CN1176706A - 核反应堆控制棒的检测装置和方法 - Google Patents

Abstract

检测可以放入核反应堆堆芯内的控制棒的装置,该装置包括一个本体,具有可在控制棒上滑动的导向装置,可在控制棒束的m个不同角度方位为控制棒导向,m为控制棒数n的整数约数,还有一个测量盘,上面有n/m个涡流检测头(16)和n/m个超声波探头(18),位于各导向路径上。每个超声波探头(18)有一个环形支架,它套在控制棒上,支架上有由换能器单元组成的环。换能器与激励回路连接,激励回路使得各组换能器相继激励,构成对管子的环形扫描,在沿路径移动的管子的表面实现电子聚焦。

Description

核反应堆控制棒的检测装置和方法

本发明涉及对控制棒的检测，控制棒可以放置在核反应堆堆芯内，更确切地说，本发明的目的是对控制棒进行涡流检测和超声波检测的装置和方法，以便确定控制棒的磨损程度。

本发明的重要用途在于对控制棒的检测，控制棒由内装吸收材料的管子构成，属于插在核反应堆燃料组件中调整反应程度的控制棒束，这种反应堆为轻水反应堆。在这种反应堆中，所用的控制棒束是一束吸收控制棒，其数量可以为二十四，控制棒安装在位于上方的控制零件的臂上。

必须定期对这些控制棒的状态进行检测，确定其缺陷，以便及早排除套管泄漏或由于鼓起而被卡住的危险。

人们已经提出一种检测控制棒的方法(FR-A-2585869)，在这种方法的检测中，顺序将控制棒和检测装置沿轴向相对移动。在第一阶段中，将控制棒束向下插入检测装置，对多根控制棒同时进行涡流检查。在第二阶段中，用超声波一个个地对有疑问控制棒的有疑问段进行检查，这种检查是在多个断面上进行的。超声波传感器只设置了一个，它可以在沿控制棒轴向移动的同时绕控制棒转动。

这种方法具有已知的优点。它可以只对由涡流检测确定有问题的控制棒作超声波检测，它的装置非常简单。但是，它不能对控制棒套管整个长度上的缺陷提供完整的信息。而一个控制棒束和另一个控制棒束之间缺陷的数量相差很大。在目前的压水式反应堆中所用的控制棒束，在不同高度，磨损可能是卵形、月牙形、扁平形等等，还可能会使套管鼓起来。

本发明的目的是提供一种能够提供完整信息的检测装置和方法，而不会明显影响检测的时间。

为此，本发明设计了一种检测控制棒的方法，这些控制棒可以放入核反应堆堆芯内，根据这种方法，控制棒和检测装置纵向相对移动，其特征为：(a)将有n个控制棒的控制棒束穿入检测装置，用这个装置依次用涡流法检测n/m根控制棒，这里m为n的整数约数，在用电子扫描的方法对n/m根控制棒沿轴向依次地检测外圆周的同时记录超声波的反射波，(b)重复m次操作(a)，每次完成一个检测过程，控制棒束转动360/m度，(c)分析超声波反射波的记录，至少要分析经过涡流检测、显示可能有问题的一段长度上的记录。

涡流检测可以总体上确定控制棒的外部磨损程度，超声波检测可以更精确地确定材料缺损或鼓出部分的位置。详细的检测需要复杂的操作，只在局部限定的区域上稍后的时间内进行，因此不会使检测装置长时间停留在一个位置上。

在一个实例中，在控制棒束移动的时候，测量控制棒的高度，并在各个相继的位置进行超声波电子扫描检测，每次扫描的时间至少比分隔两次不同位置测量的时间间隔小一个数量级。而且，得到的结果基本上处于同一个高度。

对结果的分析可以提供有疑问区的周向特征曲线；可以计算和显示(或记录)沿轴向或横向断面的磨损。分析还可以计算沿给定的纵向或横向断面的由于磨损损失的材料厚度。

由于使用比机械扫描快得多的电子扫描，每次检测的时间很短，因此可以认为是在同一高度上进行的。

超声波检测是按常规进行，同时激励多个声波换能器，电子聚焦使用传统的方法实现，即对最靠近焦点的换能器的脉冲激励有一定的滞后。这种电子聚焦比自然对焦法更为完善，因为换能器是绕控制棒环形设置。一个锥形的反射镜、一个凸透镜或者一个曲线状的换能器保证纵向聚焦，也可以用电子的方法实现，即在纵向排列多个标定过的换能器环。

