核电机组控制棒驱动机构销爪组件垫片检查方案开发及应用研究

关键字：CRDM；销爪部件；垫片；射线检验

控制棒驱动机构（以下简称CRDM）是反应堆控制和保护系统的伺服机构，功能是根据反应堆控制和保护系统的指令，驱动控制棒组件在堆芯内上、下运动，保护控制棒组件在指令高度或断电落棒，完成反应堆启动、调节功率、保持功率、安全停堆和事故停堆[1]，可靠性对于整个机组的安全运行至关重要。机组 CRDM 由销爪组件、驱动杆、压力外壳、操作线圈和单棒位置指示线圈组成，其中销爪组件是由插入、抽出和固定操作时带齿槽的驱动杆啮合并加以支撑的部件组成，所有销爪组件位于压力外壳内，主要部件是两个与驱动杆啮合的销爪，夹持销爪和传递销爪，在销爪固定轴端部设计有锁紧垫片结构。

某核电机组的CRDM 组件在安装调 于销爪组件内部锁紧垫片脱落导致的卡棒或落棒异常现象，经解体检查证实了锁 锁紧垫片脱落现象对机组核安全运行带来影响，国内 机组决定对两 问题出现时机组未装料且设备的状态允许利用常规手段对锁紧垫片脱落情 出现时已装料运行，常规的检查方式已不适用，且存在剂量率高、风险高 受限等因 运机组研发新的检查设备来解决该问题，同时需要通过试验来证实方案和设备在现场具有可用性

1. CRDM 销爪结构

1.1 CRDM 销爪组件结构及锁紧垫片位置

CRDM 销爪组件内部结构局部图见图1[3]，从该结构可以看出，销爪组件内部共涉及A-A,B-B,C-C 三处位置的锁紧垫片，图 2 为典型的B-B 位置的锁紧垫片示意图。

图 1 EPR 机组 CRDM 销爪组件内部结构（局部）

图2 CRDM 销爪组件内部锁紧垫片示意图（B-B 方位）

根据解体后 CRDM 销爪组件情况及原因分析来看，下图 3 中的 33 号锁紧垫片部件发生了脱落，导致了 CRDM 异常现象的发生[4]。图3可看出锁紧垫片的具体位置及形状。

图 3 CRDM 销爪组件发生脱落的锁紧垫片

1.2 垫片脱落原因及影响

针对锁紧垫片脱落的现象， 及步骤。销爪组件在完成工厂 FAT 试验后，需要解体检查，并重新组装,其中在F 爪组件组装过程中需永久固定。但在最终组装阶段偶尔出现工厂工人由于疏忽忘记将垫片 计方分析认为这是由于销爪组件安装程序缺乏详细的指导说明，加上人为疏忽和最 于销爪组件在 FAT 后没有特别的工序去检查锁紧垫片情况，脱落的锁 锁紧垫片脱落后落入到了销爪部件与驱动杆之间的间隙，有一定几率导致驱动杆卡涩或卡死 而导致控制棒组件不能完成下插动作，产生核安全事件。

2. 开发思路及可行性分析结论

2.1 开发思路

开发思路为通过一种无损检验方法确定 CRDM 销爪组件内部的锁紧垫片是否存在脱落情况。根据设计方对销爪详细结构及制造工序的分析，若未执行铆接锁紧操作，则锁紧垫片在出厂前的某个工序就已经脱落，不存在锁紧垫片未锁紧又挂在销轴上的情况[6]，因此可以通过在线的RT 方法来确认锁紧垫片是否脱落。

由于受CRDM 销爪组件内部复杂结 件进行逐根解体检查的客观条件下，如实现这种检查方案，需要开发一套有效的内部 。经研究 CRDM 销爪组件内部详细结构形式及锁紧垫片所处的位置，可考虑 照工艺、曝光参数、射线能量及现场实施可行性等方面进行研究。理论上来 需要解决的难点和挑战，如检查方案和检查设备需解决放射源快速的自动定位 确保异物不遗留结构CRDM 内部，如何进行有效评定等难题。而且该方案要达到经济性 能满足大幅降低人员集体剂量的要求。

2.2 可行性分析

所设想的CRDM 销爪组件垫片位置的透照工艺为：采用中心曝光方式来探测 A-A,B-B,C-C 三处锁紧垫片位置是否存在脱落的情况，这种方式成像质量高，且中心曝光结构件变形产生的影响最小，一次即可实现周向均布的锁紧垫片情况，效率及可靠性高。经研究分析销爪组件的厚度范围与射线源能量的匹配性，可选择铱 192 放射源进行检查，曝光参数选择适合评片的黑度范围，焦距选择通过CRDM 耐压壳外径计算获得。

