检测压水反应堆控制棒驱动机构性能的系统及其试验装置的制作方法

本发明涉及测试领域，具体地，涉及一种检测压水反应堆控制棒驱动机构性能的系统及其试验装置。

背景技术：

压水反应堆的控制棒驱动机构是反应堆系统的重要组成构件，对于压水反应堆的安全运行和事故缓解具有极其重要的作用：每个控制棒驱动机构都隶属于一个特定的控制棒组，可用于反应堆的反应性控制、轴向功率分布控制、或实现反应堆停堆，且各控制棒组内的驱动机构结构基本一致，以三代核电压水反应堆ap1000核电厂为例，控制棒驱动机构位于反应堆压力容器顶盖上的一体化顶盖组件内，为一种磁力提升机构，主要由四个独立的子组件组成，分别为：承压壳体、励磁线圈组件、销爪组件、驱动杆组件。

压水反应堆控制棒驱动机构包括机械部件和电气部件，机械部件和电气部件的有效配合对于其功能的实现具有极其重要的作用。另外，由于压水反应堆控制棒驱动机构位于反应堆压力容器的上部，属于一回路压力边界的组成部分，应满足一定的使用年限。因而，须针对性的开展核电厂控制棒驱动机构的冷态和热态性能试验，用于鉴定其性能是否满足设计要求，以及核电厂控制棒驱动机构的跑合试验用于鉴定其寿命是否满足设计要求。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种能够检测控制棒驱动机构的冷热态性能及使用寿命的系统及其试验装置。

本发明解决上述问题所采用的技术方案是：

用于测试压水反应堆控制棒驱动机构的试验装置，包括压力容器、设置于所述压力容器内的控制棒组件模拟件以及缓冲组件，所述压力容器的长度满足驱动机构的行程要求，所述压力容器为中空结构，能够盛装试验用液体，所述压力容器的顶部开设有一供驱动机构穿过的通孔，且所述通孔与所述承压壳的安装间隙满足使所述试验装置的压力边界完整的要求，所述驱动机构的驱动杆伸入所述压力容器内且与所述控制棒组件模拟件固定连接，所述控制棒组件模拟件用于模拟控制棒组件给驱动杆带来的荷载，且所述控制棒组件模拟件与所述通孔同轴设置，所述控制棒组件模拟件远离所述驱动杆的一端凸伸有与所述缓冲组件相配合的缓冲杆，通过所述缓冲杆与所述缓冲组件的配合，用于模拟控制棒组件下插入冷却剂时的力学环境，所述缓冲组件固定于所述压力容器内底部。

本发明所述的试验装置能够较为精确的模拟驱动机构在真实压水反应堆中工作时的工况情况，从而采用此装置对控制棒组件驱动机构进行检测能够得到较为可靠的试验结果。具体如：通过设置控制棒组件模拟件来代替原型控制棒组件，一方面能够大大缩短压力容器的安装长度，另一方面，无需使用燃料组件，省去了燃料组件的安装。向所述试验装置提供满足试验工况的液体，设置与所述缓冲杆相配合以模拟控制棒组件下插入冷却剂时的力学环境的缓冲组件。

进一步地，所述缓冲组件包括与所述缓冲杆同轴设置的缓冲套筒，所述缓冲套筒固定于所述压力容器内底部，所述缓冲套筒的内径基本大于所述缓冲杆的外径，当所述缓冲杆伸入所述缓冲套筒内时，所述缓冲套筒内的液体从所述缓冲杆与所述缓冲套筒之间的间隙流出，从而实现对控制棒组件下插入冷却剂时的力学环境的模拟。

进一步地，所述缓冲套筒与所述缓冲杆在径向上的最小单边间隙不超过1mm。此时，能够最佳地模拟控制棒组件下插入冷却剂时的力学环境。

进一步地，所述缓冲套筒包括上套筒与下套筒，所述上套筒套设于所述下套筒外，所述下套筒的一端套设于所述上套筒内，另一端与所述压力容器底部固定连接，所述下套筒与所述缓冲杆在径向上的单边间隙不超过1mm。

