CN120205536A 核电站控制棒螺杆超低频震荡退磁自洁装置

(19)国家知识产权局(10)申请公布号CN120205536A(71)申请人江苏赛福探伤设备制造有限公司地址224300江苏省盐城市射阳县合德镇高新科技创业园北三环西路5号(72)发明人杨建杨标张雷杨家磊(74)专利代理机构苏州汇德卓越专利代理事务所(普通合伙)32496专利代理师许京波(54)发明名称核电站控制棒螺杆超低频震荡退磁自洁装置本申请涉及核电站维护设备技术领域，具体公开了一种核电站控制棒螺杆超低频震荡退磁自洁装置。针对现有技术中螺杆表面剩磁导致污物复吸率高、清洗效率低及停机时间长的问题，本装置通过协同退磁与清洁机制实现高效维护。退磁装置采用交变梯度磁场与机械震荡协同作用，磁场衰减系数与震荡振幅动态匹配，削弱污物磁吸附；超声波清洗装置与机械震荡保持±效率。自适应控制模块基于实时剩磁数据调节频21.核电站控制棒螺杆超低频震荡退磁自洁装置，其特征在于，包括：腔体(10),所述腔体(10)内同轴装夹控制棒螺杆(20);超低频震荡退磁装置(30),可升降的设置于腔体(10)内，包括轴向震荡模块和梯度退磁线圈(31),所述轴向震荡模块产生0.1-1Hz、5-50μm的轴向机械震荡，所述梯度退磁线圈(31)同轴嵌套于螺杆(20)外侧，通入0.05-0.5Hz交变电流，生成轴向衰减的交变磁场，衰减超声波清洗装置(50),与超低频震荡退磁装置(30)联动升降设置，所述超声波清洗装置(50)包括沿螺杆(20)轴向分布的多个压电换能器，工作频率为20-40kHz,且与轴向机械震荡模块保持固定相位差±90°,通过剪切力协同剥离污物；磁力检测装置(60),包括环形霍尔传感器阵列，用于实时检测螺杆表面剩磁强度。2.根据权利要求1所述的核电站控制棒螺杆超低频震荡退磁自洁装置，其特征在于，所述相位差±90°的协同作用使得超声波清洗的剪切力峰值与机械震荡的位移峰值交替作3.根据权利要求1所述的核电站控制棒螺杆超低频震荡退磁自洁装置，其特征在于，所述交变磁场衰减系数与机械震荡振幅满足以下关系式：A=k·ea²;4.根据权利要求1-3任一项所述的核电站控制棒螺杆超低频震荡退磁自洁装置，其特征在于，还包括驱动机构(40),所述驱动机构(40)内置自适应控制模块，用于：a.根据螺杆长度调节超低频震荡退磁装置(30)和超声波清洗装置(50)的升降行程；b.基于磁力检测装置(60)的实时数据，动态匹配交变电流频率与机械震荡频率，使二者比值恒定为1:1~1:5。5.根据权利要求4所述的核电站控制棒螺杆超低频震荡退磁自洁装置，其特征在于，所述自适应控制模块，基于霍尔传感器的检测数据动态调节参数：当剩磁强度>10高斯时，提升交变电流频率并增加震荡振幅；当剩磁强度≤10高斯时，启动超声波清洗装置(50)作业。6.根据权利要求1所述的核电站控制棒螺杆超低频震荡退磁自洁装置，其特征在于，所述梯度退磁线圈(31)外层包覆μ-metal高磁导率屏蔽层，磁场泄漏强度<1高斯。7.根据权利要求1或6所述的核电站控制棒螺杆超低频震荡退磁自洁装置，其特征在于，所述轴向震荡模块和梯度退磁线圈(31)采用压电陶瓷叠堆驱动器驱动，所述压电陶瓷叠堆驱动器封装于氮化硅陶瓷外壳内，耐受温度>300℃、辐射剂量>10^6Gy。8.根据权利要求5所述的核电站控制棒螺杆超低频震荡退磁自洁装置，其特征在于，还包括高压冲洗装置(70),所述高压冲洗装置(70)与超声波清洗装置(50)联动升降设置，用于冲洗螺杆表面的附着污物。9.根据权利要求8所述的核电站控制棒螺杆超低频震荡退磁自洁装置，其特征在于，还包括污物回收系统(80),所述污物回收系统(80)包括：设置于腔体(10)底部的锥形收集仓(81),用于收集污物，底部连接深水泵(82);设置于腔体内壁的滤网，用于防止污物从腔体外溢到外部水体。