按照上述工艺检查，A-A 及 B-B 两位置的垫片影像存于一张底片，C-C 处垫片位置的影像单独成像。通过分析射线束穿过销爪组件后的成像情况后，在锁紧垫片未脱落的情况，射线底片上将显示垫片完全处于正常位置，在锁紧垫片脱落的情况下，将显示垫片位置异常脱落或在应有的位置未发现垫片存在。

通过理论分析和在 CRDM 真实试样上开展试验，上述锁紧垫片检查方案可满足检查要求。

3. 设备开发及调试试验

3.1 设备开发总体方案

由于在役大修期间 CRDM 所处的特殊环境和位置，实现上述检查方案需要开发有效的自动射线检查装置，包括放射源自动定位装置和耐压壳外部自动送片装置。设备开发过程中需要解决上述提及的放射源在控制棒驱动机构内部空间的自动寻找定位问题、导源管在控制棒驱动机构内部长行程无卡涩精确定位问题、同时需要解决在 CRDM 耐压壳复杂丛林结构中狭小空间的远程高效布片等问题。

大修时，CRDM 组件随顶盖落坐于顶盖存 员及设备进出通道高度不足 700mm，CRDM 热套管最下方端面处距地面约 2.5 米，销爪组 空间较为狭窄，放射源行走路径较长。在顶盖下方，设备设计需考虑可通过入 9 根 CRDM 坐标定位，并可将导源管通过CRDM 下部的热套管端面由下至上进入到销爪组件内 射线胶片布置需定位在顶盖上方 CRDM 阵列丛中的耐压壳周围垫片相对应的位置，空间狭窄， 和背屏的安装和定位，并保证作业过程不能产生异物。

3.2 机械结构设计

针对检查需求，开发了一种基于五轴机械臂的导源管推升装置和一种专用的布片装置。五轴机械臂设计为可折叠结构，方便从顶盖支撑通道送入顶盖下方，在采取固定和定位措施后可实现每根 CRDM 的坐标定位和CRDM 销爪组件 100%的覆盖，如图 4 所示。

图 4 五轴机械臂结构示意图 图 5 导源管推升装置示意图

在五轴机械臂的末端设计搭载了导源管推升模块，采用固定手爪和移动手爪相结合步进式的推升方式将内置有导源管的柔性软管推升入指定的 CRDM 销爪组件内部相应曝光点。导源管推升装置采用固定气爪和移动气爪结合的方法，步进式地实现柔性导源管的长行程推升。其主要结构如图5 所示，设有喇叭口感应装置、对中装置、上下导向套、移动气爪、固定气爪、单轴模组、伺服电机、导源管及其保护管等部件。工作时，导源管推升装置搭载在 CRDM 定位设备末端，随机械臂上升，当喇叭口感应装置感应到喇叭口后，机械臂停止上升；移动气爪、固定气爪、单轴模组交替工作，将导源管向上推升至指定曝光点。

为了实现射线源中心曝光方式，保证结构及垫片的成像质量，在导源管的头部开发了相适应的对中装置，用于确保放射源可对中，并防止放射源在其中卡涩。此外，设计了可感应到CRDM 热套管下端面的感应装置，用以标定推升装置与CRDM 组件之间的相对垂直距离。在软件控制方面，本设备通过软件算法自动快速粗定位和视觉图像微调定位结合的方法，实现了各个 CRDM 的快速精确定位。

射线布片装置也采用精确定位的设计，因垫片检查需求涉及两个位置，布片装置设置有上胶片区、下胶片区、上保护筒、下保护筒、防坠绳索、定位筒体等。这种专用的布片装置结构简单可靠，注重轻量化和防异物设计，包括内套管组件、屏蔽筒、连接绳索等，内套管组件内部形成贯通的容纳腔，其周面上设有若干个用于安装胶片的定位台阶；屏蔽筒分别悬设于内套管组件外周且与各个定位台阶分别对应；连接绳索用于连接屏蔽筒和内套管组件。

现场实施时，可将上保护筒抬起，将装有胶片的暗袋沿相应台阶绕一圈，用布基胶带粘接，然后将上保护筒放下，套在上胶片区。布置下胶片区采用类似流程，注意暗袋需在防坠绳索的内部穿过。

3.3 设备主要性能指标与关键技术

CRDM 销爪组件锁紧垫片自动射线检查设备主要的性能指标与关键技术如下：

1）设备可实现顶盖下方空间范围内的两个方向坐标自动定位以及高度方向的射线源

2）设备采用柔性管和气爪步进式推升方案，可在受限空间条件下实现射线导源管的长行程推升与定位，重复定位精度误差可实现小于5mm；3）射线布片装置结构简单可靠，具备防脱落设计，可快速精准定位两个胶片相对于 CRDM 销爪组件锁紧垫片的位置。

