秦山一期CRDM关键部件失效机理及可靠性分析

1、上海交通人学硕士学位论文秦山匚期CRDM关键部件失效机理及可靠性分析姓名：周诗光申请学位级别：硕士专业：核能与核技术工程指导教师：曹学武；吕玲玲20080430CRDM300MW70CRDMCRDMCRDMCRDMCRDMCRDMT4-3CRDMCRDMCRDMCRDMCRDMCRDMCRDMiANALYSIS OF FAULT MECHANISM & RELIABILITYABOUT KEY PARTS OF CRDM FOR QNPC 1ABSTRACTDue to the low-technology level and insufficient designing experi

2、ence in that time, the Control Rod Driving Mechanism (CRDM) of QNPC-1, as a prototype of CRDM, designed and manufactured by Chinese themselves in 1970s. The experience of commissioning and operation indicates that there are many deficiencies on both itself and its control device and it needs a conti

3、nue improvement later on. It is necessary to analyze the failure-mechanism of CRDM's key parts and its reliability, and it is also very meaningful to suggest useful and practical improvement before the replacement of CRDM in QNPC-1 recently.This article analyses the current condition of CRDM for

4、 QNPC-1 and its difference with the others firstly, and carries out the fault-analyzing of T4-3 rod-drop typical accident, the failure mechanism analysis about CRDM key parts, the calculation confirmation of gripper traveling. It concludes that the design of gripper traveling is reasonable, and ther

5、e are two main factors resulted in movement failure of CRDM One is power failure, mainly on AC phase-loss consisting of SCR failure, the failure of SCR's trigger circuit , there phases AC switches5 failure and the failure of CRDM coil; the other is the dis-match of parts* movement due to the mov

6、eable parts* loosing resulted from the wore-out of grippers, link pins and their holes. There is a AND" logic relation between these root-accident and the top-accident.This article also simulates the rod-drop accident and calculates its fault-probability by using of modern simulation technology

7、 and dynamical fault tree analyzing method. The conclusion is that the comprehensive fault-probability of CRDM is rather low. that is the CRDMM mechanical reliability is high and its movement reliability can he improved through part improvement. It also confinned that power failure has high fault pr

8、obability and pointed out the direction of improvement at the same time .Based on the above research outcome, the article suggests the detail improvements on CRDM control device, mechanical modification and management, and all these approaches have been realized in the last refueling outage of QNPC-

9、1 at the end of 2007. The result is quite good.The research result of this article is also a good reference on the reliability analyzing and improvement about CRDM for the other nuclear power plants.KEY WORDSCRDM rod-drop accident, failure mechanism gripper , dynamical fault tree , reliability上海交通大学

10、学位论文原创性声明上海交通大学工程硕I:学位论文第i帝绪论第一章绪论1.1课题研究的背景1.1.1概述秦111 300MW核电厂为我国鬥行设计、建造、调试和运行的第一朋斥水堆熨 原型堆核电厂，于1991年12月15 口首次并网发电。至今己安全运行了 16年多。反应堆的功率是通过调节堆芯的反应性以保持反应堆冷却剂系统内的平均 温度。控制棒用丁-调节快速的反应性变化，对丁-较缓慢的反应性变化般通过调 节冷却剂的硼浓度來补偿的。核电站的启、停、功率调节、通量展平、以及紧急 爭故停堆，均需通过控制棒來实现。而对控制棒的移动则是通过控制棒驱动机构 (Control Rod Drive Wfechani

11、sm - - CRDM)在棒控装置的控制下来完成的。因此，无论对核电站的安全或提尚核电站的运行业绩而言，控制棒组件、驱 动机构及棒控装置都是涉及全局的最重耍设备之一。换言之，这些核电设备的质 量和可靠性将直接影响核电站运行的安全性和经济性。秦山一期的控制棒驱动机构(简称为秦1-CRDM)作为70年代H行研制设计 的原型机，由于受当时技术水平和设计经验的不足，经实际调试和运行表明，秦 1 - CRDM及其控制装置存在着诸多不足，非常需耍一个后续的持续优化改进的过 程。1.1.2秦1-CRDM的实际状况秦1 - CRDM研制工作始于上个世纪70年代,1983年通过样机鉴定o 1984年 后投入制造

12、，1990年出厂。1991年10月调试完毕，投入运行。在秦CRDM样机的研制阶段已发现，任衔铁运动时耐压壳内水流不畅，导 致衔铁的吸合和释放时间变长，影响CRDM动作的协调性。已采収的改进措施： 在环形驱动杆的上下两端各开了一个孔，增加水流的导通作用。在装堆前的整治过程中，对钩爪部件零件的间隙进行了调整，秦1-CRDM的 动作性能有所改善。1992年8刀秦1 CRDM出现密封壳泄漏。停堆拆检并取样分析后结论是应力 腐蚀造成开裂，密封芫强度设计不足是其中的一个重耍因素。这便是T4项目的 开始。当时根据匸程需耍,T4项目分两步走。第一步用T4过渡方案，该方案只使 用了一个换料周期。第二步用T4后方

