2017遠(yuǎn)東論文精選：反應(yīng)堆控制棒束檢測中的異常信號分析

核電站資料圖

反應(yīng)堆控制棒束組件（簡稱RCCA）是一種快速控制反應(yīng)堆核反應(yīng)性的工具，在正常運行時用于調(diào)節(jié)反應(yīng)堆功率，在事故工況下快速引入負(fù)反應(yīng)性，使反應(yīng)堆緊急停堆，從而保證核安全。

RCCA由星形架和吸收劑棒組成，如下圖所示，其中星形架由連接柄、翼片和指狀物組成，17×17型燃料組件中共有24根吸收劑棒。

RCCA結(jié)構(gòu)圖

運行工況下，RCCA在燃料組件中上下運動，從而易產(chǎn)生磨損缺陷，加之長期處于高溫、高放射性環(huán)境下，還可能產(chǎn)生腫脹、裂紋等缺陷。對RCCA進行檢測的目的是評價磨損速度和腫脹的趨勢，以便需要時及時安排更換可能影響反應(yīng)堆下一循環(huán)正常運行的RCCA。

磨損、腫脹和裂紋是核電站反應(yīng)堆控制棒束在役檢測中最典型的缺陷，對其信號的分析和判別現(xiàn)在已比較成熟。實際應(yīng)用中，信號采集設(shè)備本身、現(xiàn)場環(huán)境等因素引起的信號異常現(xiàn)象也時有發(fā)生，而通過對異常信號的分析，可以快速判斷故障點，并及時進行糾正或修復(fù)。

中廣核檢測技術(shù)有限公司的技術(shù)人員們對在現(xiàn)場檢測過程中出現(xiàn)的三種異常信號進行了分析，以期為同行們在設(shè)備調(diào)試和故障排除等方面提供借鑒。

1 檢測方法

RCCA的無損檢測一般采用超聲檢測和渦流檢測相結(jié)合的方法，信號采集設(shè)備對稱分布12個渦流探頭和12個超聲探頭，渦流探頭靜止不動，超聲探頭周向旋轉(zhuǎn)，如下圖所示。超聲檢測采用水浸聚焦探頭，探頭固定在齒輪結(jié)構(gòu)上。現(xiàn)場檢測時，12個超聲探頭同步高速旋轉(zhuǎn)，同時帶動一個零點開關(guān)旋轉(zhuǎn)，零點開關(guān)用于各個通道周向初始位置的標(biāo)定以及為超聲儀提供周向截止信號，以用于后續(xù)信號處理。

信號采集設(shè)備實物

2 掃查方式

RCCA的超聲檢測時采用探頭周向旋轉(zhuǎn)，控制棒軸向運動的螺旋形軌跡掃查方式如下圖所示。為了保證對缺陷有足夠的分辨力和定位精度，螺旋形掃查需要設(shè)置合理的周向分辨率和軸向分辨率。現(xiàn)場檢測中,一般周向分辨率設(shè)置為2.98°，即探頭每旋轉(zhuǎn)一周約采集120個采樣點，控制棒周長(控制棒外徑9.68mm)約為30mm，即周向圓弧方向的分辨率約為0.25mm；軸向分辨率設(shè)置為2mm，即螺旋線的螺距為2mm。由于探頭旋轉(zhuǎn)一周的時間和控制棒軸向運動一個螺距的時間應(yīng)相同,因此假設(shè)探頭旋轉(zhuǎn)速度為n(rpm)，控制棒軸向運動速度為v(mm/s)，軸向分辨率為l(mm)，則探頭旋轉(zhuǎn)速度和控制棒軸向運動速度需滿足下式：60/n ＝l/v。

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螺旋形軌跡掃查方式示意

3 異常信號分析

異常信號一

現(xiàn)場檢測中，當(dāng)采用標(biāo)定棒對設(shè)備進行標(biāo)定時，出現(xiàn)如下圖所示的異常信號，其典型特征是所有標(biāo)準(zhǔn)傷均向一個方向傾斜，而且在12個通道內(nèi)呈現(xiàn)同樣的規(guī)律，而軸向位置信號正常。

