新型棒位探测器制造技术及性能分析研究

秦海俊， 禹华强， 陈正

（东方电气集团东方汽轮机有限公司， 四川德阳， 618000）

0 引言

棒位探测器 （简称 “RPI”） 是控制棒驱动机构 （简称 “CRDM”） 的关键检测设备， 主要用于测量CRDM 驱动杆在反应堆的实际位置， 从而确定反应堆控制棒的实际位置， 对监控核电站安全运行有非常重要作用， 该设备属于核电站反应堆核岛产品。

RPI 供应商主要集中在欧美等西方国家， 目前国内在运机组的RPI 大部分依靠进口， 防止出现“卡脖子” 问题， 正在实现国产化， 彻底掌握新型棒位探测器制造核心技术， 公司进行了新型棒位探测器研制并进行了鉴定试验， 收集、 分析了数万条试验数据， 为RPI 和CRDM 的国产化奠定了基础。

1 新型棒位探测器简介

RPI 在原理上采用差动变压器的测量原理，主要由棒位探测线圈组件、 外筒体组件、 定位卡环、 抗震支撑板连接法兰、 压缩弹簧、 电连接器及相应的连接紧固件组成。 棒位探测线圈组件主要由线圈支撑件、 1 个初级线圈、 31 个次级线圈和2 个辅助线圈等组成， 初级线圈贯穿整个驱动杆行程的全部范围， 次级线圈被分为五组， 每组线圈均按差接法连接形成五位葛莱码。

主要技术参数： 环境温度， 5 ℃； 耐压次级线圈工频500 V， 1 min， 初级线圈直流707 V， 1 min； 相对湿度100%； 长期运行温度150 ℃； 辐照累积剂量≥5.3×104Gy； 短期运行温度200 ℃；外形尺寸约Φ168 mm×4 006 mm； 绝缘电阻≥100 MΩ； 设计寿命40 年。

2 制造技术研究

2.1 结构优化设计

二代半CPR1000/三代华龙一号机型RPI 均采用整体式结构， 如图1 所示， 次级线圈外层绕制初级线圈， 结构紧凑， 但不易于维修和故障排除。

图1 整体式RPI 示意图

公司CRDM 根据在国内运机组RPI 存在的问题， 进行设计改进， 将整体式结构优化为分体式结构， 使初次级线圈独立制造和装配， 提高了RPI 的可维护性和使用寿命， 如图2 所示。

图2 新型分体式棒位探测器示意图

2.2 材料筛选

国内在运机组的RPI 基本都是依靠国外进口，自主国产化需要从原材料筛选开始。 公司进行大量市场调研， 筛选RPI 需要的11 种非金属材料，通过辐照试验和热老化试验， 使用γ 射线进行辐照前后的性能筛选检验， 辐照剂量不低于5.3× 104Gy； 然后经过200 ℃的高温处理， 检验各材料的性能参数。 经过约2 个月的严密策划和连续测试，顺利完成了11 种非金属材料筛选。

2.3 线圈制造

每台RPI 件主要包括一个初级线圈、 33 个次级线圈。 线圈制造包含多道复杂工序， 如绕线、浸漆、 烘干固化、 电气测量等。 次级线圈的漆包线直径只有0.226 mm， 每个线圈1 700 匝， 一套RPI 56 100 匝， 绕制极为困难， 容易出现塌层；由于漆包线外层为光滑的绝缘层， 排列紧密后浸漆难度加大， 不易浸透。

通过数百次的线圈试制、 解剖， 终于摸索出了一套合格的绕线、 浸漆、 固化工艺， 并通过了约18 个月的耐热性评定试验， 验证了线圈的使用寿命达到40 年。

3 性能分析

为验证新型RPI 样机主要技术参数是否达到设计要求以及性能和制造技术的可靠性， 设计了工程样机鉴定试验操作规范， 包括基准试验、 设备性能随时间变化试验、 电磁兼容试验、 长周期运行试验等， 考核样机的综合性能指标。