13、案，T4后方案采取了改进更新的密封壳组 件和磁轨线圈部件。T4改造前后秦1-CRDM的异同：T4之前发现承压仓管有裂纹，T4改造时将 其加厚：相应的磁辄线圈部件作了相应的参数调整和结构改进。T4改造时未对 棒位行程套管进行改动。T4改造后CRDM的整体性能得到了提高，T4改造后的调试过程中滑棒和落棒 现象很少出现。现秦山一期运行的便是1995年元刀投入运行的T4后CRDM.以上I丙个阶段都需耍切割和再焊Q密封焊，因此总共切割2次，焊3次。在 这些过程中，如果切焊设备、焊环、焊接工艺或操作人员等存在不足或出现过问 题，就有可能为以后出现Q焊缝泄漏带來隐患。1996年首次发现2台机构下Q焊缝泄漏。

14、2000年乂发现1台出现2处泄漏, 因而开始用涡流检査方法进行普査，代出3台共5处裂纹缺陷并作了修补处理。 第5次停堆换料期间，检査后修补了 12台机构17处缺陷，第6次换料乂査出 10台机构（3台重复）13处需修补。总之，下Q焊缝的总体情况较差，而且还 在发展。这是秦1-CRDM耐压壳必须跟随顶盖一起进行更换改造的車浚原因。根据CRDM产品出厂性能试验和调试运行情况，秦1 - CRDM与国内外同类产品 相比还存在一些不足，有些会影响到机构的可靠性和耐久性。主要表现如下：1）累计步跃数低：设计步跃数为100万步，出厂验证试验为120万步，远 低丁国内外同类产品。根据标准审査大纲3. 9. 4节

15、的耍求，试验验证累 计步跃数应是反应堆预期值的两倍，因此秦1 - CRDM的步跃耐久性能 是不高的。2机构步跃运行电流波形图表明，步跃运行的6个动作点分布不均，即两 组钩爪的进出环槽动作和钩爪的上下动作不够协调，使钩爪及其销轴、 连杆等承受额外载荷。120万步寿命考验试验中和后的两次拆检都表明 钩爪部件的一些零件有较严重的磨损和偏磨。销轴还有较明显的弯曲变 形。3）电流可调节范用狭窄，因而对配套的棒控装置设计和反W堆运行操作要 求相应提高，否则就易发生失步、滑步和意外落棒（这也就是以后PC棒 控装置设计中改四台联动为单台驱动的原由）。4）驱动杆部件分三段结构，段间的连接处点焊一旦欠效，销轴易松

16、动脱落 并进入驱动杆的运行通道，直接引起卡棒（PC- CRDMQ改为两段）。5）棒位指示器感应信号偏小（PC- CRDM己作了改进）。棒位指示线圈运行 寿命偏短，现己发现6台失效。6）由丁线圈作温度偏烏，T4后CRDM中只能采取取消线圈密封等措施得以解决。另外，磁轨局部表面开始出现腐蚀。1.1.3秦1-CRDM现有控制装置的特点秦山-期驱动机构三个线圈的设计多匝数，小电流，而国外则采用少匝数，大电流的设计原则。秦山一期驱动机构线圈电流大约为国外的1/41/5。由丁匝数多，线圈之间的耦介干扰大。一个子组四个线圈同时并联供电，必须是线圈的 电性能参数差异较小，否则会导致四个线圈间的电流分配不均匀，

17、对线圈的生产 带來困难。备件报价很高。并且电流调节回路的故障会引起整个子组掉棒。棒控装置主电路柜在线可维修性差，因为可控硅等电器元件安装在平板上， 故必须采取断电维修。电源机箱结构不利任线检修。NIMJ丽坐的引线选用不合 适，插座故障时无法在线维修。机箱的汇流排结构绝缘不好。集成块、三极管、 开关、指示灯、电容等可靠性差。在目前的控制装置中，一个子组4个线圈并联供电，其前提是线圈的电性能 参数要一致，否则会导致4个线圈间的电流分配不均，线圈电流分配不均对系统 的调试带來不便，对驱动机构的运行也是不利的。由于国产的驱动机构的胳体动作性能有校大的差异（是不是主要由电性能参 数的差异引起呢？这点需耍

18、进一步研究），这种一带四的控制方式不十分介适。 当初系统调试时拓故障率则说明了这个问题。任恰希玛核电站和秦山二期的设计 中，已改为了一带一，即一个控制回路控制一台驱动机构（8I|91o反应堆止常运行时，控制棒在99.9酬寸间里处丁保持状态，由保持钩爪抓住 驱动杆"为了防止保持线圈供电冋路突然发生故障而造成落棒，II本三菱公司提 出采取双重保持措施，称为“SGM3 Double Hol di ng System”，即控制棒处丁 保持时，由固定钩爪线圈和可动钩爪线圈同时通电，使固定钩爪和可动钩爪同时 处丁进钩状态。通过故障概率分析，反应堆停堆率由原來的2.2X101次/反应堆 年,降低至

