压水堆核电厂控制棒导向卡磨损机理与检测标准研究

章 济，叶 琛，闫国华，周路生，谢晨江

(国核电厂运行服务技术有限公司，上海 200233)

核电的发展始终以安全为前提[1]。控制棒导向筒是核反应堆的重要组成部分，关乎核电安全运行。控制棒导向筒组件(CRGT)在反应堆运行时，起到了确保控制棒组件(RCCA)快速插入的作用。其中，CRGT用来减小冷却剂横向作用力对落棒时间的影响，RCCA则是起到控制反应堆功率，保证安全停堆的作用[2]。在导向筒内上下分布着导向卡，用以引导控制棒，因此导向卡也至关重要。每个导向卡开有24个小孔，用来约束每一根控制棒，并且允许星形架从中间穿过，目的是使控制棒在运行期间能保持对齐。

目前核电厂导向卡的磨损越来越严重，有时甚至会导致计划外停堆。因此，核电厂正逐步实施导向卡磨损测量。迄今为止，该项工作在M310机组上已经实施过，而AP1000机组还未实施，原因是其并网时间较短没有必要性。本文是基于国外测量的结果和测量技术，对导向卡孔径大小的检测标准进行研究，为第三代核电导向卡磨损测量提供参考。

1 国内外研究现状

自从2009年西班牙核电厂发现了侵蚀性导向卡磨损之后，欧洲其他核电厂也陆续发现了类似的现象，压水反应堆业主联合会(PWROG)启动了由西屋公司牵头的导卡磨损测量项目。最终发现只要是使用了“17×17A，AS和AXLR”类型导向筒的核电厂都会受到影响，随后西屋公司发布了关于“渗氮控制棒组件引起的导向筒导向卡磨损”的报告。在2017年的材料信息技术交流会上，针对导向卡磨损问题，提出了使用离子氮化处理的RCCA，与镀铬或不锈钢RCCA相比，可能会加速导向卡磨损的论断。1992年西屋公司公布了导向卡磨损测量装置的专利：控制棒导向筒检查系统[3]，之后又对该装置进行了若干改进。2015年，西屋公司开始研发一种连续性特殊导向技术。

法国的法马通公司(Framatome)开发的控制棒导向筒检查工具种类较多、方法更全。

国内在这方面的研究成果主要来自中广核检测技术有限公司、中核武汉核电运行技术股份有限公司[4]等。据了解，目前国内开发的控制棒导向卡检测工具已经成熟，具备现场使用的条件。导向卡三维模型如图1所示。

图1 导向卡三维模型图Fig.1 The 3D model of the guide plate

2 导向卡磨损机理

在发电期间，堆芯有大范围的振动，引起了控制棒和导向卡之间的磨擦，增加了RCCA的星形架不能对中的风险。随着导向卡孔径越磨越大，控制棒组件不再被正确引导。在这种情况下，控制棒和CRGT之间可能发生错位，或在下降时受到干扰，严重情况下会导致RCCA卡死。1983年，西屋公司在分析磨损机理时，基于“纵向微动磨损”，针对性地提出了“冲击微动磨损”的概念，并总结为以下两种。

1)冲击微动磨损，即由导向筒内靠近控制棒和驱动杆的轴向和横向的流致振动导致的磨损。

2)RCCA控制过程的步进磨损。导向卡磨损过程如图2所示。

图2 导向卡磨损过程Fig.2 The guide card wear process

在国外，针对导向卡磨损还进行过其他探索，如建立RCCA磨损过程的运动仿真。通过振动磨损试验，验证RCCA表面处理工艺对这种形式的磨损的抑制。通过增加液压连杆机构，开发了一种监测反应堆中RCCA磨损状况的装置。

3 导向卡磨损检测标准

导向卡的侵蚀性磨损是非正常工况下发生的。而正常情况是指，当控制棒在穿过导向卡开口区域时，由于控制棒的微振动而产生磨损。目前导向卡的检测标准主要来自《材料可靠性程序—压水堆堆内检查和评估导则》，该导则明确了检查方法、频率、覆盖率。其中提到，导向卡检查的覆盖率由CRGT数量的20%更改为：“根据WCAP-17451-P修订版1的要求，检查所有导向卡”。根据该报告，美国国内的核电厂要在不迟于延寿开始后两次换料大修，在不早于延寿开始前两次换料大修进行检测，随后的检查周期是10堆·年。另外，尽管落棒时间并不能直接反映导向卡的磨损情况。但需要根据落棒时间异常，反向排查原因，其中就包括了控制棒导向卡磨损。检查的范围应至少包括下部导向筒内的5个导向卡，因为它们往往磨损最大，必要时包括上部的导向卡和连续导向段。