異常信號1

對此，顯然可以排除探頭本身和軸向編碼器的問題。周向信號出現(xiàn)偏差的可能原因有：超聲軟件相關(guān)配置問題、超聲儀問題、編碼器電纜線問題、零點開關(guān)問題等。在重新配置超聲軟件、更換超聲儀、更換編碼器電纜后故障依然重現(xiàn)。拆開設(shè)備腔體，發(fā)現(xiàn)與零點開關(guān)傳感器固連的齒輪出現(xiàn)了松動，使得該齒輪不能和其他超聲探頭上的驅(qū)動齒輪同步旋轉(zhuǎn)，因此向超聲儀發(fā)送了錯位的周向截止信號，導(dǎo)致周向信號出現(xiàn)了偏差。緊固零點傳感器齒輪后，進行重新采集，信號正常。

異常信號二

RCCA信號采集設(shè)備在燃料廠房時信號均正常，而在調(diào)試廠房時卻出現(xiàn)了如下圖所示的異常信號，其特征是所有標(biāo)準(zhǔn)傷信號周向、軸向位置均正常，但總是規(guī)律性地出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的問題。

異常信號2

根據(jù)分析，認(rèn)為這種現(xiàn)象應(yīng)該是超聲探頭周向旋轉(zhuǎn)速度和控制棒軸向線性速度間的不匹配造成的。該信號采集時超聲探頭周向旋轉(zhuǎn)速度為450r/min，軸向分辨率為2mm，可以得出軸向最大運動速度應(yīng)為15mm/s。而檢測控制棒軸向運動速度約為31mm/s，大于理論值，因此出現(xiàn)了信號丟失現(xiàn)象。

由公式60/n ＝l/v可以得出不出現(xiàn)信號丟失的條件為：周向旋轉(zhuǎn)一周所用的時間小于等于軸向運動一個螺距的時間，即：60/n≤l/v。

從上式可以看出，在軸向分辨率不變的情況下，提高探頭旋轉(zhuǎn)速度或者降低控制棒軸向運動速度，都能解決如上圖所示的信號丟失問題。對于設(shè)備的最高轉(zhuǎn)速700r/min，由上式可得知，控制棒軸向最大運動速度為23.3mm/s，大于該值將出現(xiàn)信號丟失現(xiàn)象。

異常信號三

現(xiàn)場檢測中也時常出現(xiàn)下圖所示的異常信號,其特點是在周向某一角度上出現(xiàn)連續(xù)或者斷續(xù)的信號丟失，幾乎貫穿整個軸向長度，而且是個別通道才出現(xiàn)這種現(xiàn)象。所有標(biāo)準(zhǔn)傷信號及其周向、軸向位置均正常。

異常信號3

經(jīng)分析認(rèn)為這是齒輪配合不暢引起的，12個超聲探頭的周向同步旋轉(zhuǎn)要依靠齒輪結(jié)構(gòu)齒面之間的相互配合來完成，齒輪齒數(shù)相同，因此相鄰齒輪的嚙合面總是一一對應(yīng)；而更換探頭后，如果不能保證原齒面的對應(yīng)關(guān)系，則新的配合會由于磨損不同，需要一定的“磨合期”，“磨合期”內(nèi)新齒面之間配合不暢，就會導(dǎo)致齒輪出現(xiàn)輕微震動、卡澀，當(dāng)這種配合正好出現(xiàn)在某一角度時，則出現(xiàn)上圖所示的異常信號。當(dāng)更正齒輪位置到原位置后，異常信號消失。

本文作者：張鵬飛，工程師，碩士，在中廣核檢測技術(shù)有限公司主要從事核電站在役檢查設(shè)備的研發(fā)工作。

來源：《無損檢測》2017年第39卷第10期“2017遠(yuǎn)東無損檢測新技術(shù)論壇論文精選”