M310控制棒驱动机构课件F2012年10月 [兼容模式]

M310控制棒驱动机构
介绍
刘少华
二○一七年八月三十日第五
章
每节课请准时出席，课程中途离场，举手示意；请将手机及其他通讯设备设置为振动或关闭；主动参与各项讨论及活动，完成教员布置的课堂任务；
敞开心胸，吸收来自同事及教员的经验、见解和意见；
愿意说出自己的想法和意见，乐于与他人分享；
愿意倾听别人发表的内容；将所学转化运用于工作之中。

欢迎各位前来参加本次培训，为了使培训能够达到预期目标，我们将遵守下列约定，为学习共尽一份心力：
课堂公约
培训是员工最大的
目录学习目的
控制棒驱动机构基本工作原理
控制棒驱动机构功能与基本参数控制棒驱动机构主要结构与功能与控制棒驱动机构运动相关主要部件四五
三二一
一、学习目的
一般人员了解控制棒驱动机构基本功能、结构、
基本工作原理、事故情况下落棒原理
技术人员基本掌握控制棒驱动机构的基本功能、
结构、工作原理。

了解电流时序图、落棒曲线图。

二、控制棒驱动机构功能与基本参数
见图，按照控制和保护指令带动控制棒组件在堆芯内上下运动，进行反应堆启动、调节功率、保持功率、正常停堆；事
故工况下，断电释放控制棒组
件，使其在重力情况下迅速插入堆芯，实现事故停堆等功能。

二、控制棒驱动机构功能与基本参数
设备分级：
控制棒驱动机构是核电站长周期关键
设备之一，2011年前国内只有上海一机床能够制造，按照目前产能和技术从签
订合同起大约需要36～42个月完成制造。

质量保证分级：QA1（主要部件）
抗震等级：Ⅱ级（耐压壳）
安全等级：Ⅰ级（耐压壳）
二、控制棒驱动机构功能与基本参数
安装位置
安装在反应堆压力容器顶盖上部，见图。

从图中可以看出它的耐压壳是反应堆冷却剂系统压力边界的组成部分。

二、控制棒驱动机构功能与基本参数
主要技术参数
详见M310机组ML-A型CRDM主要技术参数表。

表1 M310机组ML-A型CRDM主要技术参数表
名称参数单位备注WWER-1000一期备注工作压力15.5MPa绝对压力15.7
设计压力17.23MPa绝对压力17.65
试验压力25.8MPa
工作温度293℃300
设计温度343℃350
行程3618mm全行程3500工作行程
步距15.875mm20
步速72步/min
二、控制棒驱动机构功能与基本参数
表1续M310机组ML-A型CRDM主要技术参数表
名称参数单位备注WWER-1000一期备注额定步数225步
总步数228步
事故落棒≤3.2S全行程≤4
缓冲段落棒≤2.1S
机电延迟≤0.15S
二、控制棒驱动机构功能与基本参数
表1续M310机组ML-A型CRDM主要技术参数表
名称参数单位备注WWER-1000一期备注电磁线圈电源260V独立发电机380/220厂用电
电磁提升力≥1602N
电磁线圈绝缘500MΩ500V50对壳体棒位误差8步1
棒位线圈绝缘100MΩ500V
设计寿命280万步钩爪组件30年
总长11286.15mm
数量61套/堆首次57套121首次85套
安装方式61Ω焊接专用焊机法兰螺栓连接
三、控制棒驱动机构主要结构与功能
结构：
控制棒驱动机构属于机电仪一体化设备，它由耐压壳、电磁线圈组件、钩爪组件、驱动杆组件、棒位探测器及隔热套组件等部件组成，是一种竖直方向运动并带有位置测量的电磁提升机构，如图所示。

三、控制棒驱动机构主要结构与功能
1、钩爪组件
功能：钩爪组件包括在提升、插入和保持操作时与驱动杆齿槽啮合，支承驱动杆，带动驱动杆上下运动或保持原位。

位置：钩爪组件都安装在耐压壳内，如图。

它由下列零部件组成：
保持钩爪和它的驱动件：磁极、
衔铁、销轴、连杆等；
传递钩爪和它的驱动件：磁极、
衔铁、销轴、连杆等；
两组钩爪与驱动杆上的环形槽啮
合，移动钩爪依靠提升磁极的作
用，以15.875mm的步长上、下
运动，从而带动控制棒组件以步
进方式上升或下降。

