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

(國核電廠運行服務技術有限公司，上海 200233)

核電的發展始終以安全為前提[1]?？刂瓢魧蛲彩呛朔磻训闹匾M成部分，關乎核電安全運行?？刂瓢魧蛲步M件(CRGT)在反應堆運行時，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則是起到控制反應堆功率，保證安全停堆的作用[2]。在導向筒內上下分布著導向卡，用以引導控制棒，因此導向卡也至關重要。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機組上已經實施過，而AP1000機組還未實施，原因是其并網時間較短沒有必要性。本文是基于國外測量的結果和測量技術，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 國內外研究現狀

自從2009年西班牙核電廠發現了侵蝕性導向卡磨損之后，歐洲其他核電廠也陸續發現了類似的現象，壓水反應堆業主聯合會(PWROG)啟動了由西屋公司牽頭的導卡磨損測量項目。最終發現只要是使用了“17×17A，AS和AXLR”類型導向筒的核電廠都會受到影響，隨后西屋公司發布了關于“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[3]，之后又對該裝置進行了若干改進。2015年，西屋公司開始研發一種連續性特殊導向技術。

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

國內在這方面的研究成果主要來自中廣核檢測技術有限公司、中核武漢核電運行技術股份有限公司[4]等。據了解，目前國內開發的控制棒導向卡檢測工具已經成熟，具備現場使用的條件。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，并總結為以下兩種。

1)沖擊微動磨損，即由導向筒內靠近控制棒和驅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，開發了一種監測反應堆中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生的。而正常情況是指，當控制棒在穿過導向卡開口區域時，由于控制棒的微振動而產生磨損。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數量的20%更改為：“根據WCAP-17451-P修訂版1的要求，檢查所有導向卡”。根據該報告，美國國內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。檢查的范圍應至少包括下部導向筒內的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導向段。

3.1 導向卡磨損標準

導向卡內孔韌帶區磨損的標準如圖3和圖4所示。

圖3 內孔韌帶區標準Fig.3 The inner hole ligament criteria

圖4 內孔韌帶區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，那么在同一循環內其他導向卡大概率不能幸免?；诜乐钩霈F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中進行區域劃分。該標準的劃分是基于觀察到的導向卡孔韌帶區的磨損量和允許磨損的導向卡的數量而定的。表中的參數定義如下：

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量Table 2 Division of wear criteria-the number of differently worn guide cards

n——除連續導向段外的所有導向卡數量；

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%，允許業主在至少一個換料周期內，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磨損在三個不同區域的建議措施。

表3 不同磨損標準區域的推薦操作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?？梢杂^察到導卡孔擴大，但磨損沒有延伸到導卡內表面。

B階段—磨損區與導卡內表面相交，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，則是觀察到磨損區域與導向卡內表面相交的尖銳角。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)按照業主的程序執行導向卡檢查，發現典型的磨損；

2)計算從階段A過渡到階段B時的磨損量體積(Va)；

3)計算導向筒內表面磨損區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

在大修期間，核電廠將上部堆內構件從壓力容器中取出，放置于反應堆水池的底部。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，至水下9.14～12.19 m深，執行遠程檢查。輸送裝置需要完成軸向運輸和周向旋轉兩個動作。由于現場的不可達，因此對進入導向筒內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：直徑、韌帶區(L1、L2)、槽寬。如圖7所示。

圖7 測量參數示意圖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個內孔韌帶區的圖片。因為內孔韌帶區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，并存儲視頻數據。早期的光學測量法，為了確保獲得數據的正確表征，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。實現類似于圖像增強的功能。到2010年，隨著設備升級，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公司開發并認證了一種名為ECLIPSE的光學測量設備，該工具是基于陰影圖原理來實現測量的，即在背部光照條件下，從正面獲得圖片，再進行數據分析，以確定CRGT磨損輪廓和特性。測量孔徑或單向磨損量等數值特征，可達到±0.15 mm的精度，在行業內具有很高的知名度。但是，基于視覺技術的檢測方法不能在導向卡連續段進行測量。

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堆上部內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，構建完整的輪廓。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)反射鏡可旋轉地安裝在檢查裝置的支撐件上；6)在探頭旋轉期間，實現對孔壁和探頭軸線之間距離變化的測量。

現在國內采用水浸聚焦探頭，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的位置，使其成為限制性的連續性導向裝置之一，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周期。雖然使用更厚的特殊導向卡能緩解短期情況，但預計最多也只能支持2～3個燃料周期。業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，采用連續性特殊導向裝置。其設計的靈感來源于導向筒本身的連續截面。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。預計可將導向筒運行時間延長至6～9個燃料循環周期。

AP1000核電廠的導向卡，仍然保留了上部導向卡、特殊導向卡、下部導向卡和連續段導向裝置的設計，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 結束語

為了使RCCA處于非?？煽康奈恢?，核電廠需要在專業程序的指導下，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[12-15]。AP1000核電廠導向筒的設計，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。隨著國內開工的核電機組越來越多?？刂瓢糇鳛楹穗姀S快速調節功率和起停堆使用的關鍵部件，其重要性不言自明。該研究對后續的研究和開發具有一定的借鑒意義。