本发明还设计了检测控制棒的装置，这些控制棒可以放入核反应堆堆芯内，这个装置中有一个本体，上面有控制棒的滑动导向装置，可以在控制棒束的m个不同角度方位为控制棒导向(m为控制棒数n的整数约数)，测量盘上面有n/m个涡流检测头和n/m个超声波探头，检测头和探头设置在各个导向路径上，其特征为：每个超声波探头有一个环形支架，它套在控制棒上，支架上有由换能器单元组成的环，换能器与激励回路连接，激励回路使得各组换能器相继激励，构成对管子的环形扫描，在沿路径移动的管子表面实现电子聚焦。

在本发明的一个有利的实例中，换能器的设置使得发出的超声波不是沿管子的径向(而是最好平行于管子)，反射镜设置在换能器和管子之间，以便将超声波反射到管子上，并使其在管子的标称外表面上聚焦。

依次激励回路可以使超声波束要么射向检测控制棒的方向，要么射向一个反射镜，以测量超声波在隔开控制棒换能器的介质中的传播速度，这是靠测量超声波来回传播的时间来确定的。

通过对下面的非限制性实例的描述将能够更好地了解本发明的上述特征和其它特点。

有关的附图为：

-图1为主立体示意图，示出检测装置中的涡流检测线圈和超声波探头的可能分布情况；

-图2为俯视图，示出n/m＝6个涡流线圈和n/m＝6个超声波探头分布在测量架的情况，测量架上还有一个高度传感器；

-图3为超声波深头一种可能结构的纵向剖视图；

-图4为沿通过控制棒运动路径轴线的平面的剖视图，示出光学聚焦部分的细部；

-图5和图6分别示出在控制棒和镜子上的电子聚焦，用于测量超声波的速度；

-图7为可以使用的高度传感器的立体图；

-图8示出一根控制棒的双V形磨损；

-图9为对图8情况进行环形测量而得到的信号特性曲线；

-图10为本发明装置得到的纵向磨损记录；

-图11示意性地示出用于检测位于水池中的控制棒的装置结构。

检测装置的结构可以与文献FR-A-2585869中所描述的装置类似。这个装置用以检查具有二十四根吸收棒12的控制棒组(图1)，每根棒的端部是尖的，以便于插入安装导向管。这个检测装置一般装在与核反应堆外壳相邻的燃料室内。

装置的机械部分可以类似于文献FR-A-2585869中所描述的装置。它有一个保护壳体，里面有控制棒的导向管和水平托住该装置检测器的盘或测量架。这个机械部分位于水池内。

测量架可以是一个盘14(图2)，上面固定着六个涡流检测头16和六个超声波探头18。图2示出检测头和探头可能的分布情况。盘14上还有控制棒12的高度传感器20。为了使传感器和探头及检测头处于同一水平位置，传感器测量一根未被检测的控制棒的高度，这根控制棒由盘上的一个通孔22导向。

涡流检测头可以是传统结构的，它有一个通过高频电流的线圈。但是它最好具有与本专利申请同时提交的一个专利申请中所描述的结构，这个专利申请的名称为：用涡流检测管子的方法和装置。在这种情况下，在检测头内部被检测管子位置处施加使管子表面层饱和的连续磁场。

检测头的数量并不一定为六个，例如在二十四根控制棒为两组或四组对称时，也可以设置十二个检测头和十二个探头。

每个超声波探头可以具有图3所示的结构。它有一个由多个零件组装起来的外壳和一个压电换能器元件构成的环。外壳可以认为是管状体24，上面有用于循环水的孔26和用于引出向换能器供电的同轴电缆的端头28，在外壳端部有使被检查管子在换能器环中对中的导向板30。

在上导向板30中，安装着叠起来的中心刷38，每个刷有一个柔性塑料垫圈，其外周边卡在厚度更大的壳体内。

换能器环由一束换能器元件32(一般为压电元件)组成，安装在管状支座34上，每个换能器元件与一根未示出的导线连接。换能器32设置得能够沿与要检测管子的移动路径轴线36平行的方向发射超声波束。