19、3. 6X10-2次/反应堆年。该系统自1986年起,在日本全部23个核电站 上应用秦山一期在对控制装置的改造中要改成双重保持在理论上不存在问题的。但 在实施中有一定闲难，因为这一改造，牵涉驱动机构动作时序要雨新设定，必须 与驱动机构进行机电联介试验后，方可正式投入使用，根据现有试验条件和时间, 耍安排这一试验是很困难的。再则，传递线圈长时间通电，实际位置离顶盖较近, 其耐高温性能有待评估。由J：秦山一期的骡动机构是将中间的可动钩爪作为保持钩爪用，而下面的固 定钩爪作为传递钩爪用。这与国内外其余核电站（恰希玛除外）的驱动机构刚好 上海交通大学工程硕I:学位论文第一帝绪论相反M。在设计线圈电流时

20、序时，只是将国外核电站的骡动机构的提升时序改为 下降时序，将国外的下降时序作为提升时序。这样简单的时序硕倒，虽也能使驱 动机构动作，但引起动作时间间隔分配不理想，这也是造成秦山一期核电厂驱动 机构6个机械动作点之间的时间间隔不合理的主耍原因之一，见图仁同时线圈电 流的稳定匸作范閘较小，故有出厂电流、冷态电流、热态电流等等的多个指标， 因而工作的稳定性差。图2为国外某核电厂驱动机构电流波形图，其中6个机械动作点之间的时间间 隔长短比较均匀，驱动机构动作的可靠性明显提高。111II1314图1秦山一期驱动机构电流波形图Fi g. 1 Current 也ve of Dri ver i n Q nsh

21、an Nucl ear PI ant图2国外某核电厂驱动机构电流波形图Fi g. 2 Current Vfeve of Dr i ver i n A Nucl ear PI ant Abroad12国内外CRDM的发展现状及与秦1 - CRDM的异同1.2.1国内外CRDM的发展现状美国西屋公司是目前丿E水堆核电站通用的磁力提升式CRDM的最早开发商 和制造商。根据美国西屋公司资料报道，fl 50年代木至80年代，从扬基.罗的L103 型，康.扬基、美滨1号等的L-105型，京纳、勇士等的L-106型到目询广为应 用的L-106A经历了不断试验研制的改进优化道路。现知，L-105也己升版到L-

22、105C,并在美滨1号换盖中得以应用。L-105C的主耍改进是密封壳采用一 体式结构，并与顶盖贯穿件对接焊为一体；钩爪、销孔用stellite堆焊替代镀 钻。如今,L-106A己开发出性能更好的L-106A1型和双齿钩爪的L-106A2型， 累计步跃数达1000万步。法国、H本都是首先引进西屋技术，然后在国产化的道路上各白制定了适 用于自己的技术标准和要求，进行了大最的性能验证试验。我国大亚湾和岭澳核电站是从法国引进，其CRDM采用的也是L-106A熨。江苏III湾核电站由俄罗斯进口，其CRDM在参数和结构尺寸上与西屋产品有 很大差别，有其独到之处，但基本原理和型式也还是磁力提升氏线步跃。秦山

23、二期60万瓦核电站CRDM,通过引进法国技术，走H行研制的道路。 除部分关键材料和零件从法国采购外，大部分制造国产化H11,211,511,41 o其设计步 跃数为280万步，样机验证试验已达800万步冋|no相比之下，秦1 - CRDM作为70年代H行研制设计的原型机，非常缺乏一个 后续的改进优化定型过程，对其可靠性的分析显得尤为重耍。1.2.2与秦1-CRDM的异同为了 了解秦1 - CRDM运行性能、提高可靠性和耐久性，对冃前的国内外核电 厂CRDM进行了初步的调研、分析和比较。根据已有资料，与国内外通用的L-106A 型CRDM相比较，由丁秦山一期30万瓦核电站反应堆的设计参数、总体平

24、而布 置和高度与60万、100万瓦的有着很大的差别。受此影响，秦1-CRDM有3个 主耍参数偏小：1）相邻机构之间的中心距小（秦1为283. 3mn, 60万等为304rrm）o机构 的结构设计相对困难，机构相互间的磁场干扰较大。2）机构总高度小，而且高度方向没什么営加的余地。图3中以相同比例， 表示了从压力容器顶盖中心顶而到中部Q为止不同类型机构的疝度尺 寸差。上海交通大学工程硕I:学位论文第一菇绪论4图3国内外典型CRDM外部尺寸图Fi g. 3 Out er di rrensi on of t hr ee t ypi cal CRDM3）运行电流小。秦1 - CRDM原设计最大运行电流仅

25、为8A而L106A型CRDM 为 40Ao4）磁辘线圈部件外形尺寸：秦1-CRDM为265 X265 （rrm）、间隙（也即冷 却风道宽）为 18mm, 106A 型 CRDM为 275 X275 （rnn）、间隙为 29mm。5）驱动杆直径:1-CRDM为 42rrm； W6A 型 CRDM为 44.5。6）与CRDM配套的专用设备、工員和那貝也不一样"由此可见，秦1-CRDM的结构强度设计、电磁参数设计、水力设计、磁路布 置和冷却通风设计都与L-106A型CRDM存在很大的差异。另外,关TL-105C型CRDM,就目前收集到的资料來看，其尺寸也偏大。上个世纪90年代出口到巴基斯坦

