核電站反應(yīng)堆松脫件模擬撞擊技術(shù)研究

胡海，楊泰波，李翔，劉才學(xué)，崔璨，張楊

(中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院，四川成都，610213)

核電站反應(yīng)堆松脫件模擬撞擊技術(shù)研究

胡海，楊泰波，李翔，劉才學(xué)，崔璨，張楊

(中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院，四川成都，610213)

核電站松脫件撞擊模擬系統(tǒng)可在反應(yīng)堆系統(tǒng)管壁或器壁上制造出松脫件撞擊信號(hào)，用以在線調(diào)試和檢測(cè)電站松脫部件監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，保證核電站的正常運(yùn)行。利用電容放電特性，產(chǎn)生高能量的脈沖電流；基于電磁效應(yīng)原理，將脈沖電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械動(dòng)能，實(shí)現(xiàn)了核電站松脫件撞擊模擬技術(shù)；通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，利用該技術(shù)可產(chǎn)生0~100g的核電站松脫件模擬撞擊信號(hào)。

松脫件；模擬撞擊；脈沖電流

0 引言

核電站反應(yīng)堆在長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行條件下，因水流沖擊和流致振動(dòng)的影響，可能會(huì)使某些零件產(chǎn)生松動(dòng)甚至脫落，從而在一回路中形成松脫件。國(guó)內(nèi)外核電站均發(fā)生過(guò)嚴(yán)重松脫件而導(dǎo)致停堆檢修的事件。因此，及時(shí)有效的監(jiān)測(cè)松脫部件是核電站安全運(yùn)行的重要保障。國(guó)內(nèi)現(xiàn)役和在建的二代或二代加核電站均設(shè)置了松脫部件監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)（LPMS）[1]，三代AP1000設(shè)置了數(shù)字式金屬撞擊監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（DMIMS-DX）。LPMS與DMIMS-DX要求定期對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟硬件進(jìn)行檢測(cè)，以保證系統(tǒng)的工作性能。

我國(guó)田灣核電站引進(jìn)了俄羅斯的LPMS，應(yīng)用電動(dòng)脈沖錘模擬產(chǎn)生主系統(tǒng)功率運(yùn)行下發(fā)生的松動(dòng)件和脫落件信號(hào)，以測(cè)試LPMS的軟硬件。而目前國(guó)內(nèi)的松脫部件監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)采用手持沖擊器，只能在安裝調(diào)試和檢修期間工作人員進(jìn)入核島現(xiàn)場(chǎng)在容器和管道上敲擊，產(chǎn)生模擬松脫件信號(hào)，以檢測(cè)LPMS的軟硬件，不能實(shí)現(xiàn)在核電站功率運(yùn)行狀態(tài)下在線對(duì)松脫部件監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟硬件進(jìn)行檢測(cè)。

本文基于電容放電特性[2]和電磁效應(yīng)原理[3,4]，研究核電站松脫件模擬撞擊技術(shù)，依據(jù)該技術(shù)設(shè)計(jì)松脫件撞擊執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)。通過(guò)搭建核電站松脫件模擬撞擊技術(shù)試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)該技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，試驗(yàn)表明滿足核電站技術(shù)要求。

1 松脫件模擬撞擊技術(shù)研究

核電站一回路設(shè)備的松脫件與設(shè)備器壁或內(nèi)部構(gòu)件發(fā)生碰撞，會(huì)產(chǎn)生沿管壁或器壁傳播的“彎曲波”信號(hào)，通過(guò)管壁或器壁上設(shè)置的加速度傳感器獲取的典型碰撞信號(hào)如圖1所示，核電站所監(jiān)測(cè)的碰撞信號(hào)最大加速度為100g（加速度傳感器距碰撞點(diǎn)0.91m）。為檢測(cè)核電站相應(yīng)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，有效的模擬該碰撞信號(hào)是關(guān)鍵。