进一步地，所述上套筒远离所述下套筒的一端沿径向方向延伸形成一环形的抵持板，所述下套筒的外壁上沿径向方向凸伸一环形的导向板，所述导向板上开设有若干贯通的导向孔，对应地，所述抵持板上凸伸有与所述导向孔一一对应的导向柱。任一导向柱穿过对应的导向孔，使得所述上套筒在相对于所述下套筒下降或上升的过程中起到导向的作用，防止所述上套筒偏离轴心。

进一步地，所述缓冲组件还包括缓冲弹簧，所述缓冲弹簧设置于所述抵持板与所述导向板之间，且所述缓冲弹簧套设于所述上套筒以及所述下套筒外。所述缓冲弹簧一方面用于固定支撑所述上套筒，另一方面在所述控制棒组件模拟件下降抵压所述抵持板时起到进一步的缓冲效果。

进一步地，所述控制棒组件模拟件还包括与所述缓冲杆同轴的配重本体以及固定柱，所述配重本体固设于所述缓冲杆远离所述缓冲组件的一侧，用于模拟控制棒组件给驱动杆带来的荷载，所述配重本体能够相对于所述压力容器的内壁滑动，且所述配重组件能够与所述抵持板抵持配合，所述固定柱固设于所述配重本体远离所述缓冲杆的一侧，用于与所述驱动机构的驱动杆固定连接。当所述缓冲杆伸入所述缓冲套筒内时，所述配重本体下降至与抵持板相抵持后，继续下降，一方面带动上套筒相对于下套筒下降，另一方面压缩缓冲弹簧，提高阻力缓冲。

进一步地，所述压力容器的侧壁外设有温度控制组件，用于控制所述压力容器内部的温度，所述温度控制组件包括加热元件以及控制所述加热元件的控制元件。

进一步地，所述压力容器的侧壁上开设有至少一个压力测量接口以及至少一个温度测量接口，任一压力测量接口与一压力传感器相配合，用于测量所述压力容器内的压力，任一温度测量接口与一温度传感器相配合，用于测量所述压力容器内的温度，且所述压力传感器以及所述温度传感器的安装均应满足保证所述试验装置压力边界完整的要求。

本发明还提供一种包括上述试验装置的检测系统。

进一步地，所述检测系统还包括排气装置、排液装置、补液装置以及稳压器，所述排气装置通过一排气管与所述试验装置的顶部相连通，便于所述试验装置及时排气，所述排液装置与所述试验装置的排液管相连通，便于所述试验装置内液体的排放，所述补液装置与所述试验装置的进液管相连通，便于向所述试验装置提供液体，所述稳压器与所述进液管相连通，为所述试验装置提供超压保护。

综上，本发明的有益效果是：本发明为测试压水反应堆控制棒驱动机构的试验装置及含有该试验装置的检测系统，所述的试验装置能够模拟压水反应堆中控制棒驱动机构的工作环境，即为压水反应堆控制棒驱动机构的冷热态性能和寿命考核试验提供所需的工况，简化了试验装置，采用控制棒组件模拟件以及缓冲组件代替原型的控制棒组件，缩短了试验装置的安装长度，约缩短了一半，极大地减小了试验装置的制造和安装难度，省去了燃料组件和控制棒组件的安装，设计缓冲组件用于满足真实压水反应堆控制棒缓冲的要求以及保护驱动杆，且用缓冲组件缓冲杆相配合以模拟真实压水反应堆控制棒下插时的水力环境。满足核电厂控制棒驱动机构冷热态性能试验和跑合试验的技术要求。