26、的PC1 - CRDM ,是在秦1 - CRDM基础上作了 如下的改进叫1）驱动轴由3段改为2段，即上光杆与环槽杆合二为一。2）电磁参数改小电流多匝数为大电流少匝数。3）提高工作线圈耐温性能。4）增人位置指示线圈电磁感应信号。改进后的PC- CRDM 有关的性能上得到了提高。但是，由丁没有针对核心部 件（主要是钩爪部件）进行改进，因此整机的步跃牲能及步跃寿命没有得到提高。1.2.3秦1-CRDM控制装置的异同驱动机构有三个线圈，H上而卞分为提升线圈、可动钩爪线圈、I司定钩爪线 圈。棒控装置分别按提升/下降程序向三个线圈供电。动作程序：由丁秦1-CRDM是将中间的可动钩爪作为保持钩爪用，而下而的

27、固定钩爪作 为传递钩爪用。这与国内外其余核电站的驱动机构刚好相反。在设计线圈电流时 序时，只是将国外核电站的驱动机构的提升时序改为下降时序，将国外的下降时 序作为提升时序。这样简单的时序颠倒，虽也能使驱动机构动作，但并不能使驱 动机构处丁良好的运行状态。最为明显的是我们驱动机构的机械动作点之间的时 间间隔长短差异较大。因而工作的稳定性差。运行电流：秦1 -CRDM三个线圈的设计采用多匝数，小电流的原则，而国外则采用少匝 数,大电流的设计原则。秦1 -CRDM线圈电流大约为国外的1/4-1/5o同时，线圈电流的调节范用较小，故有出厂电流、冷态电流、热态电流之分, 这样对调试带来不便。而国外线圈电

28、流范围则为：提升线圈:大电流35A75A小电流13A-15A传递线圈：7A9A保持线圈：大电流7A-9A小电流4A-5.2A故国外的驱动机构的线圈电流不用多次调整。控制方式：1-CRDM的控制方式（亦即控制棒的控制方式）是参照Wbstinghouse早 期设计方案，它根据停堆棒、调节棒不同时运行的原则，根据组亜叠的原则，提 升和传递线圈是采用一个主冋路（三相半波整流冋路）带三个子组的驱动机构线 圈。实际运行时只向一个子组的4个线圈供电。考虑保持线圈的工作耍求，采用 一个主回路带一个子组的驱动机构的保持线圈。它的优点是明显的，即主回路少, 没有闲置不用的主回路，除非驱动机构不运行。一个子组四个线

29、圈同时并联供电，必须是线圈的电性能参数差异较小，否 则会导致四个线圈间的电流分配不均匀，对调试带來困难。Wfest i nghouse设计的核电站，12个子组棒只需要4个电源柜。秦山核电厂只是将4个电源柜拆分成4个调节粗和4个主冋路柜。国内外其它核电站：根据秦山一期的现场调试经验，设计者在设计巴基斯坦恰希玛核电站时， 对棒控系统的设计方案作了巫大改进，采用一带的方案，这样每个线圈的电 流都可以单独调节，一个主回路故障（包括误操作）也只能导致一束棒落棒。并 在设备设计时釆用抽斗式机箱，使维修更加方便。秦山二期的方案同恰希玛核电站。但这种方案是电源柜数最较多。恰希玛核电站37束棒（37台驱动机构）

30、用 T 19个电源柜。秦山二期33束棒（33台驱动机构）用了 9个二联式电源柜网 W 国外的情况：Framatone为我国设计建造的大亚湾核电站是在Vfest i nghouse的皋础I.作 了改止，采用一个主冋路带一个子组的方案，12个子组需12个电源柜，共有61 组控制棒创创叫比st i nghouse为英国Si zewel I “B”设计的棒控系统，乂作了改进，将原 先的电源柜分成移动柜（Moving Cabi net ）和选择柜（Selecting Cabi net ）。也可以采用另外一种的控制方式，驱动机构的保持线圈采用1对1的控制方 式。驱动机构的传递线圈和提升线圈采用1对4的控制

31、方式。这种方式在调试灵 活性方面不及前一种，但它不会出现一个子组棒束因设备故障或误操作而落棒， 即可以避免出现类似1995年发生的停堆停机事故。考虑到国产驱动机构电性能的分散性，为便丁调试，建议对驱动机构采用一 对一的控制方式。3课题研究的目的及意义从近16年的运行情况來看，目前秦山一期的CRDM是能达到所需的功能耍 求的。但经验告诉我们，只有足够的可靠性和耐久性，才有垠大的安全性和经济 性。秦1 -CRDM作为70年代白行研制设计的原型机，非常需要一个后续的持续 优化改进的过程，对其动作失效机理和可靠性的分析显得尤为重耍。在秦山一期更换压力容器顶盖项目中，主耍是解决下Q密封焊泄漏问题， 因受

32、反应堆的总体布置的限制，对CRDM作大的变动是不现实的，但对CRDM的可 靠性和耐久性进行分析，做些能实施的改进是十分必要的。当时其控制装置的可靠性不高是影响胳个系统稳定性的一个主要原因。长 时间以來，设备管理和檢修人员均认为：只要出现控制棒落棒现象，问题肯定出 在控制装置上，很少从CRDM固冇的机械特性和机电配介的角度來分析其原因。 后来经过对其控制装置进行了多次局部改进，大大地提鳥了其可靠性和稳定性， CRDM勉强能正常工作。但从线圈电流波形上分析，CRDM的六个动作点仍不共理 想，动作不够干脆利索，动作点之间时间间隔过小，安全裕最不大。控制装置稍 有信号波动，则有掉棒现象的发生。经过近1