3.1 导向卡磨损标准

导向卡内孔韧带区磨损的标准如图3和图4所示。

图3 内孔韧带区标准Fig.3 The inner hole ligament criteria

图4 内孔韧带区Fig.4 The ligament zone of the inner hole

如果有多个导向卡观察到相似的磨损，那么在同一循环内其他导向卡大概率不能幸免。基于防止出现完全磨损，避免控制棒逸出的基准，视导向卡磨损具体情况，对照表1和表2中进行区域划分。该标准的划分是基于观察到的导向卡孔韧带区的磨损量和允许磨损的导向卡的数量而定的。表中的参数定义如下：

表1 磨损标准划分-达到类似磨损量的导向卡Table 1 Division of wear criteria - similarly worn guide cards

表2 磨损标准划分-达到磨损量的导向卡数量Table 2 Division of wear criteria-the number of differently worn guide cards

n——除连续导向段外的所有导向卡数量；

DR——控制棒直径；

W1——导向卡槽原始宽度；

W2=0.8×DR，W3=0.85×DR。

其中，W3是棒径的85%，对导向卡磨损尺寸和磨损体积留有15%的裕度；W2是棒径的80%，允许业主在至少一个换料周期内，制定解决导向卡磨损问题的方案。

表3显示了导向卡孔韧带区磨损在三个不同区域的建议措施。

表3 不同磨损标准区域的推荐操作Table 3 Recommended practices for different wear criterion zones

3.2 导向卡验收准则

导向卡磨损量超出验收标准会严重危害电厂安全。控制棒本身很薄，稍微偏离既定位置就不能平滑穿过导向卡，还可能会产生塑性变形或弯曲。导向卡磨损可大致分两个阶段，如图5所示。

图5 导向卡磨损阶段Fig.5 The wear stage of the guide card

A阶段—穿过整个韧带区。可以观察到导卡孔扩大，但磨损没有延伸到导卡内表面。

B阶段—磨损区与导卡内表面相交，但磨损后的孔仍然太窄，无法让控制棒逸出。

在A阶段，目视检查能看到导向卡孔内壁平坦、没有丝状磨痕。而从阶段A过渡到B阶段时，则是观察到磨损区域与导向卡内表面相交的尖锐角。流程图如图6所示。

图6 导向卡磨损评估流程图Fig.6 The flowchart of guide card wear assessment

计算导向卡磨损寿命边界(要求检查周期必须小于剩余磨损寿命)的步骤如下：

1)按照业主的程序执行导向卡检查，发现典型的磨损；

2)计算从阶段A过渡到阶段B时的磨损量体积(Va)；

3)计算导向筒内表面磨损区宽度与控制棒直径相等处的磨损体积(Vb)；

验收标准为：

1)要求控制棒在导向卡孔中；

2)必须可以观察到每个导向卡的所有孔的未磨损部分；

3)证明磨损仍处于A阶段。

4 导向卡检测技术

在大修期间，核电厂将上部堆内构件从压力容器中取出，放置于反应堆水池的底部。探头从导向筒顶部中心位置，穿过直径约58.6 mm的开口，靠输送装置进入导向筒内，至水下9.14～12.19 m深，执行远程检查。输送装置需要完成轴向运输和周向旋转两个动作。由于现场的不可达，因此对进入导向筒内进行目视检查的装置要求非常苛刻，例如：耐辐照性能、狭小空间、水密性、测量精度。检查期间测量三个参数：直径、韧带区(L1、L2)、槽宽。如图7所示。

图7 测量参数示意图Fig.7 The schematic of measurement parameters

4.1 光学测量法

光学测量法是拍摄每个导向卡上4个内孔韧带区的图片。因为内孔韧带区是磨损机制中影响最大的。其余的如外孔、C型管和套筒，只是进行录像和目视检查，并存储视频数据。早期的光学测量法，为了确保获得数据的正确表征，在相机的正面安装超声波测距仪，用于测量从相机到被观察导向卡的距离。对被测物和标尺一起拍照，把相对于标尺的变化引入校正比例因子。实现类似于图像增强的功能。到2010年，随着设备升级，光学法可以单靠一个摄像头来完成[5-8]。目前，光学测量法缺点是精度不高，国内某公司通过水下试验测得平均精度为±0.5 mm。