附图说明

图1为本发明较佳实施例所示的试验装置的结构示意图；

图2为图1中a的放大图；

图3为本发明实施例2所示的检测系统的结构示意图；

附图中标记及相应的零部件名称：承压壳1、驱动杆2、试验装置100、控制棒组件模拟件20、缓冲组件30、筒体11、上封头12、下封头13、压力测量接口111、进液管112、第一温度测量接口122、密封法兰14、第一法兰131、第二法兰132、第二温度测量接口1311、排液管1312、配重本体21、固定柱22、缓冲杆23、缓冲套筒31、缓冲弹簧32、上套筒311、下套筒312、抵持板3111、导向板3121、导向柱3113、检测系统200、排气装置210、排液装置220、补液装置230、排气管211、稳压器240。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

请参阅图1-2，本发明较佳实施例所示的试验装置100，用于对控制棒驱动机构进行性能测试，包括构成压力边界一部分的压力容器、设置于所述压力容器内的控制棒组件模拟件20以及缓冲组件30。

所述压力容器包括筒体11、固定设置于所述筒体11两端的上封头12以及下封头13。所述压力容器的长度满足上述控制棒驱动机构的行程要求。所述筒体11为两端开口的中空结构，所述筒体11的两开口端分别与所述上封头12以及所述下封头13密封连通，所述筒体11的侧壁上设有至少一个压力测量接口111以及进液管112，任一压力测量接口111与一压力传感器相配合，用于测量所述筒体11内的压力，本实施例中，设有两个对称设置的压力测量接口111，且所述两压力测量接口111设置于所述筒体11的上部。所述进液管112用于供试验用液体(如满足试验要求的水)进入所述压力容器，所述进液管112优选设置于所述筒体11的中部。

所述上封头12中心开设有供控制棒驱动机构的承压壳1穿过的第一通孔，且所述第一通孔与所述承压壳1的安装间隙满足使所述试验装置100的压力边界完整的要求。所述上封头12的侧壁上设有至少一个第一温度测量接口122，任一第一温度测量接口122与一温度传感器相配合，用于测量所述压力容器内上部的温度，本实施例中，设有两个对称设置的第一温度测量接口122。为固定连接控制棒驱动结构，本发明所述的试验装置100还包括一密封法兰14，所述密封法兰14通过固定连接件(如螺栓等)与所述上封头12固定连接。所述密封法兰14中心开设有供所述承压壳1穿过的第二通孔，且所述密封法兰14与所述控制棒驱动机构的承压壳1固定连接，具体如焊接等固定连接方式。所述控制棒驱动机构的驱动杆2穿过所述承压壳1，伸入所述压力容器内部。

所述下封头13包括第一法兰131以及第二法兰132，所述第一法兰131与所述第二法兰132通过固定连接件(如螺栓等)固定连接，且所述第一法兰131与所述第二法兰132之间设有垫片以密封，如设有石墨缠绕垫以密封。所述第一法兰131相对于所述第二法兰132的一端与所述筒体11密封连接，所述第一法兰131的侧壁上设有至少一个第二温度测量接口1311以及排液管1312，任一第二温度测量接口1311与一温度传感器相配合，用于测量所述压力容器内底部的温度，本实施例中，设有两个对称设置的第二温度测量接口1311。所述排液管1312用于排出所述压力容器内的液体。

另，由于本发明所述的试验装置100是用于控制棒驱动机构的性能测试，因而所述试验装置100需要满足压水反应堆一回路冷却剂的工况要求，即，设计压力17.2mpa，设计温度350℃，因而，所述压力容器设有温度控制组件(图未示)，用于使所述压力容器内部保持预定温度，所述温度控制组件包括加热元件以及控制所述加热元件的控制元件，本实施例中，所述加热元件设置于所述筒体11外壁，所述加热元件可以为铠装电加热元件。