圖1 典型松脫件碰撞信號(hào)波形圖

由圖1可知，典型的撞擊信號(hào)具有幅度瞬時(shí)陡增并衰減特征，持續(xù)時(shí)間一般在數(shù)十毫秒內(nèi)，本文基于電容的放電特性和電磁效應(yīng)原理，可有效的模擬碰撞信號(hào)，原理見(jiàn)圖2所示。當(dāng)儲(chǔ)能電容與電磁線圈接通后，電容閉合放電瞬間放電電流I極大，由畢奧—薩伐爾定理[3]可知，此時(shí)在線圈內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)B（式1），在強(qiáng)磁場(chǎng)作用下，動(dòng)鐵芯因引力運(yùn)動(dòng)撞擊定鐵芯，產(chǎn)生模擬的撞擊信號(hào)，將定鐵芯與核電站的管壁或器壁接觸，可將模擬的撞擊信號(hào)傳遞出去，從而實(shí)現(xiàn)了核電站松脫件模擬撞擊技術(shù)。

式中：μ0為磁導(dǎo)率，I為線圈電流，n為線圈匝數(shù)，l為線圈長(zhǎng)度。

2 松脫件模擬撞擊系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于松脫件模擬撞擊技術(shù)的研究，設(shè)計(jì)松脫部件模擬撞擊系統(tǒng)，包括撞擊執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)可在線遠(yuǎn)程控制，為撞擊執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸送不同能量的脈沖電流，從而產(chǎn)生不同的模擬撞擊信號(hào)，實(shí)現(xiàn)核電站相關(guān)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的性能檢測(cè)。

松脫部件撞擊系統(tǒng)原理如圖3所示，控制系統(tǒng)包括控制程序、總線技術(shù)、控制模塊和功率模塊。控制系統(tǒng)通過(guò)控制程序遠(yuǎn)程設(shè)置執(zhí)行機(jī)構(gòu)的撞擊能量和撞擊位置，撞擊能量與功率模塊的電容儲(chǔ)能有關(guān)?？刂瞥绦蛲ㄟ^(guò)總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)與控制模塊的數(shù)據(jù)交換，功率模塊包括高壓電源與儲(chǔ)能電容，控制模塊對(duì)功率模塊中電容充電電壓進(jìn)行直接控制，實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)撞擊加速度為0~100g（加速度傳感器獲取的振動(dòng)幅值為量化指標(biāo)）范圍調(diào)節(jié)。

圖2 模擬碰撞技術(shù)原理圖

圖3 模擬撞擊系統(tǒng)原理圖

撞擊執(zhí)行機(jī)構(gòu)為模擬撞擊能量輸出裝置，機(jī)構(gòu)將電容的脈沖電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械撞擊能，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4所示，控制系統(tǒng)的高能量脈沖電能與機(jī)構(gòu)的電磁線圈接通，在線圈內(nèi)部產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)，定鐵芯和動(dòng)鐵心為電磁純鐵材料（高磁導(dǎo)率），在強(qiáng)磁場(chǎng)作用下兩者產(chǎn)生吸引力，定鐵芯被法蘭盤(pán)、套筒組件和線圈骨架形成的空間限制，動(dòng)鐵芯因吸力在線圈骨架內(nèi)運(yùn)動(dòng)，撞擊定鐵芯，該機(jī)構(gòu)通過(guò)捆扎固定在撞擊目標(biāo)體上，撞擊能量通過(guò)錘頭傳遞到被撞物體上，從而模擬核電站松脫件在管壁或器壁的撞擊過(guò)程。

圖4 撞擊執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

搭建模擬撞擊系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)設(shè)計(jì)的松脫部件模擬撞擊系統(tǒng)性能進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)比核電站實(shí)際松脫件撞擊信號(hào)與模擬撞擊系統(tǒng)所產(chǎn)生信號(hào)。