1、钩爪组件
三、控制棒驱动机构主要结构与功能
功能：驱动杆的主要作用是通过
可拆接头与控制棒组件连接，实现同
步运动，与控制棒组件拆卸时可以方
便脱开。

位置：安装在压力壳内，驱动杆
组件从钩爪组件的内孔穿过。

它由下列零部件组成：
驱动杆、可拆卸接头、拆卸杆等
零件组成。

驱动杆的外圆车有环
形槽，以便于钩爪啮合。

驱动杆
约7米长，直线度要求2/2500。

2、驱动杆组件
三、控制棒驱动机构主要结构与功能
2、驱动杆
三、控制棒驱动机构主要结构与功能
3、耐压壳组件
功能：为钩爪组件
提供机械支撑和驱动
杆组件提供运动行程
空间；
位置：耐压壳安装
在压力容器顶盖的管
座上，它与管座之间
采用梯形螺纹连接和
小Ω密封环焊接密封。

一期连接为法兰密封M310连接为Ω密封环焊接密封三、控制棒驱动机构主要结构与功能
耐压壳由两部分组成：
上段为驱动杆行程套
管组件，下段为密封
壳组件，壳内充满一
回路系统压力下的反
应堆冷却剂。

所以耐
压壳也是反应堆冷却
剂系统压力边界的组
成部分。

3、耐压壳组件
三、控制棒驱动机构主要结构与功能
三、控制棒驱动机构主要结构与功能
3、耐压壳组件
耐压壳外安装电磁线圈组件和棒位
探测器组件，并为这2个组件提供支撑。

驱动杆行程罩顶端采用端塞密封，
端塞上安装有排气孔，供一回路系统
充水排气期间使用。

端塞上还安装有
吊环螺栓，用于安装期间吊起整个驱
动机构。

吊装压力容器顶盖时，耐压
壳与它连为一体同时吊装。

三、控制棒驱动机构主要结构与功能
4、电磁线圈组件
功能：接收控制和保护信号，按照规定的程序进行通电和断电，产生电磁力带动钩爪组件动作，从而实现驱动杆上下运动、保持、或事故情况下落棒。

位置：线圈组件安装在驱动机构密封壳的外部。

三、控制棒驱动机构主要结构与功能
4、电磁线圈组件
它由电磁线圈、线圈磁轭和导线管、电连接器等零件组成。

共计有提升、传递、保持三个电磁线圈，线圈是由双层玻璃丝绝缘的圆铜线绕制的，设计运行温度是200℃，正常工作温度在120℃左右。

三、控制棒驱动机构主要结构与功能
4、电磁线圈组件
电磁线圈通过电连接器和电缆与棒控系统连接，当电磁线圈按照给定的程序通电或断电时，钩爪组件带动驱动杆组件及其连接的控制棒组件上下运动、保持或落棒。

线圈磁轭的作用：给线圈提供机械保护、散热、构成磁通道。

三、控制棒驱动机构主要结构与功能
4、电磁线圈组件
电磁线圈由RAM系统的电动发电机独立供电。

输出电压为交流260V，发电机上带有惰转飞轮，在电网瞬时故障时可通过惰转飞轮维持1.2S向线圈供电，避免控制棒下落。

在15.875mm距离及工作温度状况下，电磁线圈在提升控制棒时，需要克服控制棒组件重力、驱动杆重力、摩擦力、水阻力等各项合力，经过计算和试验结果，电磁提升力约为1602N，提升时需要约为电流40A，吸
合后电流保持在16A左右。

由于线圈属于感性负载，通电时会产生反电势，所以真正的电流时序图不会是直线。

三、控制棒驱动机构主要结构与功能
5 棒位探测器组件
功能：探测出控制棒当前所在位置，在全行程落棒时，可用于测量控制棒组件的落棒曲线和落棒时间。

位置：棒位探测器组件安装在驱动行程套管组件外面，不承受压力，常压。

棒位探测器由探测线圈及内外套管等零件组成，内外套管为棒位探测器线圈提供支撑和保护。

三、控制棒驱动机构主要结构与功能
5 棒位探测器组件
棒位线圈由一个初级和33个次线圈组成。

初级线圈覆盖整个驱动杆行程，电流约为1.7A左右。

33个次级为短线圈，其中有31个为测量线圈，他们均匀分布在初级线圈上，每个线圈间隔（127mm），2个补偿线圈为补偿线圈，分别布置在初级线圈顶部和底部。

三、控制棒驱动机构主要结构与功能
5 棒位探测器组件
刘少华测试
次级线圈按照葛雷码逻辑关
系组成5组编码
（A/B/C/D/E），当驱动杆
在棒行程罩内移动时，改变
了磁极位置圈的磁场，由此
产生一个正比于控制棒高度
的信号，通过解码可指示控
制棒当前所在位置。