所述控制棒组件模拟件20与所述压力容器、所述第一通孔及所述第二通孔同轴线设置，用于模拟控制棒组件给驱动杆2带来的荷载，包括同轴的配重本体21、固定柱22以及缓冲杆23。所述配重本体21与所述筒体11的内壁相配合，且所述配重本体21可相对所述筒体11滑动。所述固定柱22凸设于所述配重本体21远离所述下封头13的一端，用于与所述控制棒驱动机构的驱动杆2固定连接，所述固定柱22的端面沿轴向方向开设有一固定孔(图未标)，所述固定孔内设有与所述驱动杆2的端部外螺纹相匹配的内螺纹，通过所述驱动杆2与所述固定柱22的螺纹配合，使得所述控制棒组件模拟件20与所述控制棒驱动机构固定连接。所述缓冲杆23设置于所述配重本体21相对所述固定柱22的一端。所述缓冲杆23的直径小于所述配重本体21的直径。

所述缓冲组件30设置于所述压力容器内邻近所述下封头13的一端，包括缓冲套筒31以及缓冲弹簧32。所述缓冲套筒31包括相套设配合的上套筒311以及下套筒312。所述上套筒311与所述缓冲杆23相套设配合，且所述上套筒311远离所述下套筒312的一端沿径向方向延伸形成一环形的抵持板3111，所述抵持板3111与所述配重本体21的端面相抵持。所述下套筒312的一端套设于所述上套筒311内，另一端与所述下封头13固定连接。所述下套筒312与所述缓冲杆23间隙配合，所述下套筒312与所述上套筒311之间间隙配合，便于当所述缓冲杆23下降至所述缓冲套筒31内时，所述缓冲套筒31内的液体能够从所述下套筒312与所述缓冲杆23之间的间隙以及所述下套筒312与所述上套筒311之间的间隙流出，流出的截面较小，从而起到水力缓冲的作用，进而保护驱动杆2，同时也是模拟控制棒组件下插入冷却剂时的力学环境。优选地，所述下套筒312与所述缓冲杆23之间的单边间隙不超过1mm。所述下套筒312的外壁上沿径向方向凸伸一环形的导向板3121，所述缓冲弹簧32设置于所述抵持板3111与所述导向板3121之间，且所述缓冲弹簧32套设于所述上套筒311以及所述下套筒312外。所述导向板3121上开设有若干贯通的导向孔，对应地，所述抵持板3111凸伸有与所述导向孔一一对应的导向柱3113，任一导向柱3113穿过对应的导向孔，使得所述上套筒311在相对于所述下套筒312下降或上升的过程中起到导向的作用，防止所述上套筒311偏离轴心。

本发明中采用上述控制棒组件模拟件20以及缓冲组件30代替原型的控制棒组件，缩短了试验装置的安装长度，约缩短了一半，极大地减小了试验装置的制造和安装难度，省去了燃料组件和控制棒组件的安装，用缓冲组件30和试验液体配合模拟控制棒下插时的水力环境。

本发明所述的压力容器以及控制棒构均为立式细长型结构，长径比较大，稳定性较差，且试验中压力容器内为高温高压流体，试验过程中压力容器和驱动机构在轴线方向将会发生热膨胀。因而，在满足压力容器与驱动机构的强度和稳定性要求的同时，仍须考虑热膨胀对压力容器固定支撑的影响。基于以上考虑，本发明于所述压力容器的中上部侧壁设置耳式支座(图未示)，于所述压力容器的下部设置辅助支撑件(图未示)对所述压力容器进行径向定位。如此，既可确保所述压力容器在径向方向上的固定以保证所述压力容器和驱动机构的稳定，又可满足所述压力容器在轴向自由移动的要求，可消除热膨胀对驱动机构轴向变形的影响。

可以理解，为满足试验过程中的排气要求，于所述压力容器的顶部连通一排气管(图未示)。

实施例2

请参阅图3，本发明第二实施例所示的检测系统200，包括排气装置210、排液装置220、补液装置230、以及实施例1所示结构的试验装置100，通过各装置之间的配合，提供试验所需的压力、温度、液位等工况参数。

所述排气装置210通过一排气管211与所述试验装置100的顶部相连通，便于所述试验装置100及时排气。本实施例中，所述排气装置210为风机。所述排气管211上设有温度检测仪以及气流速度检测仪。