33、6年的运行，秦1 -CRDM的机械性能 有所下降，原有设计问题暴露得更加突出。综上所述，厂方下决心耍对2005年7月18 II发生的“T4. 3落棒导致停堆 停机”事件作为典熨韦故进行分析。分析结果是：其H接的原因是控制柜上的一 个提升移相触发器电路发生故障，使提升电流的纹波峰值增大，诱发T41整个 子组的保持吸介点略为滞后，而T4. 3则是机械性能差异中的差者，使T4.3两个 钩爪的吸合出现空隙而落棒。为什么提升控制回路故障会使保持钩爪的进钩动作变缓慢呢？除了从控制 装置方面去剖析其原因外，还对最早的经过84万步热态寿命试验的CRDM内部部 件（即钩爪部件）和在1994年T4改造过程中更换下

34、來的一台CRDM内部部件进 行了解体检查和数据测最，发现了部件零件有较严重磨损和变形，并对其进行了 详细分析。详见附录仁经验告诉我们，只有足够的可靠性和耐久性，才有最大的安全性和经济性。 因此，在更换斥力容器顶盖项冃中，除了必须解决下Q密封焊泄漏问题外，还考 虑到对CRDM的内部部件进行胳批更换，以提高电站的梢体安全性和稳定性。在 此之前，对CRDM的可靠性和耐久性进行分析和研究，并采取了切实可行的改进 措施，秦CRDM的可靠性和稳定性得到了较大的提岛，对丁电厂的安全性和经 济性而言，其意义重大。随着国内设计制造技术的发展和提高，国内外信息交流的增加和扩大，更 取耍的是有看秦山一期、PC和60

35、万H行研制设计、制造安装和调试运行经验与 教训的积累，知其然，知其所以然。在国外引进产品或技术有因难的实际情况下, 国内门主改进改造和提高是一条必行而且可行之路。因此，对秦1-CRDM的故障 发生机理及可靠性进行详细的分析，剖析其存在的主要安全可靠性问题，为全而 提高CRDM运行性能和耐久性做好技术上的准备，其意义巫大。根据研究冃标和内容，本课题拟解决的关键问题主要如下：> T43棒落棒典型事例分析；> CRDM关键部件动作失效机理分析；> 钩爪运动合理性的核算；> CRDM故障树的仿真及寿命曲线的计算；>控制、机械及管理方面的改进措施：>改进措施的实施情况

36、及效果评价。上海交通大7工程硕上学位论文第二臣CRDM介绍第二章CRDM介绍2.1概述秦山一期300恥 核电机组反应堆上共设置有37组核反应性控制棒组件， 它们需要藉各门的驱动机构以达到任堆芯岛度范围内所需位置的保持和改变。秦山一期反应堆控制棒驱动机构（秦1 - CRDM）采用的是国内外压水堆孩电 厂通用的磁力提升H线步跃型式，但是在具体的结构尺寸、材料和参数上有较大 的差别。每台驱动机构可分五大部件，它们是驱动杆部件、钩爪部件、耐床壳部件、 磁犯线圈部件和位置指示器部件。根据ANSI/ANS 51.1固定式压水堆电厂核安全设计准则，秦1 - CRDM的安 全等级、质保等级和抗震类别如表1所示

37、：表1 CFCM组成部件清单Tabl e 1 Zfesentl i es I i st of CFCM部件名称安全等级质保等级抗震类别耐压壳部件1QA1I驱动杆部件3QA1钩爪部件3QA1磁轨线圈部件N1EQA2棒位指示器部件N1EQA237台控制棒驱动机构安装任反应堆压力容器顶盖的37个驱动机构管座上， 通过T形螺纹加Q密封焊连接。耐床壳部件作为核1级设备，作为一回路床力边界的一部分，主耍是保证一 冋路斥力边界的完整性，支撑着钩爪部件，同时起到磁力导入的作用，由f结构 和材料的稳定性，其对CRDM动作的失效无影响。同样，对丁驱动杆部件而言，由丁结构和材料的稳定性，其对CRDM动作的 失效也无

38、直接影响。棒位指示器部件安装在耐丿k壳行程套管的外而，它的作用是探测驱动杆部件 的上下位置，与CRDM动作的失效无关联。而磁辄线圈部件，它是CRDM动作力的來源，重要性非常高，但由于磁轨的 稳定性和线圈绝缘结构性能的提高，其可靠性已能满足耍求。钩爪部件是CRDM的关键部件，是驱动控制棒组件移动的执行者，其动作的 上海交通大学丁程硕上学位论文第二率CRDM介绍可靠性是保证整个CRDM功能稳定的关键。下而详细介绍CRDM钩爪部件的功能。2.2钩爪部件结构剖析与动作详解2.2.1钩爪部件简介钩爪部件是驱动机构的动作部件，也是驱动机构的核心部件。见附图仁钩爪部件主耍是由上下两组钩爪组件、三对电磁铁和一

