的磨損情況。但需要根據(jù)落棒時間異常，反向排查原因，其中就包括了控制棒導向卡磨損。檢查的范圍應(yīng)至少包括下部導向筒內(nèi)的5個導向卡，因為它們往往磨損最大，必要時包括上部的導向卡和連續(xù)導向段。

3.1 導向卡磨損標準

導向卡內(nèi)孔韌帶區(qū)磨損的標準如圖3和圖4所示。

圖3 內(nèi)孔韌帶區(qū)標準Fig.3 The inner hole ligament criteria

圖4 內(nèi)孔韌帶區(qū)Fig.4 The ligament zone of the inner hole

如果有多個導向卡觀察到相似的磨損，那么在同一循環(huán)內(nèi)其他導向卡大概率不能幸免?；诜乐钩霈F(xiàn)完全磨損，避免控制棒逸出的基準，視導向卡磨損具體情況，對照表1和表2中進行區(qū)域劃分。該標準的劃分是基于觀察到的導向卡孔韌帶區(qū)的磨損量和允許磨損的導向卡的數(shù)量而定的。表中的參數(shù)定義如下：

表1 磨損標準劃分-達到類似磨損量的導向卡Table 1 Division of wear criteria - similarly worn guide cards

表2 磨損標準劃分-達到磨損量的導向卡數(shù)量Table 2 Division of wear criteria-the number of differently worn guide cards

n——除連續(xù)導向段外的所有導向卡數(shù)量；

DR——控制棒直徑；

W1——導向卡槽原始寬度；

W2=0.8×DR，W3=0.85×DR。

其中，W3是棒徑的85%，對導向卡磨損尺寸和磨損體積留有15%的裕度；W2是棒徑的80%，允許業(yè)主在至少一個換料周期內(nèi)，制定解決導向卡磨損問題的方案。

表3顯示了導向卡孔韌帶區(qū)磨損在三個不同區(qū)域的建議措施。

表3 不同磨損標準區(qū)域的推薦操作Table 3 Recommended practices for different wear criterion zones

3.2 導向卡驗收準則

導向卡磨損量超出驗收標準會嚴重危害電廠安全?？刂瓢舯旧砗鼙?，稍微偏離既定位置就不能平滑穿過導向卡，還可能會產(chǎn)生塑性變形或彎曲。導向卡磨損可大致分兩個階段，如圖5所示。

圖5 導向卡磨損階段Fig.5 The wear stage of the guide card

A階段—穿過整個韌帶區(qū)。可以觀察到導卡孔擴大，但磨損沒有延伸到導卡內(nèi)表面。

B階段—磨損區(qū)與導卡內(nèi)表面相交，但磨損后的孔仍然太窄，無法讓控制棒逸出。

在A階段，目視檢查能看到導向卡孔內(nèi)壁平坦、沒有絲狀磨痕。而從階段A過渡到B階段時，則是觀察到磨損區(qū)域與導向卡內(nèi)表面相交的尖銳角。流程圖如圖6所示。

圖6 導向卡磨損評估流程圖Fig.6 The flowchart of guide card wear assessment

計算導向卡磨損壽命邊界(要求檢查周期必須小于剩余磨損壽命)的步驟如下：

1)按照業(yè)主的程序執(zhí)行導向卡檢查，發(fā)現(xiàn)典型的磨損；

2)計算從階段A過渡到階段B時的磨損量體積(Va)；

3)計算導向筒內(nèi)表面磨損區(qū)寬度與控制棒直徑相等處的磨損體積(Vb)；

驗收標準為：

1)要求控制棒在導向卡孔中；

2)必須可以觀察到每個導向卡的所有孔的未磨損部分；

3)證明磨損仍處于A階段。

4 導向卡檢測技術(shù)

在大修期間，核電廠將上部堆內(nèi)構(gòu)件從壓力容器中取出，放置于反應(yīng)堆水池的底部。探頭從導向筒頂部中心位置，穿過直徑約58.6 mm的開口，靠輸送裝置進入導向筒內(nèi)，至水下9.14～12.19 m深，執(zhí)行遠程檢查。輸送裝置需要完成軸向運輸和周向旋轉(zhuǎn)兩個動作。由于現(xiàn)場的不可達，因此對進入導向筒內(nèi)進行目視檢查的裝置要求非?？量?，例如：耐輻照性能、狹小空間、水密性、測量精度。檢查期間測量三個參數(shù)：直徑、韌帶區(qū)(L1、L2)、槽寬。如圖7所示。

圖7 測量參數(shù)示意圖Fig.7 The schematic of measurement parameters

4.1 光學測量法

光學測量法是拍攝每個導向卡上4個內(nèi)孔韌帶區(qū)的圖片。因為內(nèi)孔韌帶區(qū)是磨損機制中影響最大的。其余的如外孔、C型管和套筒，只是進行錄像和目視檢查，并存儲視頻數(shù)據(jù)。早期的光學測量法，為了確保獲得數(shù)據(jù)的正確表征，在相機的正面安裝超聲波測距儀，用于測量從相機到被觀察導向卡的距離。對被測物和標尺一起拍照，把相對于標尺的變化引入校正比例因子。實現(xiàn)類似于圖像增強的功能。到2010年，隨著設(shè)備升級，光學法可以單靠一個攝像頭來完成[5-8]。目前，光學測量法缺點是精度不高，國內(nèi)某公司通過水下試驗測得平均精度為±0.5 mm。