一个环形镜子40安装在壳体24的内部，位于壳体的上部，用于将换能器发出的超声波束反射到管子12上，并将反射波反射到换能器上。

在图4所示的情况下，镜子40为凹环形，其曲面半径和方向使得换能器发射的超声波束聚焦在受检测管子沿轴向的标称外表面上。

换能器通过同轴电缆与外部电路连接，这个电路是为进行扫描和电子聚焦设置的。电子聚焦可以用激励一组(在图5的例子中为六个)换能器来实现，每个换能器的激励有确定的时间滞后，滞后时间对应于超声波由换能器到要聚焦的线42之间的传播时间(图5)。在每次检测时，这组六个换能器依次在一个区域上扫描，这个区域在图5中是直的(这里换能器是处于同一平面上)，但是在图3所示的探头情况下，它是曲线状的。滞后量的确定是要在控制棒12的标称外表面实现电子聚焦。

在图4的例子中，本体上设置了一个附加的反射面44，这个附加的反射面将一组换能器22发射过来的超声波反射回探头的换能器。在图4的例子中，这个附加反射面为垂直轴线36的平面。通过改变同一组换能器的滞后时间，可以使超声波不再经过镜面40射向被检测管子，而是如图6所示，射向附加反射面44。

在接收端，与发射时相同的滞后也作用在反射波上，以便构成唯一的反射波。

用从附加反射面反射的超声波的来回路程、以及测量的来回时间即可计算超声波在水中的速度，以便标定装置，并通过时间计算管子12外圆的直径，因此也就得到了管子的壁厚。

图4示出的光学聚焦可以用另外一种聚焦来代替，例如利用文献FR9510560中的一种结构。同样，也可以用一种轴向环形聚焦凸透镜，或者聚焦换能器。

高度传感器20可以有图7中的结构。它有一个由多个零件组装起来的机身。其中一个零件构成固定在盘上的压板46。它上面有一个孔48，控制棒从中穿过。机身上有一个H形平衡架50，它可以绕与控制棒运动轴线36垂直的轴线转动。一个弹簧(例如螺旋弹簧)52挂在平衡架50上压力轮54的轴和测量臂58的铰接杆56之间。测量轮60在测量臂上转动，弹簧52使测量轮总是靠在沿轴线36运动的控制棒上。也可以在杆56上设置一个可以自由转动的附加导向轮62。

轮60的转动、因而也就是控制棒的移动的测量装置包括一个计数齿轮64和两个相邻的检测头66，以便在每次有一个齿从它们之间通过时发出一个脉冲。一个位于机身和装有相邻检测头的零件70之间的拉簧68将零件向上拉。零件70的位置可以用一个可调挡块72确定，可调挡块可以调整测量控制棒移动的起始位置。

构成装置的各个部分可以如图11所示那样布置。装置中浸没的部分包括一个架子74，测量架是它的一部分。测量架通过电缆与水池上的控制与处理机柜相连，这些电缆中有涡流检测电缆76、超声检测电缆78和高度位置传感器电缆80。在超声检测电缆中设置有多路信号转换器82。涡流检测机柜84可以为传统类型，因为在上面提到的法国专利中，只有它可以在多个不同频率下工作。超声波检测机柜86可以完成下面将描述的一系列测量。最后，信息机柜88控制测量机柜并处理测量结果。

对控制棒的检测过程如下：

第一步，对涡流检测和超声波检测的数据采集器进行标定和参数设置。例如，声波在池水中的速度可以通过测量图6中声波来回的时间来确定。

随后，进行一系列的测量。为了简单起见，只介绍超声波检测。

同时对三或六根控制棒进行检测，检测是在每次编码脉冲控制下进行环形扫描，这个脉冲由信息机柜88根据控制棒的一定位移量发出，控制棒的位移由高度传感器测量。每个高度下的数值被记录下来。信息机柜可以给出反映控制棒不同高度下的状态曲线以及其它必要的信息。最后控制棒从机架中抽出，并转动90度，进行下一步测量。

