反应堆厂房内环境对磁性数显定位设备的影响研究

黄新东 洪 龙 王炳炎 段春辉 任 荷

（中国核动力研究设计院 核反应堆系统设计技术重点实验室，四川 成都610041）

0 引言

现行核电厂装卸料工艺采用数控装卸料机，其定位精度约3mm，在换料时需要人工全程监控、节点确认和实时干预，存在定位机构结构复杂、操作员劳动强度大、人因干扰因数较大等情况。如在核电厂装卸料系统中采用磁性数显定位技术，可简化定位装置的结构，提高其可靠性和维修性，并可提高数控装卸料机的定位精度，为初步实现数控装卸料机的无人化、全自动化和远程遥控创造条件。但装卸料系统运行环境恶劣，除温度、湿度外，反应堆厂房内的高辐照环境也可能对磁性数显设备的使用性能产生影响。因此，为了将该技术应用于核电厂反应堆装卸料领域，必须研究反应堆厂房环境对磁性数显设备的影响。

1 技术方案、关键技术及解决途径

1.1 技术方案

本课题的研究采用调研、试验的方法，测量并对比磁性数显定位设备在模拟的反应堆厂房内高温、高湿、高辐射环境条件下的使用性能的变化情况，根据所得出的具体数据进行分析和计算，在对比现有成熟技术的基础上，研究论证磁性数显定位设备在反应堆厂房内进行工程运用的可行性，并制定磁性数显定位技术运用于反应堆核燃料装卸系统的技术方案。

1.2 技术指标

按照《大亚湾核电站系统及运行》、《广东核电站系统手册》、《秦山核电工程》、《核仪器环境条件与试验方法》、《电工电子产品基本环境试验规程 试验Ka：盐雾试验方法》等文件、标准的描述，以及大亚湾核电站辐照测量数据及近海岸大气环境调研数据，在反应堆正常运行时，堆厂房内的环境温度为15℃～45℃、20m平台放射性剂量水平＜20mSv/h、环境盐雾：＞2mg/m3[1－2]；按 GB8993-1998 选择本课题的试验为I组3K4， 其环境湿度约 90～95%、 环境气压 86 kPa～106kPa[3]；按GB2423.17-1993 的规定，盐雾试验温度为 35±2℃[4]。综上所述，选择本课题技术环境模拟技术指标为：模拟环境温度10℃～50℃、模拟环境湿度100%、模拟环境放射性剂量水平＜20mSv/h、模拟环境气压：86 kPa～106kPa、模拟环境盐雾：＞2mg/m3。在模拟环境试验中采用的试验件规格为：PGHW25C，长度为 900mm（见图 1）。

1.3 关键技术及其解决途径

1.3.1 反应堆厂房内环境条件模拟技术

综合模拟实际反应堆厂房内环境条件比较困难，而将试验件放入实际反应堆厂房内进行试验又会面临沟通、试验设施的设置、数据测量和研究周期较长等困难。因此将环境因素分解后进行分项模拟试验

反应堆厂房内环境因素主要为温度因素、湿度因素、辐射因素、粉尘因素、盐雾因素。因此现场环境对磁性数显定位设备的影响可分解为上述环境因素对磁性数显定位设备的单独影响。由于磁性数显定位设备的测量特性不因含油、水、粉尘等恶劣工作环境而改变。所以，可不进行对粉尘因素影响的研究。由于前期调研发现磁性数显定位设备的工作温度为0℃～50℃、贮存温度为-5℃～70℃，而反应堆运行期间反应堆厂房内的温度最低为15℃，最高为50℃。所以，可不进行对温度因素影响的研究。

通过高湿环境模拟试验、盐雾环境模拟试验，使用专用试验容器和相关装置模拟反应堆厂房内的湿度、盐雾环境进行试验，取得湿度和盐雾模拟试验的测量结果；通过寻找合适的辐照站模拟反应堆厂房内的辐射环境进行放射性模拟试验，取得辐照模拟试验的测量结果。为缩短试验时间，在计算出设备预期寿命期接受的照射总剂量后，采取适当加大照射剂量的方法进行试验。

