核反应堆控制棒结构尺寸在役精确测量技术研究.docx
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核反应堆控制棒结构尺寸在役精确测量技术研究
核反应堆控制棒结构尺寸在役精确测量技术研究
谢航
（中核武汉核电运行技术股份有限公司，核工业在役检查中心，湖北，武汉）
摘要：
核反应堆控制棒束组件用于调节反应堆功率和在紧急情况下保证反应堆停堆，对于核电站安全运行具有重要作用。
在核电站运行过程中，控制棒受到运行工况和运行环境的影响，会出现肿胀和磨损等缺陷。
定期开展核反应堆控制棒组件在役检查，对控制棒外径和壁厚等结构尺寸进行测量，可以对控制棒的肿胀和磨损情况进行监测。
本文采用水浸超声的方法对反应堆控制棒结构尺寸进行精确测量，该方法适合大修期间在乏燃料水池中实施。
本文介绍了水浸超声测量外径和超声共振测量壁厚的原理，分析了其中影响测量精度的关键因素。
根据反应堆控制棒束的结构特点和控制棒的结构尺寸，设计并制作了一种高频宽带水浸聚焦超声探头。
对可能对外径测量造成误差的水中声速、探头旋转圆心和控制棒圆心偏心、采样误差等因素进行修正，以提高外径测量的精度。
同时采用内插频谱校正法对超声共振测厚的频率进行修正。
最后对超声探头的性能参数进行测试，并通过控制棒标定棒对本文设计的超声探头和提出的测量方法进行验证。
试验结果证明了超声探头和测量方法能够满足反应堆控制棒束结构尺寸测量的技术要求。
关键词：
控制棒束组件，水浸超声，外径测量，测厚
ResearchonIn-ServicePreciseMeasurementTechnologyofNuclearReactorControlRodStructureSize
XieHang
ChinaNuclearPowerOperationTechnologyCorporation,LTD,
In-ServiceInspectionCenter,Wuhan,Hubei
Abstract:
Rodclustercontrolassemblyisusedtoregulatereactorpowerandtoensurereactorshutdowninemergency,whichisimportantforthesafetyoperationofnuclearpowerplant.Duringtheoperationoftheplant,swellandwearareoccurredonthecontrolrodscausedbytheoperatingconditionsandenvironment.Theswellandwearcanbemonitoredbymeasuringthediameterandthicknessofcontrolrodsduringthein-serviceinspectionofrodclustercontrolassemblytermly.Inthispaper,amethodofwaterloggingultrasonicisusedtomeasurethecontrolrodssizeprecisely,whichissuitabletoimplementinthespentfueltankduringtheoutage.Thispaperintroducestheprincipleofdiametermeasurementandthicknessmeasurementbyultrasonicresonance,andanalyzesthekeyfactorstoaffecttheaccuracyofthemeasurement.Basedonthestructuralcharacteristicsandsizeofthecontrolrods,aspecialwaterloggingultrasonicprobeisdesignedandmanufacturedwithhighfrequencyandbroad-band.Thefactors,whicharethesoundvelocityofthewater,theeccentricbetweentheproberotationandthecontrolrod,andthesamplingerror,arecorrectedtoimprovetheaccuracyoftheouterdiametermeasurement.Inthemeantime,thefrequencyofultrasonicresonancethicknessmeasurementisadjustedbyinterpolationspectrumcorrectionmethod.Finally,theperformanceoftheultrasonicprobesistested,andthedesignedprobeandmeasurementmethodareverifiedbymeasuringthecalibrationcontrolrod.Theexperimentalresultsshowthattheultrasonicprobeandproposedmethodcansatisfythetechnicalrequirementsofthereactorcontrolrodstructuresizemeasurement.