10.根据权利要求1所述的核电站控制棒螺杆超低频震荡退磁自洁装置，其特征在于，所述腔体(10)的内壁还设有电磁屏蔽层。3核电站控制棒螺杆超低频震荡退磁自洁装置技术领域[0001]本申请属于核电站维护设备技术领域，尤其是涉及核电站控制棒螺杆超低频震荡退磁自洁装置。背景技术[0002]核电站控制棒螺杆长期处于水下运行环境，其表面易吸附氧化铁颗粒、硼酸结晶及放射性尘埃。这些污物的堆积会导致螺杆摩擦系数增加30%-50%,引发控制棒卡滞事故。[0003]现有技术中，中国专利CN115213160A公开了一种核反应堆控制棒驱动机构清洗装置，采用单一超声波清洗的技术方案，无法消除螺杆表面因长期磁化产生的剩磁。实验表明，剩磁会使污物吸附力提升2-3倍，导致清洗后污物复吸率提高，导致螺杆需要频繁清洁维护。此外，高频震荡退磁容易损伤螺杆，传统人工清洗需停风险。发明内容[0004]本发明要解决的技术问题是：为解决现有技术中的不足，从而提供核电站控制棒螺杆超低频震荡退磁自洁装置，旨在至少解决上述技术问题之一。[0005]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：核电站控制棒螺杆超低频震荡退磁自洁装置，包括：腔体，所述腔体内同轴装夹控制棒螺杆；超低频震荡退磁装置，可升降的设置于腔体内，包括轴向震荡模块和梯度退磁线圈，所述轴向震荡模块产生0.1-1Hz、5-50μm的轴向机械震荡，所述梯度退磁线圈同轴嵌套于螺杆外侧，通入0.05-0.5Hz交变电流，生成轴向衰减的交变磁场，衰减系数为0.1-0.5/超声波清洗装置，与超低频震荡退磁装置联动升降设置，所述超声波清洗装置包括沿螺杆轴向分布的多个压电换能器，工作频率为20-40kHz,且与轴向机械震荡模块保持固定相位差±90°,通过剪切力协同剥离污物；磁力检测装置，包括环形霍尔传感器阵列，用于实时检测螺杆表面剩磁强度。[0006]优选地，本发明的核电站控制棒螺杆超低频震荡退磁自洁装置，所述相位差±90°的协同作用使得超声波清洗的剪切力峰值与机械震荡的位移峰值交替作用，用于提升污物剥离效率。[0007]优选地，本发明的核电站控制棒螺杆超低频震荡退磁自洁装置，所述交变磁场衰减系数与机械震荡振幅满足以下关系式：A=k·e²;[0008]优选地，本发明的核电站控制棒螺杆超低频震荡退磁自洁装置，还包括驱动机构，所述驱动机构内置自适应控制模块，用于：a.根据螺杆长度调节超低频震荡退磁装置和超声波清洗装置的升降行程；4b.基于磁力检测装置的实时数据，动态匹配交变电流频率与机械震荡频率，使二者比值恒定为1:1~1:5。[0009]优选地，本发明的核电站控制棒螺杆超低频震荡退磁自洁装置，所述自适应控制模块，基于霍尔传感器的检测数据动态调节参数：当剩磁强度>10高斯时，提升交变电流频率并增加震荡振幅；当剩磁强度≤10高斯时，启动超声波清洗装置作业。[0010]优选地，本发明的核电站控制棒螺杆超低频震荡退磁自洁装置，所述梯度退磁线圈外层包覆μ-metal高磁导率屏蔽层，磁场泄漏强度<1高斯。[0011]优选地，本发明的核电站控制棒螺杆超低频震荡退磁自洁装置，所述轴向震荡模块和梯度退磁线圈采用压电陶瓷叠堆驱动器驱动，所述压电陶瓷叠堆驱动器封装于氮化硅陶瓷外壳内，耐受温度>300℃、辐射剂量>10^6Gy。[0012]优选地，本发明的核电站控制棒螺杆超低频震荡退磁自洁装置，还包括高压冲洗装置，所述高压冲洗装置与超声波清洗装置联动升降设置，用于冲洗螺杆表面的附着污物。