2017遠東論文精選：反應堆控制棒束檢測中的異常信號分析

核電站資料圖

反應堆控制棒束組件（簡稱RCCA）是一種快速控制反應堆核反應性的工具，在正常運行時用于調節反應堆功率，在事故工況下快速引入負反應性，使反應堆緊急停堆，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結構圖

運行工況下，RCCA在燃料組件中上下運動，從而易產生磨損缺陷，加之長期處于高溫、高放射性環境下，還可能產生腫脹、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堆下一循環正常運行的RCCA。

磨損、腫脹和裂紋是核電站反應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在已比較成熟。實際應用中，信號采集設備本身、現場環境等因素引起的信號異常現象也時有發生，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。

中廣核檢測技術有限公司的技術人員們對在現場檢測過程中出現的三種異常信號進行了分析，以期為同行們在設備調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合的方法，信號采集設備對稱分布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，如下圖所示。超聲檢測采用水浸聚焦探頭，探頭固定在齒輪結構上。現場檢測時，12個超聲探頭同步高速旋轉，同時帶動一個零點開關旋轉，零點開關用于各個通道周向初始位置的標定以及為超聲儀提供周向截止信號，以用于后續信號處理。

信號采集設備實物

2 掃查方式

RCCA的超聲檢測時采用探頭周向旋轉，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，螺旋形掃查需要設置合理的周向分辨率和軸向分辨率。現場檢測中,一般周向分辨率設置為2.98°，即探頭每旋轉一周約采集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；軸向分辨率設置為2mm，即螺旋線的螺距為2mm。由于探頭旋轉一周的時間和控制棒軸向運動一個螺距的時間應相同,因此假設探頭旋轉速度為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

現場檢測中，當采用標定棒對設備進行標定時，出現如下圖所示的異常信號，其典型特征是所有標準傷均向一個方向傾斜，而且在12個通道內呈現同樣的規律，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。周向信號出現偏差的可能原因有：超聲軟件相關配置問題、超聲儀問題、編碼器電纜線問題、零點開關問題等。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。拆開設備腔體，發現與零點開關傳感器固連的齒輪出現了松動，使得該齒輪不能和其他超聲探頭上的驅動齒輪同步旋轉，因此向超聲儀發送了錯位的周向截止信號，導致周向信號出現了偏差。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信號采集設備在燃料廠房時信號均正常，而在調試廠房時卻出現了如下圖所示的異常信號，其特征是所有標準傷信號周向、軸向位置均正常，但總是規律性地出現數據丟失的問題。

異常信號2

根據分析，認為這種現象應該是超聲探頭周向旋轉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，因此出現了信號丟失現象。

由公式60/n ＝l/v可以得出不出現信號丟失的條件為：周向旋轉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。對于設備的最高轉速700r/min，由上式可得知，控制棒軸向最大運動速度為23.3mm/s，大于該值將出現信號丟失現象。

異常信號三

現場檢測中也時常出現下圖所示的異常信號,其特點是在周向某一角度上出現連續或者斷續的信號丟失，幾乎貫穿整個軸向長度，而且是個別通道才出現這種現象。所有標準傷信號及其周向、軸向位置均正常。

異常信號3

經分析認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要依靠齒輪結構齒面之間的相互配合來完成，齒輪齒數相同，因此相鄰齒輪的嚙合面總是一一對應；而更換探頭后，如果不能保證原齒面的對應關系，則新的配合會由于磨損不同，需要一定的“磨合期”，“磨合期”內新齒面之間配合不暢，就會導致齒輪出現輕微震動、卡澀，當這種配合正好出現在某一角度時，則出現上圖所示的異常信號。當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，在中廣核檢測技術有限公司主要從事核電站在役檢查設備的研發工作。

來源：《無損檢測》2017年第39卷第10期“2017遠東無損檢測新技術論壇論文精選”