所述排液装置220与所述试验装置100的排液管1312相连通，便于所述试验装置100内液体的排放。所述排液管1312上设有截止阀(图未标)。

所述补液装置230与所述试验装置100的进液管112相连通，便于向所述试验装置100提供液体。所述进液管112上设有调节阀(图未标)及截止阀(图未标)。所述进液管112上还连通有一稳压器240，为所述试验装置100提供超压保护。所述稳压器240与所述进液管112相连通的管道上设有截止阀(图未标)。

基于本发明所述的检测系统200，对控制棒驱动机构展开冷态性能试验、热态性能试验和跑合试验，并通过对试验结果的整理和分析，可以考核和验证控制棒驱动机构的机电配合性能和寿命是否满足设计要求。

利用本发明所述的检测系统200进行试验可具体分为以下几个步骤：试验设备的安装和调试、试验前准备、试验开展、试验结果分析。

1.试验设备的安装和调试

打开所述密封法兰14和第二法兰132，将试验对象(即，控制棒驱动机构)伸入所述压力容器内，并与所述控制棒组件模拟件20固定连接，将控制棒驱动机构安装在所述试验装置100的上部。

再在所述压力容器上设有压力测量接口111、第一温度测量接口122以及第二温度测量接口1311的位置处分别对应地安装压力传感器以及温度传感器，且在安装过程中应保证所述试验装置100的压力边界完整性。

以上设备安装结束后，焊接固定所述密封法兰14与所述控制棒驱动机构的承压壳1，并关闭密封所述密封法兰14和第二法兰132，(焊接固定所述密封法兰14与所述控制棒驱动机构的承压壳1在关闭密封所述密封法兰14和第二法兰132之前完成)检查所有的压力边界并确认密封无误后，打开所述试验装置100的进液管112进行打压试水，打压试水的结果应满足试验装置100压力边界完整性的要求。

2.试验前准备

将安装完成的试验装置100安装于如图2所示的检测系统200中。

试验开始前，须对图2所示的检测系统200进行打压试水，保证其压力边界的完整性。

3.试验开展

基于本发明所述的检测系统200，可开展针对压水堆控制棒驱动机构的冷热态性能试验和跑合试验。以时间先后为序，分别介绍相应的试验内容。(冷态性能试验和热态性能试验的试验工况不一样，内容一致)

1)冷热态性能试验

a)冷态运行电流实测试验

在冷态试验工况下(常温常压)，将所述控制棒驱动机构的驱动杆2提升至规定高度，完成试验对象的单对磁极与衔铁的吸放动作，实测并记录试验对象在“单保、单传、单提、负载下单提”等动作下的的最小吸合电流值和最大释放电流值，并将以上参数与试验对象的设计值进行比较。在以上动作过程中，完成试验对象自带的棒位探测器精度的测试。对误差结果进行分析，判断是否满足设计要求。其中，驱动机构是通过保持、传递、提升三个线圈的电磁作用控制驱动杆2的上升、下插和保持的。

“单保”：在传递线圈和提升线圈不通电的情况下，驱动杆2位于底部时(无驱动杆2和控制棒组件模拟件20的重量负载)，单独控制保持线圈。(驱动杆2位于底部是指驱动杆位于行程底部，即控制棒模拟组件20坐落在缓冲组件30上时的位置)

“单传”：在保持线圈和提升线圈不通电的情况下，驱动杆2位于底部时(无驱动杆2和控制棒组件模拟件20的重量负载)，单独控制保持线圈。

“单提”：在传递线圈和保持线圈不通电的情况下，驱动杆2位于底部时(无驱动杆2和控制棒组件模拟件20的重量负载)，单独控制保持线圈。

“负载下单提”：在传递线圈和保持线圈不通电的情况下，驱动杆2位于一定高度时(有驱动杆2和控制棒组件模拟件20的重量负载)，单独控制保持线圈。

b)冷态步跃试验

在a)中所述的试验工况下，完成试验对象的步跃试验。步跃试验中，完整记录试验对象提升、下降运行电流—时间曲线和声响信号三套，并记录步跃运行时，机构动作声响，以判定机构动作声响是否清晰可辨，是否存在失步、滑步现象以及电流曲线中磁极与衔铁动作声响信号是否清晰可辨。