試驗(yàn)條件包括：撞擊執(zhí)行機(jī)構(gòu)樣機(jī)、管道模擬體、加速度計(jì)(B&K8324)、電荷轉(zhuǎn)換器（B&K2647B）、電纜、松脫部件監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱LPMS）樣機(jī)、220V交流電源。利用扎條將撞擊執(zhí)行機(jī)構(gòu)捆扎固定在管道模擬體上，撞擊執(zhí)行機(jī)構(gòu)與模擬體水平面成30°~45°，以確保執(zhí)行機(jī)構(gòu)在執(zhí)行撞擊命令后，機(jī)構(gòu)內(nèi)部的動(dòng)鐵芯能依靠重力自動(dòng)回到原始位置，依據(jù)規(guī)范要求，測(cè)量撞擊振動(dòng)的加速度傳感器距撞擊執(zhí)行機(jī)構(gòu)0.91m。

試驗(yàn)時(shí)選取三個(gè)不同的電容充電電壓，分別為100V，200V和300V，進(jìn)行若干次模擬撞擊試驗(yàn)，利用LPMS獲得執(zhí)行機(jī)構(gòu)模擬撞擊體所產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)和加速度幅值。圖5為電容電壓為200V時(shí)，由LPMS所采集的撞擊信號(hào)，表1為若干次試驗(yàn)后不同充電電壓所產(chǎn)生的撞擊振動(dòng)加速度平均值。

圖5 模擬撞擊信號(hào)（電壓200V）波形圖

表1 電容充電電壓與撞擊加速度關(guān)系試驗(yàn)值

圖5和圖1對(duì)比可知，由松脫件模擬撞擊系統(tǒng)所產(chǎn)生的信號(hào)與核電站松脫件撞擊的信號(hào)波形具有高度的相似性，說(shuō)明該系統(tǒng)能有效地模擬核電站松脫部件在管壁和器壁的撞擊；表1為松脫件模擬撞擊系統(tǒng)產(chǎn)生的不同撞擊能量信號(hào)，驗(yàn)證了該系統(tǒng)可以模擬核電站不同能量的松脫件撞擊，滿足核電站要求。

4 結(jié)論

本文對(duì)核電站松脫部件模擬撞擊技術(shù)進(jìn)行了研究，利用該技術(shù)設(shè)計(jì)了模擬撞擊系統(tǒng)。研究的核電站松脫部件模擬撞擊技術(shù)能有效的模擬核電站松脫部件在管壁或器壁上的撞擊，可模擬出不同能量的松脫件撞擊，實(shí)現(xiàn)通過(guò)在線遠(yuǎn)程控制對(duì)核電站相關(guān)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的定期檢測(cè)，保證了核電站的安全運(yùn)行。

[1] 劉才學(xué)，汪成元，鄭武元等.核電站松脫部件監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研制[J].核動(dòng)力工程，2010（2）：97-101.

[2] Li Wei-feng,Zhang Kai-zhi,Han Qing.電容放電式脈沖勵(lì)磁電源研究[J].High Power Laser and Particle Beams,2007(1):121-124.

[3] 盧新波，謝憲旺，張中明.電磁鐵相關(guān)技術(shù)參數(shù)的分析[J].液壓氣動(dòng)與密封，2011(11):36-38.

[4] 趙凱華，陳熙謀.電磁學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2003. [5] 邱宣懷.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京：高等教育出版社，1997.

Research on Simulating Impact Technology of Lose Part in Nuclear Power Plant

Hu Hai ,Yang Taibo, Li Xiang, Liu Caixue, Cui Can,Zhang Yang
( Nuclear Power Institute of China, Chengdu Sichuan, 610213)

The simulating impact system of lose part in Nuclear Power Plant could creat impact signal on equipment ektexine of reactor, which is used to debug and inpect loose part monitorring system for the well operation of NPP. The high energy of inpluse current is generated by discharge of capacitance that is turn into kinetic energy through electromagnetic effect, consequently, the simulating impact technology of lose part is studied on Finally, it is known form the test that acceleration of simulating impact signal created by this technology is 0-100g.

lose part;simulating impact;inpluse current