法國阿?，m公司開發(fā)并認證了一種名為ECLIPSE的光學測量設(shè)備，該工具是基于陰影圖原理來實現(xiàn)測量的，即在背部光照條件下，從正面獲得圖片，再進行數(shù)據(jù)分析，以確定CRGT磨損輪廓和特性。測量孔徑或單向磨損量等數(shù)值特征，可達到±0.15 mm的精度，在行業(yè)內(nèi)具有很高的知名度。但是，基于視覺技術(shù)的檢測方法不能在導向卡連續(xù)段進行測量。

4.2 超聲檢測法

早在1996年法馬通公司公布了一篇專利，題為《用于檢查用于壓水核反應(yīng)堆上部內(nèi)部的導向管的導向元件的裝置和方法》。該專利裝置針對10.67 mm的孔徑，引入反射鏡，通過激光束的旋轉(zhuǎn)，構(gòu)建完整的輪廓。該裝置的特點包括：1)能夠精確測量遠小于1 mm的物體，其測頭可以替換為超聲或渦流探頭；2)該裝置設(shè)有6個徑向延伸的臂，各攜帶探頭，即每個導向卡需測4次，完成共計24個孔位的檢查；3)可浸入反應(yīng)堆水池中20 m深；4)工作時將激光束通過反射鏡射出；5)反射鏡可旋轉(zhuǎn)地安裝在檢查裝置的支撐件上；6)在探頭旋轉(zhuǎn)期間，實現(xiàn)對孔壁和探頭軸線之間距離變化的測量。

現(xiàn)在國內(nèi)采用水浸聚焦探頭，通過聲反射鏡來改變聲速方向，同時增加焦柱長度，提高檢驗靈敏度。對超聲檢驗得到的B掃信號，采用特定算法進行擬合，可精確測量導向卡孔的實際輪廓，測得磨損后的導向筒卡孔中心偏差及控制棒導向卡孔形狀改變。該工具擁有檢測精度高、檢測更全面等優(yōu)點[9-11]。

5 導向卡的改進措施

在2013年，西屋公司對西班牙核電廠發(fā)生侵蝕性磨損的導向卡進行更換；使用了更厚的特殊導向卡，并且驗證了其性能，可以快速減輕導向卡更換帶來的壓力。其靈感來自AP1000核電廠的導向筒的設(shè)計。新的導向卡可以延長至少2次換料周期，主要原因是：特殊導向卡在導向筒內(nèi)的位置，使其成為限制性的連續(xù)性導向裝置之一，將其更換，可以擴展這些受到影響的導向筒的功能性。此外，在西屋17×17A，AS或AXLR型導向筒中，特殊導向卡是用螺栓固定在導向筒上的，跟筒內(nèi)的其他導向卡固定方式(卡住或焊接)不一樣，這樣更便于拆卸和更換。在西班牙，西屋公司從2013年開始的四次大修期間，共計更換了55個導向卡，成功延長了受影響導向筒的壽命。不過，更換導向筒成本非常高，實際操作起來也非常繁瑣，而且新的導向筒還需要好幾年的生產(chǎn)周期。雖然使用更厚的特殊導向卡能緩解短期情況，但預(yù)計最多也只能支持2～3個燃料周期。業(yè)主對長期的解決方案更感興趣，畢竟長期的解決方案能避免頻繁更換和檢查導向卡。

第二個解決方案是，采用連續(xù)性特殊導向裝置。其設(shè)計的靈感來源于導向筒本身的連續(xù)截面。通過該裝置，可以最大限度地提高了最易磨損孔的體積，從而延長其運行壽命。該裝置將導向卡的0°、90°、180°、270°這4個位置，上下各延長一部分，從原來的導向卡上凸出來，起到加固磨損部位的作用。該裝置于2019年獲得認證資格。預(yù)計可將導向筒運行時間延長至6～9個燃料循環(huán)周期。

AP1000核電廠的導向卡，仍然保留了上部導向卡、特殊導向卡、下部導向卡和連續(xù)段導向裝置的設(shè)計，主要變化是厚度從原來的25.4 mm，增加到了38.1 mm。整個導向筒比二代加堆型的導向筒高出約217 mm。

6 結(jié)束語

為了使RCCA處于非?？煽康奈恢?，核電廠需要在專業(yè)程序的指導下，進行導向卡磨損測量，從而獲得導向卡磨損趨勢，分析可能的磨損加劇原因和緩解磨損的技術(shù)[12-15]。AP1000核電廠導向筒的設(shè)計，采用了更厚的特殊導向卡，大大減輕了導向筒更換帶來的壓力。但是，導向卡太厚，增加接觸面積，在振動過程中會加劇控制棒的磨損。這些問題有必要開展相應(yīng)的研究工作，以完善第三代核電導向卡磨損機理和驗收準則。隨著國內(nèi)開工的核電機組越來越多?？刂瓢糇鳛楹穗姀S快速調(diào)節(jié)功率和起停堆使用的關(guān)鍵部件，其重要性不言自明。該研究對后續(xù)的研究和開發(fā)具有一定的借鑒意義。