c)冷态过行程步跃试验

在a)中所述的试验工况下，试验对象完成规定次数的步跃试验。观察并记录试验对象在过行程步跃试验中是否发生滑棒、掉棒等异常现象，若发生以上异常现象，则不满足设计要求。

d)冷态释棒、落棒试验

在a)中所述的试验工况下，将试验对象完成相应次数的全行程动作，以考验试验对象全行程中释棒、落棒的特性，记录释棒延迟时间和落棒时间，以判断二者是否满足设计要求。

e)热态性能试验

在图2所示的检测系统200中，打开截止阀，并调节调节阀的开度，然后调节稳压器240中的电加热元件功率，将试验回路升温升压至试验所需的热态试验工况。

在热态试验工况下，按照a)到d)进行热态性能试验。

2)跑合试验

a)寿命跑合试验

在如图2所示的检测系统200中，试验对象完成1)中性能试验后转入跑合试验，在跑合试验中，在试验对象动作一定步数内，全行程记录一套完整的提升、下降运行电流—时间曲线和声响信号，并同时记录热态运行参数和工作线圈电阻值。测试过程中，记录并判断机构步跃动作声响清晰可辨，判断有误无失步、滑步现象，记录并判断电流曲线中磁极与衔铁动作声响信号是否清晰可辨，若声响清晰可辨且无失步、滑步现象，则满足设计要求。

在寿命跑合试验过程中，记录试验对象的驱动杆2一定次数的落棒试验中的释棒延迟时间，以判断落棒延时是否满足设计要求。

在寿命跑合试验过程中，试验对象以特定的速度进行一定步数的上升和下降的全行程动作，最终步跃步数满足设计寿命考核的要求，跑合试验过程中试验压力和温度稳定在试验对象的设计范围内。步跃运行时，记录并判断试验对象的动作声响是否清晰可辨，有无失步、滑步现象，电流曲线中磁极与衔铁动作声响信号是否清晰可辨，若声响清晰可辨且无失步、滑步现象，则满足设计要求。

跑合试验后，对试验对象进行检查：驱动杆紧固件是否出现松动现象(以判断环槽磨损正常、均匀)，并实测和记录工作线圈的绝缘电阻值(以判断其绝缘是否满足要求)。

4.试验结果分析

1)冷热态性能试验分析

结合试验对象的冷热态性能试验、跑合试验的记录数据，判断以上试验过程中是否出现失步、滑步、滑棒、掉棒等现象，若出现以上现象，则表明试验对象性能不满足设计要求，即可判定为试验对象性能试验不合格，反之亦然。

2)跑合试验分析

试验对象进行了规定步数的跑合试验后，试验对象各项性能技术指标和检查结果是否满足相应的技术要求，若满足，则表明试验对象满足寿命考核的要求，寿命满足设计要求，反之亦然。

综上，本发明所述的检测系统200中的试验装置100能够模拟压水反应堆中控制棒驱动机构的工作环境，即为压水反应堆控制棒驱动机构的冷热态性能和寿命考核试验提供所需的工况，简化了试验装置100，采用控制棒组件模拟件20以及缓冲组件30代替原型的控制棒组件，缩短了试验装置的安装长度，约缩短了一半，极大地减小了试验装置的制造和安装难度，省去了燃料组件和控制棒组件的安装，设计缓冲组件用于满足真实压水反应堆控制棒缓冲的要求以及保护驱动杆，且用缓冲组件30和缓冲杆23相配合以模拟真实压水反应堆控制棒下插时的水力环境。满足核电厂控制棒驱动机构冷热态性能试验和跑合试验的技术要求。

如上所述，可较好的实现本发明。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。