3.1 外观检查、 基准试验

参考相关规范进行检查：

•外观检查： 检验样机焊缝是否完整， 检查紧固件是否安装到位无松动；

•基准试验： 直流电阻测试、 绝缘试验、 耐压试验， 试验数据趋势分析详见图3～8， 均满足设计要求。

图3 A 组线圈输出电压曲线

•基本功能和性能测试。

新型RPI 样机外观检查、 基准试验、 基本功能和性能测试均满足设计要求。

图4 B 组线圈输出电压曲线

图5 C 组线圈输出电压曲线

图6 D 组线圈输出电压曲线

图7 F 组线圈输出电压曲线

图8 阈值电压测定波形图

3.2 评定设备性能随时间变化的试验

RPI 样机通过了评价设备性能随时间变化的试验考验， 该试验包含振动试验、 环境试验（高温（干热）试验、 低温（冷）试验、 交变湿热试验）、 极限压力试验。

3.2.1 振动试验

本试验要验证在正常振动工作环境中， RPI样机设备性能是否满足设计要求。

（1）振动响应检查

沿X/Y/Z 3 个直角方向施加的正弦波振动， 以10～2 000 Hz 连续扫描， 频率变化以每分钟1 倍频程的速度进行， 扫描1 次。 在交越频率57 Hz 以下， 以0.15 mm 恒定位移扫描； 在57 Hz 以上，以2g 恒定加速度扫描。

（2）扫频耐久试验

沿X/Y/Z 3 个直角方向施加的正弦波振动， 以10～2 000 Hz 连续扫描， 频率变化以每分钟1 倍频程的速度进行， 扫描2 次。 在交越频率57 Hz 以下， 以0.15 mm 恒定位移扫描； 在57 Hz 以上，以2g 恒定加速度扫描。

（3）定频耐久试验

可选择振动响应检查出的危险频率， 或者采用0.8～1.2 倍危险频率的近固定频率扫频。 在交越频率57 Hz 以下， 以0.15 mm 恒定位移扫描； 在57 Hz 以上， 以2g 恒定加速度扫描。 持续时间10±0.5 min。

（4）完成后检查外观和各电气性能

3.2.2 环境试验

•高温（干热）试验： 检验RPI 样机是否在设置的极限高温下使用和（或）储存的适应性。

•低温（冷）试验： 检验RPI 样机是否在设置的极限低温下使用和（或）储存的适应性。

•交变湿热试验： 检验RPI 样机在设置的温度循环变化和湿热条件下使用和储存的适应性。

3.2.3 极限压力试验

将RPI 工程样机放入密闭容器中， 充入氮气，加压至0.56 MPa， 保压30 min， 然后卸压， 然后进行外观和电气性能检测。

3.3 电磁兼容试验

RPI 样机经受住了电磁兼容试验， 包括静电放电抗扰度试验、 射频电磁场辐射抗扰度试验、 射频场感应的传导骚扰抗扰度试验、 工频磁场抗扰度试验。

3.3.1 静电放电抗扰度试验

由于人体静电感应对仪器可能带来危害， 试验目的检查RPI 样机外部任何一点， 由于操作者所加的静电感应信号是否能引起被试设备破坏或性能下降。 试验严酷度等级按3 级标准执行， 验收标准： B。

3.3.2 射频电磁场辐射抗扰度试验

射频电磁场辐射抗扰度试验， 测试RPI 样机对射频电磁场的抗扰度。 试验严酷按3 级标准执行， 验收标准： B。

3.3.3 射频场感应的传导骚扰抗扰度试验

射频场感应的传导骚扰抗扰度试验， 测试RPI 样机对射频电磁场感应的传导骚扰的抗扰度。试验严酷按3 级标准执行， 按照验收标准B 进行判定。

3.3.4 工频磁场抗扰度试验

检查RPI 样机对于其特定位置和按照条件（如设备靠近骚扰源）相关的工频磁场时的抗扰度。 试验按4 级标准执行， 按验收标准B 进行判定。

3.4 长期稳定性运行试验

RPI 样机进行完以上试验后， 应在CRDM 试验台架上进行长期稳定性运行试验， 在热态工况下（286 ℃、15.5 MPa）进行168 h 的往复运行试验，RPI 波形无异常， 棒位显示精度应在-6～+7 步。

3.5 鉴定试验结论

鉴定试验显示新型棒位探测器样机主要技术参数达到甚至部分优于设计要求， 验证了公司新型棒位探测器的性能和制造技术的可靠性， 基准试验、 设备性能随时间变化试验、 电磁兼容试验、长周期运行试验等顺利实施， 各项综合性能指标均满足要求。

4 结束语

通过近半年的研制， 公司顺利完成了新型棒位探测器的设计、 样机试制和鉴定试验， 各项数据均满足设计要求。 实现了棒位探测器的国产化制造， 积累了制造核心技术和大量的试验数据，为后续三代棒位探测器及相关产品的研发奠定了坚实基础。