3.4 调试试验

3.4.1 设备制造误差测试

本试验对所开发的自动化设备的精度也做了相应的测试，精度测试的主要目是为了防止当放射源偏离透照中心时，由于锁紧垫片影像的变形、位移、放大导致无法判断垫片位置和存在状态，通过试验从而得出设备制造时的精度限值。通过设置一定的偏移量，得出设备制造精度限值，表 1 为试验数据。

表 1 偏移测试参数数据

偏移测试射线检验底片影像分析如下：

A 位置和B 位置在放射源偏移 5 ㎜时，对锁紧垫片的影像影响较小，可清晰分辨出锁紧垫片的存在位置和状态；

A 位置在放射源偏移 7 ㎜时，锁紧垫片影像有一定的影响，底片上锁紧垫片位置黑度较小；

A 位置和B 位置在放射源偏移 10 ㎜时，锁紧垫片影像均出现黑度不均匀，A 位置垫片影像无法判断其位置和存在状态，B 位置锁紧垫片影像可判断其位置和存在状态；

B 位置在放射源偏移 15 ㎜时，锁紧垫片影像畸变严重，无法判断其位置和存在状态。

由以上测试分析得出该自动化射线检验设备的垂直方向定位时允许的误差为±5 ㎜。试验阶段利用1:1 的 EPR 机组顶盖模拟体，进行了设备功能和定位测试。实验结果显示，设备各项功能正常，垂直方向定位精度最大为±3.5 ㎜，满足上述工艺实验要求。

3.4.2 工艺参数测试

试验采用的具体检验工艺参数如表2 所示，工艺满足检测要求。

表2 工艺参数测试

现场应用

该自主研发的自动化射线装置在国内某核电机组首次大修现场成功应用，满足 CRDM 销爪组件中的锁紧垫片情况检查需求。该设备成功实现了 89 根 CRDM 坐标快速准确定位及导源管和射线布片装置的远程定位。利用该技术方案和检测设备可得到的符合要求的底片清晰度及黑度，射线底片上能清晰地识别 CRDM 销爪组件内部锁紧垫片的状态情况，为该问题的顺利解决提供了有效的检查方案和检查工艺。整个检查过程效率高，设备可靠性高，操作人员所受的剂量达到了最优化水平，检查过程无不合格底片产生。检查过程典型的图片图像如图 6 所示。

图 6 CRDM 销爪组件锁紧垫片典型成像影像

5. 结论

针对国内某核电机组CRDM 销爪组件锁紧垫片检查专项问题，本项目在充分分析销爪组件内部结构基础上开发了一套用于解决此机组CRDM 复杂销爪组件内部锁紧垫片异常情况的检查技术方案及自动化检查设备，并成功在现有核电站机组上成功应用，为国内外核电站CRDM 组件内部结构检查首次成功应用的案例。本项目基于五轴机械臂视觉引导的空间定位技术，解决了由于顶盖空间受限、CRDM 自动定位难度及精度高、机械臂远近沉降不一等自动空间定位的技术难题。本项目也开发了一种固定气爪与移动气爪相结合的步进式柔性轴导源管推升装置和设计优化的对中装置，克服了在大行程、内部通道变径、复杂结构通道内的防卡涩难题，实现放射源在CRDM 销爪组件内部的高精度、可靠定位；本项目开发了用于 CRDM 销爪组件内部垫片在役检查的射线布片装置及方法，在分布空间复杂情况下的 CRDM 耐压壳外围的狭小空间实现了远程高效布片，精确定位到了锁紧垫片所处的检验位置，解决了射线检查底片定位难题。

参考文献

[1]TNPJVC，《EPR 核电厂系统与设备》，广东台山：TNPJVC，2012, P70-P71

[2] FRAMATOME, NCOF-GTST-025099 A-003 CRDM Root Cause Analysis, FRAMATOME, 2019,P4-P7

[3] AREVA NP-CNPDC，TS-X-NIEP-NEER-G-DB-100742+Rev.B, AREVA NP-CNPDC, 2011, P1

[4] FRAMATOME, NCOF-GTST-025099 A-003 CRDM Root Cause Analysis, FRAMATOME, 2019,P4-P7

[5] FRAMATOME, NCOF-GTST-025099 A-003 CRDM Root Cause Analysis, FRAMATOME, 2019,P13

[6] FRAMATOME, NCOF-GTST-025099 A-003 CRDM Root Cause Analysis, FRAMATOME, 2019,P11