39、个©管式支承结构组 成。每组钩爪由三套钩爪、销轴和连杆组成。上面一组钩爪为可动钩爪，即该组 钩爪除了能通过摆动进出驱动杆齿槽，还可以做上下升降一步的步跃运动：Eifii 一纽钩爪为固定钩爪，固定钩爪只能做进出驱动杆环齿槽的动作，并可略有上下 间隙窜动。三对电磁铁I'l上而下分别命纪为提升、可动钩爪和固定钩爪电磁铁。通常称 一对电磁铁屮的主动磁铁块为衔铁，相对不动的磁铁块为磁极。因而理论上这三 对电磁铁可有三对磁极/衔铁，即提升磁极/提升衔铁、町动钩爪磁极/可动钩爪 衔铁和固定钩爪磁极/固定钩爪衔铁之分。在实际的钩爪部件设计中，提升衔铁 与可动钩爪磁极是合为一体（一个零件）的，

40、即这个零件既是提升衔铁乂当可动 钩爪磁极。电磁铁籍电磁力吸介，受弹赞和巫力作用弹开下落。通过连杆机构，各对电 磁铁带动它们各H的钩爪组，作与驱动杆齿槽的啮合、脱开或步跃式升降动作。所有的动作结构件最终都坐落在一个固定的中心套管轴结构上。套管轴的上 端与提升磁极固接，通过提升磁极顶端T形台肩将穆个钩爪部件挂落在承用密封 部件钩爪部件壳体组件的一个台肩上。套管轴的中心是一个内孔道，可供驱动杆上下步跃穿行。在钩爪部件中还有一个水力缓冲结构设计，它们是缓冲轴的下端轴和固定钩 爪磁极的上孔部。缓冲轴与提升衔铁相连并支承可动钩爪，它可以随提升衔铁作 上下一步的步跃运动：固定钩爪磁极则是与中心套管轴相固接的

41、固定不动件。当 可动钩爪与驱动杆齿榊相啮合并带动驱动杆部件及控制棒组件作下降运行时，该 钩爪与驱动杆的齿杷I啮介设计是不n锁的，当所有电磁工作线圈供电切断时，驱 动杆连带控制棒组件便能在重力作用下快速脱开钩爪而下落。2.2.2钩爪部件的结构CRDM钩爪部件可拆分成38个零件，淸单见表2：表2 CFCM钩爪部件零件清单Tabl e 2 Frt s I i st of CFCMI at ch assentol y编号零件名称编号零件名称编号零件名称编号零件名称1提升磁极11固定磁极21连杆31锁紧环2定位销钉12传递弹簧A22圆柱销轴32不导磁片3锁紧螺钉13传递衔铁23定位螺母33调務垫圈4提升

42、弹簧14调整片24定位螺钉34锁紧螺母5提升衔铁15连接柱25定位销钉35调整垫片6定位销钉16传递弹簧B26定位螺钉36锁紧螺钉7保持弹簧17支承筒27弹簧罩37锁紧螺母8缓冲轴18圆柱销轴28套管轴38调整垫片9保持衔铁19钩爪29定位销钉10定位销钉20圆柱销轴30锁紧螺母钩爪部件的组装过程详见附录2。2.2.3步跃运行原理驱动杆的上升或卜降步跃运行是籍三个电磁I作线圈接收到专用程序控制 的脉冲电流，产生激磁，从而引起电磁衔铁与磁极吸介/放开，最终带动钩爪运 动。这些程序供电山反应堆棒控系统位丁安全禿外的棒控供电装置发出，由此控 制三个线圈电流的大小、接通和断开顺序以及延续时间。这种专用

43、程序的通电顺序是对步跃运行的完整一步（一个循环）而设计的， 其中不包括每一步之间的交替间隙时间。例如，设计步跃运行速度为72步/秒， 而通用的一个循环时间为750-780 秒，见图4。2.2.3.1驱动杆提升程序#上海交通大学工程硕上学位论文第二章CRDM介绍CRDM提升师动作顺序18SiKM提升步跃动作顺序图Fig. 4 Act i on sequence oft hdr a加st eppi ngfftUMO4M上MUbun1MMT2TMUITMI4THUMT«4I4上海交通大学工程硕上学位论文第二章CRDM介绍上海交通大学工程硕上学位论文第二章CRDM介绍O）起始状态：只有尚定钩

44、爪线圈通电图1所示的驱动杆处于被夹持状态，即在反应堆内处于保持定位作状 态。此时，只有固定钩爪线圈通电。提升循环即从这一状态开始。以下 足该循环的每一步的顺序。1）可动钩爪线圈通电可动钩爪衔铁提升，可动钩爪磁极与衔铁之间的间隙h2闭合，使可动钩 爪摆动进入驱动杆齿槽。此时，钩爪与驱动杆之间应存有一个很小的轴 向间隙6。2）固定钩爪线圈断电随这固定钩爪和衔铁向下移动各，在重力的作用下，驱动杆及所带的控 制棒组件下落，驱动杆及其所带的控制棒组件重量即转移到了可动钩爪。 衔铁的继续向下移动使固定钩爪摆出驱动杆齿槽。3）提升线圈通电可动钩爪磁极与提升磁极之间的间隙hi （也即一个步距）闭介，驱动杆 随