Keywords:
RodClusterControlAssembly,WaterloggingUltrasonic,DiameterMeasurement,ThicknessMeasurement
1.引言
核电站核反应堆控制棒束组件（RodClusterControlAssembly，以下简称RCCA）用于调节反应堆功率，并在紧急情况下保证反应堆停堆，对于核电站的安全运行具有重要作用。
反应堆运行期间，控制棒束组件受高辐射环境下的材料蠕变、水流冲击以及控制棒步进运动等影响，会产生肿胀、磨损等结构缺陷。
控制棒包壳内部填充物银铟镉芯块在受热和吸收中子后会发生体积膨胀，可能导致控制棒包壳肿胀。
肿胀的发展可能导致控制棒不能顺利落入燃料组件或从燃料组件中拔出，影响核电站正常运转和正常启停堆，造成严重的核安全事故。
同时，控制棒在提升和下落过程中，会与控制棒导向元件产生摩擦，导致控制棒磨损。
在反应堆运行过程中，控制棒同导向元件之间由于水流等影响会产生一定的冲击和滑动，也会造成控制棒磨损。
磨损严重时，可能导致控制棒在下落过程中跑偏或导致控制棒卡棒，造成运行安全隐患。
国内外已将定期开展RCCA在役检查作为保障核安全的有效手段，其中RCCA的结构尺寸测量主要由超声方法完成。
在检查过程中，通过测量控制棒的外径和壁厚反映其肿胀和磨损程度。
由于RCCA结构特点及其重要性，对于控制棒结构尺寸的测量精度提出了较高要求，其中外径测量偏差<0.03mm，壁厚测量偏差<0.05mm。
水浸法超声是一种测量外径和壁厚的无损检测方法[1]，该方法适合大修期间在乏燃料水池中实施RCCA的结构尺寸测量。
水浸法超声测量控制棒外径，是利用超声波在管材表面回波计算探头和管材外壁的相对位置，再结合探头旋转半径计算出控制棒外径。
在进行外径测量的同时，可以利用管材内外表面超声回波的声程差计算管材壁厚。
常用的超声测厚方法有脉冲反射法和共振法。
由于共振法测厚具有可测厚度下限小，测量精度较高的优点，更有利于控制棒管材的厚度精确测量，本文中采用超声共振法对控制棒进行测厚。
本文结合RCCA的特点，设计一种高频水浸聚焦超声探头，分析影响水浸超声测量外径和壁厚精度的因素，对水浸超声外径测量方法和共振测厚方法进行优化，并通过试验验证了该方法的有效性，试验结果证明了设计的超声探头和提出的测量方法能够满足反应堆控制棒束结构尺寸测量的技术要求。
2.测量原理
2.1测量对象和技术难点
RCCA及燃料组件如图2.1所示，国内常见的RCCA主要有1515型和1717型。
其中结构尺寸和控制棒数量略有不同，1515型RCCA规格为Φ100.5mm，每束包含20根控制棒，1717型RCCA规格为Φ9.70.475mm，每束包含24根控制棒。
由于两种RCCA的规格相差不大，本文中主要以1515型为例介绍其结构尺寸测量方法。
由于控制棒半径小、曲率大、控制棒壁厚较小、RCCA组件中各个控制棒之间的间隔小等因素的影响，对超声探头的设计和外径壁厚测量算法带来了一定的难度。
同时，控制棒在役检查时的辐射剂量率高，实施检查必须在乏水池的水中进行。
由于乏水池中的水温存在波动，也会对控制棒的结构尺寸测量带来影响。
图2.1RCCA及燃料组件示意图
2.2外径测量原理
控制棒的超声水浸外径测量原理图如图2.2所示，假设探头的旋转圆心同控制棒圆心重合时，可用以下公式计算控制棒当前位置半径：
（1）
其中，r为控制棒的半径，R为探头旋转半径，cw为水中的声速，t为水浸直探头的界面回波时间。
通过探头的螺旋扫查，可以完成整根控制棒的外径测量。
图2.2控制棒超声水浸外径测量原理示意图
为了确保外径的测量精度，要求水中声速稳定，即cw为常量。
但是乏燃料水池由于燃料的发热和水池的散热，水温存在一定的波动，这会造成水中声速的波动。
同时应保证探头旋转中心和被检控制棒同心，否则无法直接采用公式1计算控制棒外径。
由于设备制造和装配误差，探头旋转圆心同控制棒圆心总是存在偏心。
最后，由于超声仪在获取超声信号时，会进行模数转换，因此计算时间t时，会存在一定的采样误差。
本文采取适当的修正和补偿算法，对各参数进行修正，并对该算法进行试验验证。
2.3超声共振测厚原理
超声共振测厚是利用驻波原理进行测厚。
当两列振幅相同的相干波在同一直线沿相反方向传播时会互相叠加形成驻波。