其优点是抗干扰能力强，不会受温度或磁场变化而影响测量精度。

棒位探测器通过电连接器和抗辐射电缆与棒位指示系统连接，棒位指示系统对棒位探测器的电信号进行处理后，可以直接显示控制棒的实际位置。

三、控制棒驱动机构主要结构与功能
5 棒位探测器组件
葛雷码逻辑关系组成5组编码（A/B/C/D/E）
刘少华
测试
功能：减少反应堆热量向控制棒驱动机构传递，减少管座壁的内外温差。

位置：安装在压力容器顶盖的控制棒驱动机构管座内。

隔热套管组件由隔热套和导向罩等零件组成，当压力容器顶盖扣盖时，为驱动杆组件插入耐压壳导向。

6 隔热套管组件
三、控制棒驱动机构主要结构与功能
6 隔热套管组件
三、控制棒驱动机构主要结构与功能该图是焊接在M310机组RPV顶
盖的结构图，对于组件的垂直度、
同心度要求严格，以保证控制棒
驱动机构安装时达到最小偏差。

管座外部为美标梯形螺纹，用于
安装定位，管座材料选用
Z2CN19-10，属于控氮材料。

梯形螺纹最大直径
150mm，最小直径
142mm
由压力容器顶盖，CRDM 管座法兰、隔热罩，导向罩等零件组成堆顶组件，当压力容器顶盖扣盖时，能够准确为驱动杆组件插入耐压壳进行导向。

CRDM中部Ω在工厂进行焊接，下部Ω环缝在现场采用下部自动焊接机进行焊接。

7 堆顶组件
三、控制棒驱动机构主要结构与功能CRDM管座法兰
CRDM管座实物照片，右图为加
工完成，渗透PT探伤合格产品。

下图可以看到管座上的下部Ω焊缝、
梯形螺纹。

三、控制棒驱动机构主要结构与功能
四、与控制棒驱动机构运动相关主要部件
我们要想了解控制棒驱动机构动作原理，首先相应的了解与他相关部件或设备。

1、控制棒组件
在反应堆运行中，控制棒驱动机构是与控制棒组件连接在一起，是通过驱动杆可拆卸接头与控制棒组件的星形架相连的。

控制棒组件用于快速反应性，区别于反应堆冷却剂硼水慢性控制的工作原理，属于独立的快速反应性控制系统。

关于控制棒的分组、物理特性等不在本次学习范畴。

四、与控制棒驱动机构运动相关主要部件控制棒组件由星形架和24根控制棒组成（一期为18根），总长度为4088mm，如图所示。

驱动机构如何带动
柔软的控制棒在反应堆
中正常进行上下运动的，
是由导向筒和导向管组
成的控制棒驱动线，驱
动机构就是带动控制棒
在驱动线内进行上下运
动。

2、控制棒驱动线
四、与控制棒驱动机构运动相关主要部件
控制棒导向筒如图，导向筒属于堆内构件的一个部件，位于反应堆内上部，控制棒导向筒共有61个，它允许控制棒组件（包括星形架和24根吸收棒）在其内上下运动，为控制棒组件提供定位和导向。

2.1 控制棒导向筒
四、与控制棒驱动机构运动相关主要部件
导向筒分上部导向组
件和下部导向组件两部
分，二者采用法兰相连
接，固定在导向筒支承
板上，下部导向筒的底
部有两个定位销插在堆
芯上栅格板的对应定位
销孔中，进行定位作用
（见A-A）。

2.1 控制棒导向筒
四、与控制棒驱动机构运动相关主要部件
四、与控制棒驱动机构运动相关主要部件
2.1 控制棒导向筒
加工成型的下部导向筒
控制棒导向管属于核燃料组件的部件，燃料组件为AFA 3G
17×17 型（方形，一期为6角形）
2.2、控制棒导向管
四、与控制棒驱动机构运动相关主要部件
每个组件有264根燃
料元件棒、24根控制棒
导向管和一根堆内测量
导管，它们按17×17排
列成正方形栅格，共有
289个元件棒位。

