数字棒位显示系统探测器缺陷分析及改进

凌奇，杨海波

(国核工程有限公司，上海　200093)

数字棒位显示系统探测器缺陷分析及改进

凌奇，杨海波

(国核工程有限公司，上海200093)

针对AP1000依托项目棒位指示系统探测器所发现的问题进行分析，并通过后续改进制造工序，运用相关标准对关键工艺进行质量控制和验收。结果表明:经过工艺改进和标准使用控制，可以消除缺陷，并在后续制造过程中防止重复发生，取得良好效果;同时，也为该类设备在后续制造和质量管理提供经验反馈和良好借鉴。

AP1000;DRPI探测器;焊接缺陷;工艺控制;焊接验收标准

AP1000核电厂中数字棒位显示(DRPI)系统是电厂控制系统的一个重要组成部分。DRPI系统探测控制棒的实际位置，以监视棒控系统的运行，对整个反应堆的稳定运行具有十分重要的作用。准确并可靠的控制棒位置探测和指示是电厂安全运行的重要保证。DRPI实现了准确可靠的棒位显示功能。

在对探测器工厂测试和现场开箱检查中，发现其存在不同程度的焊点锈蚀，进而导致功能失效的情况。笔者对探测器失效的原因进行分析，介绍制造工艺改进措施，并提出相应质量控制方法。

1　DRPI探测器介绍

AP1000 DRPI系统为非核安全级，系统结构见图1。DRPI系统主要包括以下设备:棒位探测器组件，数据机柜A、B，逻辑机柜，落棒测试机柜。探测器通过电缆与数据柜相连，均位于安全壳内;系统其余设备位于壳外。DRPI作为电厂控制系统(PLS)的子系统之一，与Ovation控制柜相连。

棒位探测器组件共69套，每套探测器组件通过48个探测线圈探测一束控制棒的位置，分为A、B两组，每组都是24个探测线圈，交替安置在探测器套管上。相邻的A、B线圈之间间距为约9.525 cm，6步。AP1000的控制棒移动范围是0～267步。探测器AP1000物项代码为JS40，根据AP1000等级为D级，抗震II类设备。原理为当驱动杆纵向移动通过线圈时，每个线圈的电感发生变化。具体为若线圈有驱动杆通过，则线圈阻抗变大;当相邻的两个线圈1个有驱动杆通过，1个没有驱动杆通过时，则分别与这两个线圈相连的终端电阻的分压就产生了电压差，此电压差经过一个差动放大器放大，产生一个反应驱动杆相对位置的信号。

2　质量缺陷及原因分析

2.1质量缺陷

首批设备运抵现场后，在开箱检查时发现所有导线焊点均存在不同程度的铜绿腐蚀。在现场电气测试中发现部分探测器存在低导通问题，同时在制造工厂检查过程中发现后续在建的多个探测器也存在上述问题，部分焊点甚至出现断裂现象。

2.2原因分析

焊点铜绿原因分析:由于焊接过程中使用铜基焊条作为焊材，因此在焊后焊点暴露在普通条件下产生的表面轻微氧化，供货方认为属正常现象。对于部分焊点的严重锈蚀现象，主要由于焊后没有将焊点周围遗留的钎焊剂完全清除。此处使用的焊接方法为氧乙炔气焊，焊接过程需要使用钎剂。钎剂的作用是去除母材和钎料表面的氧化物和油污杂质，保护钎料和母材接触面不被氧化，增加钎料的润湿性和毛细流动性，降低焊料熔点和表面张力，尽快达到钎焊温度。但需注意的是，硬钎焊钎剂通常由碱金属和重金属的氯化物和氟化物，或硼砂、硼酸、氟硼酸盐等组成，可制成粉状、糊状和液状，具有腐蚀性。另外，缺乏适当的包装保护措施以及在海运过程中高湿度高盐度的环境，也进一步加剧了焊点的锈蚀。

低导通原因分析:电气性能低导通是由于部分焊点掉线没有充分连接，从而导致焊点虚焊而产生的。造成虚焊现象主要有两个原因:焊接过程操作不当，温度过热或欠热;焊前对母材和焊材的清洁不够全面，导致焊点存在杂质，降低了焊接的强度和材料的导通性。