当工件厚度为超声波半波长整数倍时，反射波和入射波相互叠加，形成驻波，此时振幅最大，从而产生共振。
本文采用带宽较宽的超声探头进行共振测厚。
按照傅里叶分解原理，可将该超声信号分解为多个正弦信号的叠加。
宽带超声探头发射的超声波，经过控制棒管壁后，处于共振频率的正弦信号得到最大的保留，其他频率信号被削弱。
控制棒管壁相当于一个滤波器，对宽带超声信号进行滤波。
只需要测得其共振频率，可用以下公式计算出控制棒管壁的厚度：
（2）
其中WT为管壁厚度，ct为管壁中波速，f为工件的超声共振频率。
从以上分析可以看出，超声共振法测厚的关键是共振频率f的测量精度。
为了求取共振频率，首先截取超声信号共振区域的时域波形，然后对截取的信号进行离散傅里叶变换（DiscreteFourierTransform,DFT）,信号x（n）的频谱X（k）为
（3）
式中k为频谱序号，n为时域序号，N为信号长度。
最后获得频谱X（k）的最大频率即为超声波的共振频率。
由于离散傅里叶变换得到幅值谱是离散谱线，是信号频谱与窗函数频谱做复卷积后等间隔频域抽样的结果，造成频谱的栅栏效应。
当信号长度为N，信号采样频率为fs时，谱线间隔为fs/N。
如果信号的共振频率正好对准某一谱线时，则得到的频率信息是准确的，在一般情况下，信号频率在两条谱线之间，并没有对准主瓣中心，因此在窗频谱主瓣中经过栅栏抽选得到的最高谱线并不一定为信号的真实最大频率。
对薄壁管超声共振信号进行频谱分析时，由于信号衰减的原因，无法得到较长的共振信号。
同时由于分析时间的限制，无法对截取信号过多的补零以降低栅栏效应的影响，这造成较大的谱线间隔频率，可能导致较大的误差。
因此，应用超声共振法对薄壁管进行厚度测量，需要降低栅栏效应对共振频率估计的影响。
文献[2]中列举了几种常用的频谱校正方法，其中，内插法是一种具有较快运行速度的方法，本文中采用内插法对共振波频谱进行修正，以获取更为精确的共振频率。
3.超声探头设计
控制棒的外径为Φ10mm，为了保证检测是不受管材大曲率表面的影响，同时为了保证能够发现管材表面较小的尺寸变化，本文中采用水浸点聚焦探头，以保证探头能量聚焦到尽可能小的范围。
考虑到探头尺寸和控制棒束组件内部结构尺寸的影响，结合机械设备设计的要求，并保证探头焦点位于管材表面附近，探头的焦距确定为81mm，-6dB焦斑为0.250.05mm。
控制棒的壁厚为0.5mm。
无限大不锈钢的纵波声速cL为5700m/s，细长棒（直径d<超声波长）中的纵波声速cLb为5180m/s。
实际控制棒管壁的声速介于cL和cLb之间。
为了保证能够测量出0.5到0.2mm及更小的壁厚，同时将超声声速代入公式
（2），探头的频率和带宽应能保证覆盖5MHz至15MHz，因此探头的中心频率为10MHz至12MHz，-6dB带宽大于100%。
考虑到超声水浸探头在水中传播和同轴电缆中传输造成的衰减和频散，探头的公称频率为15MHz。
综合以上因素，超声探头的设计参数如下：
表3.1超声探头设计参数
名称
数值
晶片直径
4mm
公称频率
151.5MHz
实际使用频率
10~12MHz
-6dB带宽
≥100%
焦距
81mm
-6dB焦斑
0.250.05mm
4.外径测量方法改进
4.1水声速修正
控制棒束的在役检查在乏燃料水池中进行，水池中水温存在一定的变化。
为减小水池中水温变化对声速影响，保证控制棒外径测量结果精确，增加一个超声参考探头，用于测定当前水温下水中的声速。
参考探头的参数同测量探头的参数相同，对固定间距的目标靶发射超声信号，根据固定靶的反射信号接收时间计算实时声速，如图4.1所示。
假设参考探头固定靶到超声探头的距离为Lr的表面回波时间为tr，则水中声速
（4）
再将公式（4）代入公式
（1）中，可以修正水中声速变化造成的外径测量误差。
图4.1参考探头
4.2同心度补偿
假设超声探头的旋转圆心同控制棒的圆心存在偏心，如图4.2所示，旋转半径R，控制棒半径为r，旋转圆心同控制棒的圆心距离为d，当旋转一定角度时，根据余弦定理，探头距离表面的距离L满足以下公式：
（5）
由公式（5）可知，当旋转圆心同控制棒的圆心存在偏心时，探头距离控制棒外壁距离L随旋转角度周期变化。
图4.2探头旋转圆心同控制棒圆心偏心示意图