1.3.2 在试验条件下磁性数显定位设备使用性能的测量技术

由于模拟环境的影响，如果采用在线测量取得测量结果，可能会面临测量仪器也受模拟环境影响而产生较大测量误差的情况。可采用离线测量取得测量结果。即在试验前对试验件进行测量和标定，将试验件放入模拟环境中达到一个标准时间后，取出试验件并进行运行和测量，然后再将试验件放入模拟环境中，以此类推直至达到试验规定时间或试验件失效为止，从而取得测量结果。在试验中，使用双频激光干涉仪（见图2）对磁性数显定位装置的定位精度进行测量，其不确定度为 0.04μm。

图1 磁性数显定位装置试验件Fig.1 Magnetic Locating Device With Display Unit

图2 双频激光干涉仪Fig.2 Double Frequency Laser Interferometer

2 试验

2.1 辐照模拟试验

根据研究的需要，应考察磁性数显定位装置在辐照环境下分别工作1年、2年、5年、10年的性能。在辐照试验前、后分别对试验件使用双频激光干涉仪进行长度定位精度计量检定。参照《反应堆厂房环境对磁性数显定位装置的影响研究总体技术方案》中的辐射剂量水平数据，可计算出每种情况的累积剂量，从而确定每种试验件辐照试验的时间，具体数据参照表1：

表1 辐射计量表Table1 RadiantIntensity

将试验样品，包括磁尺、导轨和滑块一起放入辐照腔内按照正常工作10年的累积剂量进行加速辐照实验，最后对试验结果进行分析。

2.2 高湿、盐雾模拟试验

高湿、盐雾环境试验时间为240h、480h两个阶段。在240h先时将试验件取出，进行长度定位精度计量检定后,继续进行盐雾试验至480h后取出进行精度计量检定。

为便于试验用溶液的调配，并加速试验件的腐蚀，设定试验采用盐雾浓度为0.6克/升，是设备使用环境的盐雾浓度的30万倍。

3 试验结果分析

试验后编制了辐照模拟试验和高湿、盐雾模拟试验的试验报告，并对相关试验件进行了检定。

3.1 辐照模拟试验结果与分析

在模拟核电站10年累计剂量的γ射线辐照后，磁性数显定位设备中对定位测量最重要的磁条和磁性读数头部件的性能基本无变化，且滑块在导轨上的滑动顺畅无阻滞。试验件检定的绝对误差分布见表2，对检定数据的统计分析见图3。

表2 辐照试验误差分布表Table 2 Measurement Error Before and After Radiatio Experiment

图3 磁性数显定位装置辐照前后检测数据图Fig.3 The Measuring Data of Magnetic Locating Device With Display Unit before and after experiment

在模拟核电站10年累计剂量的γ射线辐照后，磁性数显定位设备中对定位测量最重要的磁条和磁性读数头部件的性能基本无变化，钢制导轨虽然出现轻微的表面腐蚀现象，但基本不影响磁性数显定位设备的定位精度。

3.2 高湿、盐雾模拟试验结果与分析

在模拟近海岸大气环境湿度与盐雾时，为了加速试验件的腐蚀，将湿度增大到100%，盐雾浓度增大30万倍达到0.6克/升，试验结果显示，磁条中间部位有1个点状腐蚀（Φ1.5mm）（见图7），在磁条的一端靠近端部约80mm处有1cm2的片状腐蚀。

滑块可在导轨上滑动；除出现两个腐蚀处外，其余磁条表面光滑平整未产生变形。

试验件检定数据及误差分布见表3、表4、表5，对检定数据的统计分析见图8。

图4 磁体点状腐蚀图Fig.4 Punctate Erosion of the Magnet

表3 试验前测量结果Table 3 The Measuring Result Before Experiment

表4 试验后精度测量结果Table 4 The Error Measuring Result After Experiment

图5 磁性数显定位装置盐雾试验前后检测数据图表Fig.5 The Error Measuring Result of The Magnetic Locating Device With Display Unit Before and After Salt Mist Test

