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[官方发布] 2017远东论文精选:反应堆控制棒束检测中的异常信号分析

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发表于 2017-10-24 09:26:43 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 上材NDT杂志 于 2017-11-7 10:03 编辑

NuclearReactors_card.jpg
核电站资料图

反应堆控制棒束组件(简称RCCA)是一种快速控制反应堆核反应性的工具,在正常运行时用于调节反应堆功率,在事故工况下快速引入负反应性,使反应堆紧急停堆,从而保证核安全。

RCCA由星形架和吸收剂棒组成,如下图所示,其中星形架由连接柄、翼片和指状物组成,17×17型燃料组件中共有24根吸收剂棒。

无损检测2017101.jpg
RCCA结构图

运行工况下,RCCA在燃料组件中上下运动,从而易产生磨损缺陷,加之长期处于高温、高放射性环境下,还可能产生肿胀、裂纹等缺陷。对RCCA进行检测的目的是评价磨损速度和肿胀的趋势,以便需要时及时安排更换可能影响反应堆下一循环正常运行的RCCA。

磨损、肿胀和裂纹是核电站反应堆控制棒束在役检测中最典型的缺陷,对其信号的分析和判别现在已比较成熟。实际应用中,信号采集设备本身、现场环境等因素引起的信号异常现象也时有发生,而通过对异常信号的分析,可以快速判断故障点,并及时进行纠正或修复。

中广核检测技术有限公司的技术人员们对在现场检测过程中出现的三种异常信号进行了分析,以期为同行们在设备调试和故障排除等方面提供借鉴。

1 检测方法

RCCA的无损检测一般采用超声检测涡流检测相结合的方法,信号采集设备对称分布12个涡流探头和12个超声探头,涡流探头静止不动,超声探头周向旋转,如下图所示。超声检测采用水浸聚焦探头,探头固定在齿轮结构上。现场检测时,12个超声探头同步高速旋转,同时带动一个零点开关旋转,零点开关用于各个通道周向初始位置的标定以及为超声仪提供周向截止信号,以用于后续信号处理。

无损检测2017102.jpg
信号采集设备实物
2 扫查方式

RCCA的超声检测时采用探头周向旋转,控制棒轴向运动的螺旋形轨迹扫查方式如下图所示。为了保证对缺陷有足够的分辨力和定位精度,螺旋形扫查需要设置合理的周向分辨率和轴向分辨率。现场检测中,一般周向分辨率设置为2.98°,即探头每旋转一周约采集120个采样点,控制棒周长(控制棒外径9.68mm)约为30mm,即周向圆弧方向的分辨率约为0.25mm;轴向分辨率设置为2mm,即螺旋线的螺距为2mm。由于探头旋转一周的时间和控制棒轴向运动一个螺距的时间应相同,因此假设探头旋转速度为n(rpm),控制棒轴向运动速度为v(mm/s),轴向分辨率为l(mm),则探头旋转速度和控制棒轴向运动速度需满足下式:60/n =l/v。

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无损检测2017103.jpg
螺旋形轨迹扫查方式示意
3 异常信号分析
异常信号一

现场检测中,当采用标定棒对设备进行标定时,出现如下图所示的异常信号,其典型特征是所有标准伤均向一个方向倾斜,而且在12个通道内呈现同样的规律,而轴向位置信号正常。
无损检测2017104.jpg
异常信号1

对此,显然可以排除探头本身和轴向编码器的问题。周向信号出现偏差的可能原因有:超声软件相关配置问题、超声仪问题、编码器电缆线问题、零点开关问题等。在重新配置超声软件、更换超声仪、更换编码器电缆后故障依然重现。拆开设备腔体,发现与零点开关传感器固连的齿轮出现了松动,使得该齿轮不能和其他超声探头上的驱动齿轮同步旋转,因此向超声仪发送了错位的周向截止信号,导致周向信号出现了偏差。紧固零点传感器齿轮后,进行重新采集,信号正常。

异常信号二

RCCA信号采集设备在燃料厂房时信号均正常,而在调试厂房时却出现了如下图所示的异常信号,其特征是所有标准伤信号周向、轴向位置均正常,但总是规律性地出现数据丢失的问题。
无损检测2017105.jpg
异常信号2

根据分析,认为这种现象应该是超声探头周向旋转速度和控制棒轴向线性速度间的不匹配造成的。该信号采集时超声探头周向旋转速度为450r/min,轴向分辨率为2mm,可以得出轴向最大运动速度应为15mm/s。而检测控制棒轴向运动速度约为31mm/s,大于理论值,因此出现了信号丢失现象。

由公式60/n =l/v可以得出不出现信号丢失的条件为:周向旋转一周所用的时间小于等于轴向运动一个螺距的时间,即:60/n≤l/v。

从上式可以看出,在轴向分辨率不变的情况下,提高探头旋转速度或者降低控制棒轴向运动速度,都能解决如上图所示的信号丢失问题。对于设备的最高转速700r/min,由上式可得知,控制棒轴向最大运动速度为23.3mm/s,大于该值将出现信号丢失现象。

异常信号三

现场检测中也时常出现下图所示的异常信号,其特点是在周向某一角度上出现连续或者断续的信号丢失,几乎贯穿整个轴向长度,而且是个别通道才出现这种现象。所有标准伤信号及其周向、轴向位置均正常。

无损检测2017106.jpg
异常信号3

经分析认为这是齿轮配合不畅引起的,12个超声探头的周向同步旋转要依靠齿轮结构齿面之间的相互配合来完成,齿轮齿数相同,因此相邻齿轮的啮合面总是一一对应;而更换探头后,如果不能保证原齿面的对应关系,则新的配合会由于磨损不同,需要一定的“磨合期”,“磨合期”内新齿面之间配合不畅,就会导致齿轮出现轻微震动、卡涩,当这种配合正好出现在某一角度时,则出现上图所示的异常信号。当更正齿轮位置到原位置后,异常信号消失。

本文作者:张鹏飞,工程师,硕士,在中广核检测技术有限公司主要从事核电站在役检查设备的研发工作。
来源:《无损检测》2017年第39卷第10期“2017远东无损检测新技术论坛论文精选”


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