法国阿海珐公司开发并认证了一种名为ECLIPSE的光学测量设备，该工具是基于阴影图原理来实现测量的，即在背部光照条件下，从正面获得图片，再进行数据分析，以确定CRGT磨损轮廓和特性。测量孔径或单向磨损量等数值特征，可达到±0.15 mm的精度，在行业内具有很高的知名度。但是，基于视觉技术的检测方法不能在导向卡连续段进行测量。

4.2 超声检测法

早在1996年法马通公司公布了一篇专利，题为《用于检查用于压水核反应堆上部内部的导向管的导向元件的装置和方法》。该专利装置针对10.67 mm的孔径，引入反射镜，通过激光束的旋转，构建完整的轮廓。该装置的特点包括：1)能够精确测量远小于1 mm的物体，其测头可以替换为超声或涡流探头；2)该装置设有6个径向延伸的臂，各携带探头，即每个导向卡需测4次，完成共计24个孔位的检查；3)可浸入反应堆水池中20 m深；4)工作时将激光束通过反射镜射出；5)反射镜可旋转地安装在检查装置的支撑件上；6)在探头旋转期间，实现对孔壁和探头轴线之间距离变化的测量。

现在国内采用水浸聚焦探头，通过声反射镜来改变声速方向，同时增加焦柱长度，提高检验灵敏度。对超声检验得到的B扫信号，采用特定算法进行拟合，可精确测量导向卡孔的实际轮廓，测得磨损后的导向筒卡孔中心偏差及控制棒导向卡孔形状改变。该工具拥有检测精度高、检测更全面等优点[9-11]。

5 导向卡的改进措施

在2013年，西屋公司对西班牙核电厂发生侵蚀性磨损的导向卡进行更换；使用了更厚的特殊导向卡，并且验证了其性能，可以快速减轻导向卡更换带来的压力。其灵感来自AP1000核电厂的导向筒的设计。新的导向卡可以延长至少2次换料周期，主要原因是：特殊导向卡在导向筒内的位置，使其成为限制性的连续性导向装置之一，将其更换，可以扩展这些受到影响的导向筒的功能性。此外，在西屋17×17A，AS或AXLR型导向筒中，特殊导向卡是用螺栓固定在导向筒上的，跟筒内的其他导向卡固定方式(卡住或焊接)不一样，这样更便于拆卸和更换。在西班牙，西屋公司从2013年开始的四次大修期间，共计更换了55个导向卡，成功延长了受影响导向筒的寿命。不过，更换导向筒成本非常高，实际操作起来也非常繁琐，而且新的导向筒还需要好几年的生产周期。虽然使用更厚的特殊导向卡能缓解短期情况，但预计最多也只能支持2～3个燃料周期。业主对长期的解决方案更感兴趣，毕竟长期的解决方案能避免频繁更换和检查导向卡。

第二个解决方案是，采用连续性特殊导向装置。其设计的灵感来源于导向筒本身的连续截面。通过该装置，可以最大限度地提高了最易磨损孔的体积，从而延长其运行寿命。该装置将导向卡的0°、90°、180°、270°这4个位置，上下各延长一部分，从原来的导向卡上凸出来，起到加固磨损部位的作用。该装置于2019年获得认证资格。预计可将导向筒运行时间延长至6～9个燃料循环周期。

AP1000核电厂的导向卡，仍然保留了上部导向卡、特殊导向卡、下部导向卡和连续段导向装置的设计，主要变化是厚度从原来的25.4 mm，增加到了38.1 mm。整个导向筒比二代加堆型的导向筒高出约217 mm。

6 结束语

为了使RCCA处于非常可靠的位置，核电厂需要在专业程序的指导下，进行导向卡磨损测量，从而获得导向卡磨损趋势，分析可能的磨损加剧原因和缓解磨损的技术[12-15]。AP1000核电厂导向筒的设计，采用了更厚的特殊导向卡，大大减轻了导向筒更换带来的压力。但是，导向卡太厚，增加接触面积，在振动过程中会加剧控制棒的磨损。这些问题有必要开展相应的研究工作，以完善第三代核电导向卡磨损机理和验收准则。随着国内开工的核电机组越来越多。控制棒作为核电厂快速调节功率和起停堆使用的关键部件，其重要性不言自明。该研究对后续的研究和开发具有一定的借鉴意义。