采用测量探头绕控制棒旋转一周，测量控制棒表面回波的声程，结果如图4.2中蓝线所示，同理论分析结果相同呈周期性变化。
本文中采用周期性修正对同心度进行补偿。
为了保证修正起点一致，在参考探头上增加一个旋转靶作为键相，如图4.1中所示，并在机械设备上设计同步机构，保证旋转靶与测量探头同步旋转，当参考探头发现旋转靶的角度作为该测量周期的起点，如图4.3中红线所示。
当进行初始标定时，假设标定棒在某一位置外径为常量r，可以计算出当前角度的修正量
（6）
当进行控制棒外径测量时，将修正量代入公式
（1），可得到控制棒实际半径为
（7）
图4.3外壁回波声程周期变化
4.3采样修正
为了方便存储和分析，超声仪会将采集的超声信号进行数字采样。
超声信号在采样过程中，会产生采样误差，如图4.4所示，其中实际超声信号如图中蓝线所示，采样后数据如图中红圈所示。
在进行测量时，一般采用超声信号的幅值最大值点时间作为超声传播时间。
从图中可以看出，数字采样后的最大值点时间tn+1并不是实际最大值点的时间。
本文采用插值法对采样误差进行修正，并取控制棒表面回波幅值过0的时间点作为超声传播时间，如图中t所示。
首先设定一个阈值，如图4.4中红色虚线所示，当超声信号高于该阈值时，认为该信号为控制棒表面回波，往后寻找通过零点的采样点tn和tn+1，其对应幅值为An和An+1，通过线性插值，得到回波时间
（8）
图4.4采样误差
5.共振测厚方法改进
为了获得更加准确的共振频率，本文采用内插算法对控制棒管壁共振波频率进行修正。
内插算法通过主瓣内的谱线来求取主瓣中心的坐标，从而得到精确频率、幅值和相位。
对于简单的窗函数，如矩形窗或者汉宁窗，可以采用比值校正算法，推导出其频率的校正公式，直接将快速傅氏变换后的频率、幅值和相位带入校正公式即可得到精确解。
本文采用汉宁窗进行超声共振测厚信号的频谱校正，用以获得准确的共振频率。
汉宁窗的定义为：
（9）
其频谱函数为：
（10）
式中
。
当N>>1时，可忽略三项之间的相位差
，且
，则窗函数频谱的模可近似为：
（11）
通常在汉宁窗的主瓣内有四条谱线，如图5.1所示。
在图5.1汉宁窗函数曲线上取两点
、
，当
且
时，满足如下关系
（12）
公式（12）表明,在图5.1曲线上取两点，将左边点左移一格，右边点右移一格，这时两点的重心在坐标原点，即图中点
和点
的重心在坐标原点。
图5.1汉宁窗主瓣函数与内插算法
假设主瓣内最高谱线的横坐标为K，对应的频率为
，其左右两条相邻谱线的坐标（K-1）和（K+1），设主瓣中心的横坐标为
（13）
那么用于求取
的内插公式为：
（14）
因此，校正后的精确频率为：
（15）
6．试验
6.1试验方法
采用同RCCA材料相同的管材制作标定棒，标定棒外径10mm，壁厚0.5mm，标定棒上制作一个肿胀区域、一个周向新月形磨损区域和一个轴向电火花槽，肿胀区域的外径为10.150.01mm，磨损区域公称壁厚0.250.03mm，电火花槽区域公称壁厚0.30.05mm，如图6.1所示。
图6.1RCCA标定棒
按照第3节的设计的参数制作超声探头，同时设计并制作一个探头测试装置，如图6.2所示，对超声探头的参数进行测量，以确保超声探头的参数满足检查需要。
测试装置主要由六向滑台、水槽、平底/顶针组成。
测量焦距、频率和带宽时，采用平底进行测量。
测量焦斑时，为了保证准确，采用尖头顶针进行测量。
测试合格的超声探头，安装到RCCA检查装置上，对标定棒的外径和壁厚进行测量。
图6.2探头参数测量装置
最后，在超声软件上设定控制棒的正常区域、肿胀区域、磨损区域和电火花槽的轴向位置。
以正常区域测量数据作为基准，按照本文第4节和第5节中提出的外径测量和壁厚测量方法，对标定棒中肿胀区域、磨损区域和电火花槽的外径或壁厚进行测量，对测量结果进行记录和分析，以验证本文中设计的超声探头和提出的外径壁厚测量修正算法对控制棒结构尺寸的测量精度。
由于1515型RCCA检查设备一次安装10个超声探头，在后续的测试中共计对10个探头的参数和标定棒检测结果进行试验。
6.2超声探头测试
制作的探头如图3所示，除超声探头外，还包含安装和传动结构。
将超声探头安装到如图6.2所示的测试装置上，首先采用平底作为反射体，上下移动滑台，平底的界面回波形成包络如图6.4（a）所示，包络最高位置为探头的焦距位置。