装在信息机柜88中的软件的功能如下：

-在一根控制棒上选择一个纵向断面，

-将选择的断面与移动的理论轴线对中，

-确定表面缺陷的位置和深度，

-记录结果文件。

由超声波探头提供的初步结果为传播时间，软件将处理这些传播时间以获得控制棒的半径，软件还可以计算整个高度上材料损失率。

作为一个例子，图8以实线示出了一种称为双V形的磨损，这是由于控制棒在管状套纵向缝隙边缘上摩擦而产生的。

测量机柜可以产生一条如图9所示的曲线，示出在整个圆周上实际半径与标称半径之间的差别。

通过在相继的不同高度上的测量，可以得到沿一个给定纵向断面的磨损率曲线，如图10所示。

本发明还可以确定磨损的类型，磨损的类型可以是多种多样的。例如可以遇到如图8中用虚线所示的月牙状磨损，这是由于振动引起的与导向装置的摩擦而导致的。

本发明可以有各种变化，特别是探头的结构。尽管使用镜子是一个优点，可以减小平面尺寸，但是它不是必须的，可以用其它方法聚焦。

Claims (13)

1.控制棒的检测方法，这些控制棒可以放入核反应堆堆芯内，根据这种方法，控制棒和提供检测信号的检测装置在纵向相对移动，其特征为：(a)将有n个控制棒的控制棒束穿入检测装置，用这个装置依次用涡流法检测n/m根控制棒，这里m为n的整数约数，在用电子扫描的方法对n/m根控制棒沿轴向依次地检测外圆周的同时记录超声波的反射波，(b)重复m次该操作，每次完成一个检测过程，控制棒束转动360/m度，(c)分析超声波反射波的记录，至少要分析经过涡流检测、显示可能有问题的一段长度上的记录。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征为：在分析的同时画出控制棒的周向特性曲线。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征为：所述的分析包括计算和显示或者记录控制棒全部或部分长度上的磨损情况，可以仅沿一根控制棒的一个纵向断面进行，或者沿给定高度上的连续横向截面进行。

4.根据权利要求1、2或3所述的方法，其特征为：所述的分析包括计算在控制棒的确定纵向断面的确定长度上的材料的缺少。

5.根据权利要求1、2或3所述的方法，其特征为：在控制棒束移动时，一直记录控制棒的高度，使超声波在每一个高度上进行电子扫描，每次扫描的持续时间至少比区分不同高度的两次测量所设置的时间间隔小一个数量级。

6.根据权利要求1、2或3所述的方法，其特征为：用相继激励各组换能器的方法实现超声波测量，同一组中的换能器的激励是相互有滞后的，以便用电子的方法使超声波在围绕控制棒运动轴线的圆周上聚焦。

7.根据权利要求1、2或3所述的方法，其特征为：做涡流检测时，使管子受到通有高频电流的线圈作用的同时，还在管子上作用连续的强磁场，使其表面的薄层上产生磁饱和。

8.控制棒的检测装置，这些控制棒可以放入核反应堆堆芯内，所述装置包括一个本体，上面有可在控制棒上滑动的导向装置，可以在控制棒束的m个不同角度方位为控制棒导向，m为控制棒数n的整数约数，其特征为：本体上有一个测量盘，上面有n/m个涡流检测头(16)和n/m个超声波探头(18)，检测头和探头位于各个导向路径上，每个超声波探头有一个环形支架，它套在控制棒上，支架上有由换能器单元(32)组成的环，换能器与激励回路连接，激励回路使得各组换能器相继激励，构成对管子的环形扫描，在沿路径移动的管子的表面实现电子聚焦。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征为：所述回路用于记录由换能器接收的反射波，在接收端的聚焦是借助所产生的滞后等于发射时的滞后来实现的。

10.根据权利要求8或9所述的装置，其特征为：一个环形超声波反射镜(40)设置在换能器环(32)和管子路径之间并与路径同轴。

11.根据权利要求8或9所述的装置，其特征为：环形镜子(40)的截面是直的，它将换能器(32)发射的超声波聚焦在具有标称直径的管子(12)外表面上。

12.根据权利要求8或9所述的装置，其特征为：装置中还有一个反射器(44)，将超声波反射到换能器上，激励及聚焦回路用于将换能器发射的超声波束引向反射器。

13.根据权利要求8或9所述的装置，其特征为：所述回路属于测量机柜和信息机柜，信息机柜中的软件通过编码脉冲能够进行一系列的数据采集，同时接收n/m根控制棒的测量信息，编码脉冲根据控制棒束的铅直移动发出，软件还可以记录测量的数据，画出表示控制棒状态的曲线，以及在控制棒束抽出和转动之后重新移动的过程中，开始新一轮的检测。

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