3　标准应用

3.1背景及标准介绍

在DRPI探头的初版验收规程中，仅对设备的测试性能，即输出的棒位信号是否正确进行规定;而对设备本体的外观，尤其是导线连接焊点的质量并未进行规定，并缺乏可操作执行的技术标准，从而为后续焊接问题埋下隐患。

IPC/WHMA-A-620《线缆、线束装配的技术条件及验收要求》作为验收依据。作为该领域的主要标准，收集了关于线缆、导线及线束组件的电子和机械质量可接受性要求。内容主要涵盖焊接端子、压接端子、绝缘皮穿刺连接、超声熔接、衔接、连接器连接、压模/注模、线缆组件与导线的测量、标记/标签、同轴及双轴线缆组件、紧固、线束/线缆电气屏蔽、线缆/线束防护层、成品组件安装、无焊绕接、测试等方面内容。

值得注意的是，上述标准通常适用于电子产品、通信设备等需要批量制造的领域。基于该标准对焊接端子的验收规范进行了明确要求，所以同样适用于DRPI探头焊接工艺的控制。这一标准的创新引入在AP1000项目中尚属首次，在核电领域也是鲜见的。

3.2焊接验收规范

在升版后的工艺要求中规定，DRPI探头适用于IPC/WHMA-A-620中的2类设备。根据IPC/WHMA-A-620 A版定义的2类设备要求，即专用服务类电子产品包括那些需要持续运行和较长使用寿命的产品，最好能保持不间断工作但要求不严格。一般情况下不会因为使用环境而导致故障。焊点验收准则适用于其4.9章节，具体要求见表1［1］，缺陷及制程警示描述见表2。

4　改进工艺实践

4.1焊前清洁准备

首先使用普通的去油污剂对母线进行擦拭，然后使用砂纸对其进行打磨清理，最后使用棉绒蘸取异丙醇进行擦拭;对线圈导线进行漆面打磨抛光，然后对抛光部分使用棉绒蘸取异丙醇进行擦拭;对焊条进行检验，确保表面无污物，最后使用异丙醇进行清洁;将要焊接的线圈导线绕成一个圆环，紧紧缠绕在母线上;对所有焊接点上涂上钎焊剂;最后在所有焊接点周围涂上散热油灰，对其他部件进行保护。

4.2焊接

使用焊枪对焊点周围进行均匀预热，确保母线和线圈导线同时达到焊接温度。根据焊剂的形状变化判断焊接问题(见表3)。

焊接过程中，应确保防止材料过热，否则将导致钎剂饱和氧化，变绿或者变黑;并防止填充焊材过量。

4.3清洁

焊后应立即对所有焊点进行清洁，去除残余焊剂。使用71℃左右的除盐水进行全面涂刷清洁;同时应做好设备防护工作，注意防止水滴溅。

4.4焊后检查

按照IPC620 4.9节的要求，对所有焊点检查进行目视检查。

焊点的焊接工艺应满足以下要求:焊料填充至少达到引线/导线与接线柱界面的75%;焊料(在导线上的爬升)高度大于线径的50%;焊料内导线与引线可识别。

当焊点出现焊接连接内导线/引线的轮廓不可辨识;有吹孔、针孔或空洞等，只要焊接连接满足最低要求;焊料(在导线上的爬升)高度大于线径的25%，但小于线径的50%;根据工艺规程，质量要求仍然可接受。

当焊点出现润湿不良，导线或接线柱有欠润湿迹象，导线或接线柱退润湿，焊料(在导线上的爬升)高度小于线径的25%，应对焊点打磨后进行返工并重新检查。

完成检查后，检查记录及返修记录作为制造过程文件将加入最终完工数据包。

每个探测器将对应一份焊点检查记录单，放入设备质量数据包。

4.5包装

对后续制造的探测器按照NQA-1 B级要求进行包装［2］。防潮措施为:对探测器使用密封袋进行包装，在密封前抽去袋内多余气体，放入干燥剂并加装湿度指示器，避免环境(尤其是海运环境)的干扰。

5　后续管理的思考

5.1设备等级探讨

在升版后的焊点质量控制规程中，引入IPC/ WHMA-A-620标准进行验收。根据这一标准，对产品分为三个等级:

(1)等级1——一般电子产品，产品在完成组装后的主要功能就是应用。

(2)等级2——专用电子产品，产品要求在超出生命周期可以继续使用，并且能够无事故运行，特点是最终用户的环境下不会导致产品被损坏。

(3)等级3——高科技电子产品，对产品的使用是极其严格的，不允许有设备停机，最终用户的环境是极其不寻常的，设备的功能也要达到要求，如它的生命周期要求和其他的特殊要求。

根据升版工艺规程，设计方将DRPI探测器定义为2级。根据这一定义，焊接过程中出现的制程警示经过评估是可以原样照用的。制程警示是指一些不符合要求的特征，不影响产品的形状、安装和功能。由材料、设计、操作或设备等原因引起应作为过程控制系统的监控对象;单一原因的过程警示项目不需要处置;受影响的产品可“照样使用”;过程控制方法常常被应用于制造工艺的计划、实施及评估中制造商需要保留现行工艺控制和持续改进计划的客观证据以供审查。

DRPI系统作为电厂控制系统的重要组成部分，如果发生故障，将直接导致棒控系统的运行状况无法监控，导致反应堆停堆。因此，对探测器设备等级的定义还是值得商榷的。在后续项目的执行中，DRPI探测器应根据标准定义为3级，在制造过程中对出现的制程警示应进行返工，进一步杜绝一切潜在的质量问题和故障因素。

5.2设备质量管理

虽然该制造厂长期为美国其他在役电站制造类似设计的探测器备件，但订单较少，因此一旦接受大订单(4台机组共计280件)，导致产能严重不足，暴露的潜在问题，如工艺控制不当和缺乏熟练合格工人等。另外，一级供方对制造厂评审虽然符合程序要求，但缺乏全面深入的评价，高估了其生产制造能力，为后续制造埋下隐患。

在后续项目质量管理中，采购方可以提前开展一次主动型监造，则后续的质量问题是可以避免的。

主动型监造是西屋电气公司对供应商的检查活动的一种形式，一般在设备开工制造前进行。S-M-A-R-T主要内容为:

(1)Specific——对计划检查的质保体系范围或实际生产制造条件范围必须是特定明确的。

(2)Measurable——对于预期的验证结果必须是明确可以描述的(如可以被清楚地观察到或者实际结果是显而易见的)。

(3)Achievable——对于需要整改的问题，制造方必须是有能力实现的。

(4)Relevant——整改的具体行动必须是与目标相关联的。

(5)Timely——完成整改的期限日期是合理的。

在检查中通过使用以S-M-A-R-T导则编制的检查清单，对供应商的质保大纲及制造的产品(质量历史)进行预防性验证，确保在未来生产过程中的一致性。主动型监造通过预防潜在质保问题，可在一定程度上帮助提升供应商的质保管理。在活动中，采购方也可以对未来制造过程中涉及的有关质保要求向供应商提供积极的反馈和培训，以此促进质保体系的改进和核安全文化的建立。

6　结语

本文通过对DRPI探测器制造工艺改进以及验收标准的介绍，对其问题原因及质量控制方法进行了相应分析，并通过后续运用实践，验证了该质量控制措施。此外，对质量监造方法以及设备的设计验收标准提出了有益的思考和建议，可为设备日后维修保养以及后续项目提供参考借鉴。

［1］国际电子工业联接协会.IPC/WHMA-A-620A-2006线缆及线束组件的要求与验收［S］.［出版地不详］:［出版者不详］，2006.

［2］上海发电设备成套设计研究院，上海核工程研究院.核设施质量保证要求NQA-1-2004［M］.上海:上海科学技术文献出版社，2007.

Defect Analysis and Improvement of a DRPI Detector

Ling Qi，Yang Haibo
(State Nuclear Power Engineering Company，Shanghai 200093，China)

By analyzing the problems found in the digital rod position indication(DRPI)detector of an AP1000 self-reliance supporting project，corresponding improvement measures were proposed to the manufacturing procedure of DRPI detector，while quality control and acceptance inspection were conducted on related key processes using relevant standards.Results show that above defects can be eliminated without reoccurrence through improvement on manufacturing procedure and application of relevant standards，which may serve as a reference for subsequent manufacturing and quality control of similar facilities.

AP1000;DRPI detector;welding defect;process control;welding inspection procedure

TM623.8

A

1671-086X(2016)01-0046-04

2015-07-08

凌奇(1988—)，男，助理工程师，主要从事核电厂仪控质量监造工作。

E-mail:lingqi@snpec.com.cn