然后将滑台上下位置固定于探头焦距位置，测量测量平底反射界面波的频率和带宽。
焦距位置平底的回波和频谱如图6.4（b）所示。
将反射体更换为顶针，同时固定滑台位于探头焦距位置，前后左右移动滑台，测量探头的焦斑。
探头的焦距、焦斑、频率和带宽测试结果如表6.1所示，探头参数均能满足设计需要。
图6.3RCCA超声探头
（a）序号1探头焦距测试（b）序号1探头回波及频谱
图6.4探头参数测量结果
表6.1探头参数测试结果
序号
焦距（mm）
焦斑（mm）
频率（MHz）
带宽（%）
1
8.7
0.26
10.72
145
2
8.6
0.21
11.57
107
3
8.4
0.25
10.79
125
4
8.2
0.25
10.28
138
5
7.7
0.22
10.77
147
6
8.0
0.26
11.06
125
7
8.7
0.23
10.67
144
8
8.7
0.29
10.75
125
9
8.5
0.27
10.86
138
10
8.4
0.22
10.99
148
6.3试验验证
将超声探头安装到RCCA检查装置上，并完成整根控制棒标定棒的数据采集。
分别获取正常区域、肿胀区域、磨损区域和电火花槽区域的数据。
正常区域的超声信号如图6.5所示。
以正常区域作为基准，按照公式（6）计算修正量（），按照公式15计算出共振频率后代入公式
（2），计算出控制棒管壁中超声声速ct。
图6.5正常区域超声信号（0.5mm）
进一步，结合第4节的修正算法，计算出肿胀区域和另外一处无缺陷区域的外径，如表6.2和图6.6所示，图中红线为标尺，蓝线为实测值。
从图中和表中可以看出，肿胀区域外径测量的最大偏差为+0.02mm，在公称值的0.03mm以内。
表6.2磨损区域和电火花槽区域壁厚测量结果
公称值/探头序号
肿胀区域外径（mm）
磨损区域壁厚（mm）
电火花槽区域壁厚（mm）
公称值
10.150.01
0.250.03
0.30.05
1
10.14
0.279
0.314
2
10.14
0.283
0.341
3
10.14
0.272
0.338
4
10.17
0.272
0.338
5
10.14
0.286
0.328
6
10.14
0.269
0.324
7
10.15
0.286
0.345
8
10.14
0.266
0.310
9
10.14
0.272
0.303
10
10.14
0.259
0.310
（a）肿胀区域
（b）无缺陷区域
图6.6探头1测量肿胀区域外径和无缺陷区域外径
磨损区域和电火花槽区域的超声波形图如图6.7所示，对比图6.5中正常区域超声信号波形图可以看出，随着壁厚的减小，共振波区域的波形周期减小，频率增大，符合公式
（2）的变化规律。
磨损区域和电火花槽区域的壁厚测量结果如表6.2和图6.8所示，图中红线为标尺，蓝线为实测值。
可以看出，磨损区域壁厚测量的最大偏差为+0.036mm，电火花槽区域壁厚测量的最大偏差为+0.045mm，均在公称值的0.05mm以内。
（a）磨损区域（b）电火花槽区域
图6.7磨损区域和电火花槽区域超声波形图
（a）磨损区
（b）电火花槽区域
图6.8探头1测量磨损区域和电火花槽区域壁厚
7.结论
核反应堆控制棒组件在核电站运行过程中，受到运行工况和运行环境的影响，会出现肿胀和磨损等缺陷。
本文针对此类结构尺寸变化缺陷，采用水浸超声方法，结合RCCA的自身结构和被检环境设计了一种高频水浸聚焦探头，同时对现有的外径测量算法和壁厚测量算法进行改进，实现对RCCA的结构尺寸进行测量。
试验结果表明，本文采用的水浸超声探头和外径壁厚测量算法，能够在在役期间精确测量控制棒的结构尺寸。
该项技术可以用于RCCA在役检查，也可推广到类似小管径薄壁管的出厂检查中。
本文的创新点如下：
1）根据RCCA管径小、壁厚薄的特点，设计并制作了一种高频水浸聚焦超声探头用于控制棒结构尺寸测量，结合理论分析和经验，确定了水浸超声探头的焦距、焦斑、频率和带宽参数。
该超声探头已经应用在秦山一厂的RCCA检查中。
2）计算控制棒外径时，利用参考探头和固定靶，计算水中
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