在试验中，磁性数显定位设备检定测量行程最大为0.66m。

所以，根据公式（2），磁性数显定位设备的定位精度为：

Δ1=±（80+15×0.66）

=±0.0899 mm≈±0.09mm

经过测量精度检定，点状腐蚀处的读数精度未受影响，片状腐蚀处的读数精度为0.16mm。

所以，片状腐蚀处的读数精度下降了0.07mm。

3.3 采用理论计算叠加测量结果

本课题取得了辐照模拟试验和高湿、盐雾模拟试验，取得了相应的试验数据。为了综合分析环境因素的影响，对所取得的试验数据进行叠加以取得综合误差数据。

通常，对此类计算是采用均方根计算法进行叠加，本课题为慎重起见，采用绝对值计算法进行叠加，见表6，综合误差分布统计见图6。

表5 综合误差表Table 5 Compositive Error

通过综合误差分布统计可知，辐照模拟试验和高湿、盐雾模拟试验所模拟的环境因素对磁性数显定位设备定位测量精度的影响不明显。

由于磁性数显定位设备本身的定位精度为±0.09mm，所以，从表5和图6可看出：

a.在试验前，有 4 个误差值大于 0.09mm，最大超差 0.0352mm（表中红字）；

b.在试验后，有 5 个误差值大于 0.09mm，最大超差 0.0948mm（表中兰字）；

c.在试验前后，其余51个误差值均小于0.09mm；

d.试验前正向平均综合误差为0.04277mm，试验后正向平均综合误差为0.05134mm，平均综合误差正向扩散0.00857mm；试验前反向平均综合误差为0.05551mm，试验后反向平均综合误差为0.05592mm，平均综合误差反向扩散0.00041mm。试验后超差现象没发生扩散，不具有普遍性，是个别现象；

e.试验前后的误差绝对值均小于0.185mm。

图6综合误差统计图Fig.6 Compositive Error Graph

3.4 磁性数显定位设备环境适应性分析

通过辐照模拟试验和高湿、盐雾模拟试验可发现，对磁性数显定位设备而言，辐射因素的影响可忽略不计，高湿、盐雾因素的影响为个别、局部的影响，且导致的设备定位精度下降程度在可接受的范围内。经观察，判定高湿、盐雾模拟试验造成的磁条中间部位的点状腐蚀和在磁条的一端靠近端部约80mm处的片状腐蚀为个别现象；经对读数头的结构分析，发现读数头的磁电精密元件均封装在胶状体内，与外界大气环境隔绝，所以读数头性能基本未受高湿、盐雾模拟环境的影响。

为防止磁条在反应堆运行期间的高湿环境中出现腐蚀，可采用以下方法：

第一种办法，在反应堆启堆前，将磁条取出，送往AC厂房贮存。在装卸料机运行前复装并检查磁条；

第二种办法：在磁条表面涂附有机防护层，防护层厚度应不阻滞滑块在导轨上滑动，涂附温度应低于50℃，应至少可承受5年累积剂量的照射而不失效。

不论采用采用哪种方法，在装卸料机运行前都必须对磁性数显定位设备进行零位检查和调试；应定期对磁性数显定位设备进行功能验证试验，以保证磁性数显定位设备的可用性；应按设备维修计划定期更换零部件。

4 结论

磁性数显定位设备在模拟核电站厂房内环境的辐射模拟试验和高湿、盐雾模拟试验中表现优良，定位精度≤±0.185mm。其中，辐射因素的影响可忽略不计，高湿、盐雾因素的影响为个别、局部的影响，且导致的设备定位精度下降程度在可接受的范围内。所以，磁性数显定位设备定位精度受环境因素影响较小，对核电站厂房环境适应性较好。

现行核电厂采用数控装卸料机，其综合定位精度约±3毫米，而磁性数显定位设备在模拟核电站10年累计剂量的γ射线辐照和湿度增大到100%、盐雾浓度增大30万倍的情况下，综合定位精度仍能达到约±0.185mm。

所以，磁性数显定位设备在核电站厂房内使用时，其定位精度在环境因素影响下仍能满足高精度定位需求，可应用于核电站、核能海水淡化厂、动力堆装卸料设备的运动定位测量领域。

［1］陈济东.等.大亚湾核电站系统及运行[M].

［2］欧阳予.等.秦山核电工程[M].

［3］李国祥.等.核仪器环境条件与试验方法（GB/T8993-1998）[S].

［4］刘慧贞.等.电工电子产品基本环境试验规程试验Ka：盐雾试验方法（GB/T2423.17-1993）[S].