45、钩爪提升一步°4）固定钩爪线圈通电上海交通大7匸程硕上学位论文第二章CRDM介绍I古I定钩爪衔铁提升，使固定钩爪磁极与衔铁之间的间隙h3闭合。狡接在 衔铁上的三个连杆将三个固定钩爪摆动进入驱动杆齿槽。钩爪与驱动杆 齿杷I接触并将之提升6,使驱动杆负重从可动钩爪转移到固定钩爪上。5）可动钩爪线圈断电在弹簧力和亜力的作用下，可动钩爪衔铁与可动钩爪磁极脱开。饺接在 衔铁上的三个连杆将三个可动钩爪摆动出驱动杆齿槽。6）提升线圈断电提升衔铁，也即可动钩爪磁极，与提升磁极脱开。可动钩爪下落hl,到 达驱动杆相邻原齿槽的下一个齿槽位。7）第一步以上描述的1）至6）步顺序可称作为一个步跃或一个循环。

46、驱动杆连带 控制棒组件每一步移动hl距离。若以设计选定的某一额定频率匝复该顺 序，驱动杆便以某一个确定的额定速度作提升运行。如果设计选定由可动钩爪作驱动杆的长期夹持钩爪，秦山一期即为此设 计,那么驱动杆的提升程序将在顺序上有所改变。它们依次为3）、4）、5）、6）、 1 ）、2）o2. 2. 3. 2驱动杆下降程序除了提升线圈通电断电顺序不同外，驱动杆下降顺序与以上的提升顺序是 类似的。下降的起始状态也是如图1所示，驱动杆处于被夹持状态，只在周定钩 爪线圈通电。1）提升线圈通电提升衔铁，也即可动钩爪磁极，与提升磁极之间的hl间隙闭介。可动钩爪被 提升到驱动杆原齿槽的上一个相邻齿槽位置。2）可动

47、钩爪线圈通电可动钩爪衔铁提升，可动钩爪磁极与衔铁之间的间隙h2闭合。使可动钩爪摆 动进入驱动杆齿槽。此时，钩爪与驱动杆之间存有6的轴向间隙。3）固定钩爪线圈断电随着固定钩爪和衔铁向下移动6,在重力作用下，驱动杆及其所带的控制棒 组件下落，以至驱动杆及其所带的控制棒组件重屋转移到了可动钩爪。衔铁 的继续向下移动使固定钩爪摆出驱动杆齿槽。4）提升线圈断电提升衔铁，即可动钩爪磁极，与提升磁极脱开。驱动杆及其所带的控制棒组件下落一个步距hl。5）固定钩爪线圈通电固定钩爪衔铁提升，使固定钩爪磁极与衔铁之间的间隙h3闭介。钱接在衔铁 上的三个连杆将固定钩爪摆动进入驱动杆齿杷I。钩爪与驱动杆齿槽接触并将 之

48、提升6,从而使驱动杆负重从可动钩爪转移到固定钩爪上。6）可动钩爪线圈断电：在弹赞力和雨力的作用下，可动钩爪衔铁与可动钩爪磁极脱开。较接在衔铁 上的三个连杆将三个可动钩爪摆动出驱动杆齿權。7）重复第一步：驱动杆下降移动频率与提升是相同的。此频率巫复以上顺序便可实现驱动机 构的连续下降运行。如果设计选定由可动钩爪作驱动杆的长期夹持钩爪，秦山一期即为此设 计，那么驱动杆的下降程序也将在顺序上有所改变。它们依次为：4）、5）、6）、 1）、2）、3）o2. 2. 3. 3驱动杆的夹持和释放在电厂运行的绝大部分时间中，控制棒一苴由驱动机构夹持着，静止地处于 抽岀堆芯位置。此时，每个机构只有固定钩爪线圈（

49、或可动钩爪线圈）通电。被 激励的电磁铁将三个钩爪钩住在驱动杆的某一个齿杷内。驱动杆及其所带的控制 棒组件即由三个钩爪钩挂着。当反W堆需要紧急停堆时，只耍切断供电，驱动杆连同控制棒组件的巫量便 可使不白锁设计的钩爪脱离驱动杆齿槽。接着,籍H版落入堆芯。释棒的具体过程是：切断电源使固定钩爪的衔铁吸贴其磁极的磁场消退，籍 作用在钩爪上的重力促使该衔铁下落。由丁连杆机构设计是不H锁的，所以不必 籍弹赞的作用也是可以释棒的。但是释棒过程中存在的摩橡力是必须考虑的。由丁两组钩爪的结构设计是一样的，因此，控制棒组件无论处在夹持状态还 是正在提升或下降过程中都能释棒。驱动杆被释放后在驱动机构内部及堆芯的运行通

50、道内应作h由落棒，鬥至控 制棒进入其导向管的缓冲段。2.3小结以上了解r CRDM的动作原理之后，如何才能保证CRDM能稳定匸作呢？ 起码有两个条件：一是在规定的时间内控制装置能提供出正确的时序电流；二是 CRDM钩爪部件能可靠动作。耍保证这两个条件满足要求，首先得了解CRDM 的失效机理。下面对CRDM的失效机理进行分析。15上海交通大学工程硕士7位论文第二贯CRDM失效机理分析第三章CRDM失效机理分析3.1 T43棒落棒典型事例分析3.1.1事件起因2005年7月16、17 LI,秦山一期控制棒驱动机构T4棒组作提升操作时出 现棒控装置紧急故障报警，“提升”红灯闪亮，给定棒位显4<