整个
棒束沿高度方向设有11
层个定位格架。

导向管
内径为11.45mm，外
径为12.45mm。

2.2、控制棒导向管
四、与控制棒驱动机构运动相关主要部件
导向管缓冲段
每个燃料组件有24根控制棒导向管，它
们为控制棒插入和提出提供了导向通道。

导向管由Zr-4合金管制成，其下段在第一和第二格架之间直径缩小（见图），在紧急停堆时，当控制棒在导向管内下落接近其行程底部时，收缩管径起缓冲作用。

离过渡段以上不远的管壁设有流水孔，它的作用是正常运行时冷却剂流入管内冷却控制棒，控制棒紧急下落时水能够从管内快速排出。

四、与控制棒驱动机构运动相关主要部件
导向管下端焊接一个带内螺纹的
Zr-4端塞，再用一个带防落边的
螺钉把它固定在下管座上方的防
屑板上，使其精确定位。

防落边
胀到肋板上的孔壁内，防止螺钉
松脱。

螺钉上由一个轴向小孔，
用于增加对控制棒的冷却作用（
运行时）和不使导向管底部存水
（换料时）。

导向管下端
四、与控制棒驱动机构运动相关主要部件
五、控制棒驱动机构基本工作原理
驱动杆的上下移动是通过向电磁线圈按一定的顺序通断电流实现的。

电磁线圈控制钩爪组件的钩爪牵引驱动杆移动，当驱动杆定位后由保持钩爪保持驱动杆在此位置不动。

在事故状况下，在反应堆保护被触发时，三个电磁线圈同时断电，钩爪释放脱开，驱动杆连同控制棒依靠重力一起自由下落。

控制棒驱动机构动作是通
过RGL系统发出指令信号，
指令控制程序见图，通过
指令信号操作三个线圈按
规定程序进行通／断电，
控制钩爪动作，一步动作
周期为780ms，提升和
下降过程如图所示。

控制指令
五、控制棒驱动机构基本工作原理
控制棒提升过程
第一步：保持线圈通电，提升线圈和传递线圈断电
保持钩爪动作（保持原位置），与驱动杆啮合在当前位置。

时序电流在4.7A左右，看图。

五、控制棒驱动机构基本工作原理
第二步：传递线圈通
电，提升线圈保持断电
状态，
保持线圈保持通电状
态
传递线圈通电后，传
递钩爪动作（伸出），
与驱动杆啮合。

此时保
持钩爪和传递钩爪共同
抓住驱动杆。

传递时序
电流在7.9A左右，看图。

控制棒提升过程
五、控制棒驱动机构基本工作原理
刘少华测试
控制棒提升过程
五、控制棒驱动机构基本工作原理
第三步：保持线圈断电，保持钩爪动作（收回），使保持钩爪与驱动杆分离。

此时提升线圈保持断电状态，传递线圈保持通电，传递钩爪抓住驱动杆，驱动杆保持在原
位置。

看电流时序图。

控制棒提升过程
第四步：提升线圈
通电，传递线圈维持
通电状态，保持线圈
保持断电状态；
提升线圈通电后，
提升磁极和传递磁极
吸合，带动传递钩爪
向上移动一步。

提升
时序电流在40A左右，
看电流时序图。

刘少华测试
控制棒提升过程
第五步：保持线圈通
电，提升线圈和传递线
圈维持通电状态，；
保持线圈通电后，保
持钩爪动作（伸出），
与驱动杆啮合。

此时传
递线圈维持通电，传递
钩爪也抓住驱动杆，传
递时序电流在8A左右，
提升时序电流在16A左
右，看电流时序图。

刘少华测试
五、控制棒驱动机构基本工作原理
控制棒提升过程
第六步：提升线圈电流维
持通电状态，传递线圈断
电，保持线圈维持通电状
态；
传递线圈断电后，传递钩
爪动作（收回）使传递钩
爪与驱动杆分离。

保持线
圈保持通电状态，保持钩
爪锁住驱动杆，驱动杆保
持在提升一步的位置。

看
电流时序图。

刘少华测试
五、控制棒驱动机构基本工作原理
控制棒提升过程
第七步：提升线圈断电，
传递线圈维持断电状态，
保持线圈维持通电状态；
提升线圈断电后，传递
磁极与提升磁极脱开，在
弹簧作用下向下运动，传
动钩爪恢复到初始状态，
为下一步提升做好准备。

看电流时序图。

刘少华测试
五、控制棒驱动机构基本工作原理
控制棒插入过程
控制棒插入的工作顺序与上述步骤相反。

看电流时序图。

保持。