51、T4-1子组无动作。为了确定故障点（即T4J子组三束棒T4.1、T4.3和T4. 5中的哪束棒）,7 月18 H,经分析研究决定，需耍通过操作试验方法进行故障排査。为此制定了 一个尽可能降低反应堆运行风险的手动操作步骤。通过T4J子组从241步位提 升到243步位、T4-2子组从243步位提升到246步位的试验，查明T41子组提 升电流有缺相。接着，将它们作下降复位操作。此时，T42子组作正常步跃下 降，而T4-1子组的T4.3棒在下降第一步的步跃程序中便出现下滑，并一落到底。 6秒钟后，所有棒受反应堆保护停堆信号作用，全部落棒。以上过程均作r CRDM 磁辘线圈电流波形记录，T4.3波形图在

52、传递钩爪脱开驱动轴环形槽前，保持钩 爪进驱动轴环形杷I时无吸合点显示。T4. 3棒落棒导致停堆停机后，仪控专业人员对T41子组控制棒的控制电路 进行了现场检测，没有发现T4.3棒与T4.1棒、T4.5棒在也流电阻方而存在明 显差异，并对T4. 3的控制回路与另两根棒更换，更换后进行测试，T4.3的波形 记录没有得到任何好转，其吸介点显示还是不明显。经过加大保持线圈和传递线 圈的电流后，保持线圈电流由4. 0A增加到5. 3A,传递线圈电流由4. 0增加到5. 0, T4. 3棒提升及下降的波形有所好转，棒的提升及下降处丁正常状态。3.1.2机械结构分析绚驱动机构内部部件的钩爪机械动作释放点分析

53、：对驱动机构内部部件的钩爪动作进行了常温下理论计算及计算机CAD绘图， 示意图见图5,详细计算图见图6。保持衔铁的运动行程是8.5rnno对保持衔铁 动作行程对钩爪行程的分析计算时，以保持衔铁处丁最上端吸合时作为基点，对 保持衔铁每下降1nrn时，钩爪向内收缩的尺寸进行了计算。图5 钩爪动作示意图Fig .5 O i pper rrovement sket ch在保持衔铁吸合时，钩爪向内收缩的故小尺寸为4）37. 42询，也就是表示此 时钩爪有单边2.29nm与驱动轴相接触，随着保持衔铁下降，钩爪由低速到高速 逐步向外扩张，下降行程到约5.6rmi时，钩爪与驱动轴完全脱离，这也表示在保 持线圈

54、得电，保持衔铁向上运动约2.9rnn时，钩爪开始进入驱动轴环槽抓住驱动 轴。笔者认为该行程设计是合理的，机构动作过程中衔铁只需提升完成2. 9rmi 行程即可使钩爪进入环形梢，防止驱动轴非预期坠入堆芯导致反应堆|'|动停堆。 详细计算见3.3.1节。抽环彤惭外闘丫衿钩爪闻定钥中心线倒爪固毎ffi中心到驰动轴中心尺J 钩爪爪蠕面尺、J询爪进入环形榊尺J、亠心不例爪固定鸽中心至钩爪瑞iMilfc离钩爪进榊终点连杆中心线（紆线）何爪进榊终点中心线 »钩爪逬柚终点时端山i位丹何爪进出馆分界点时嚴啲位HE詢爪出梢点-钩爪b连朴it按审中心轨迹钩爪爪尖运动轨迹 钩爪岀馆时连杆移动尺JI

55、何爪完个进榊时辻杆活动销中心<朋动轴中心线P动轴外轮柳线 钩爪进m端面线连杆中心即、钩爪轴线连杆！£中心轨迹i何爪出椚时连朴活功術中心位置 航完全松开时连杆活动销中心位网何爪出松肯连杆活动侑中心移动距离-#上海交通大学工程硕士7位论文第二贯CRDM失效机理分析-#上海交通大学工程硕士7位论文第二贯CRDM失效机理分析图6钩爪动作详细计算图Fi g. 6 Det ai I cal cul at i on dr aW ng of gr i pper rroverrent-#上海交通大学工程硕士7位论文第二赧CRDM失效机理分析以上仅对钩爪在常温下的动作进行了理论计算，在热态T.况下

56、，钩爪的运动 件的形位公差有间隙，间隙越大越易偏磨：同时，销轴尺寸太小也是产生偏磨的 主要原因之一。3.1.3运动件设计的公差配合及表面粗糙度分析经过査阅有关图纸，运动件之间都是采用间隙配介，配介间隙总体范围在 0. 16-0.24nm之间，应该说这个配合间隙属丁很大的间隙，它是根据热态试验中 发现问题而进行设计更改后确定的间隙，调整间隙后的控制棒驱动机构任后续的 热态试验中通过了实际考核；而且设计者特别注明需实测间隙值，日的就是确保 最终零件间的配合间隙达到设计配合的间隙要求。在这些滑动零件的滑动表面， 设计要求的表面粗糙度为0.8,是通过磨床进行加匸才能达到的。这样的配合间 隙和表面加工耍求，相配零件在运动方向仅依幕白重也