[0013]优选地，本发明的核电站控制棒螺杆超低频震荡退磁自洁装置，还包括污物回收设置于腔体底部的锥形收集仓，用于收集污物，底部连接深水泵；设置于腔体内壁的滤网，用于防止污物从腔体外溢到外部水体。[0014]优选地，本发明的核电站控制棒螺杆超低频震荡退磁自洁装置，所述腔体的内壁还设有电磁屏蔽层。[0015]本发明的有益效果是：(1)退磁与高效清洁协同：通过超低频震荡与梯度退磁线圈的协同作用，并通过超声波清洗与机械震荡的相位差设计(±90°),使剪切力峰值与位移峰值交替作用，大幅提升(2)自适应节能模式：动态频率匹配技术(R=1:1~1:5)使能耗降低30%-50%,同时避(4)环境友好设计：污物回收系统(深水泵+过滤网)防止污染物外溢，符合安全标附图说明[0016]下面结合附图和实施例对本申请的技术方案进一步说明。[0017]图1是本申请实施例1-3的装置整体结构示意图；图2是本申请实施例1-3的装置整体结构剖面示意图；图3是本申请实施例1-3的腔体内升降机构的结构示意图；图4是本申请实施例1-3的驱动机构结构示意图；图5是本申请实施例1和2的动态频率匹配控制流程图；图6是本申请实施例1和2在不同R值下的退磁速率与能耗曲线结构示意图；图7是本申请实施例1和2的基于简化的PID模型生成响应曲线示意图；图8是本申请实施例1和2的操作过程控制逻辑流程示意图；5图中的附图标记为：腔体10,控制棒螺杆20,超低频震荡退磁装置30,驱动机构40,超声波清洗装置50,磁力检测装置60,高压冲洗装置70,污物回收系统80;导向轨11,升降架12,梯度退磁线圈31,传动轴41,主动齿轮组42,从动齿轮组43,锥形收集仓81,深水泵82。具体实施方式[0018]需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。[0021]下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请的技术方案。[0022]本实施例提供一种核电站控制棒螺杆超低频震荡退磁自洁装置，参照图1-3,其结构包括腔体10,由多节八角管材连接而成，设置有全通侧门方便组装和检修腔体内部设备，侧门与腔体外壁之间铰接设置有气缸来驱动侧门的开关，腔体10的内壁设有耐高温电磁屏蔽层和沿长度方向设置的导向轨11,导向轨11上滑动安装有升降架12,升降架12由驱动机构40驱动升降动作，升降架12上从上到下依次安装有中空结构的超低频震荡退磁装置30、超声波清洗装置50和高压冲洗装置70,其中，磁力检测装置60包括环形霍尔传感器阵列，用于实时检测螺杆表面剩磁强度，磁力检测装置60安装于超低频震荡退磁装置30的轴孔内壁；高压冲洗装置70设置四个环绕螺杆20外表面的高压喷嘴，经高压泵供水来冲洗螺杆表面的附着污物，污物回收系统80包括设置于腔体10底部的锥形收集仓81,倾斜角≥45°,底部连接深水泵82用于吸附被剥离的污物；腔体内壁的设置有滤网(图中未画出标号),网孔直径0.5-1mm,用于防止污物从腔体外溢到外部水体。[0023]工作时，螺杆20从腔体顶部吊装进入，依次穿过上述装置的中心孔，并通过腔体内上下两个中心限位套同轴装夹在腔体轴心处。[0024]优选地，本实施例的核电站控制棒螺杆超低频震荡退磁自洁装置，参照图4,驱动机构40包括分别设置于腔体10顶部两侧且传动系数一样的主动齿轮组42和从动齿轮组43,主动齿轮组42和从动齿轮组43之间设置有传动轴41,用于两组链轮传动机构同步动作，主6退磁线圈31通入0.05-0.5Hz超低频交变电流以生成沿螺杆轴向按指数规律衰减的交变磁场，衰减系数为0.1-0.5/mm;轴向震荡模块和梯度退磁线圈31[0029]b.基于磁力检测装置60的霍尔传感器检测的实时数据，动态调整交变电流频率7若Rcurrent<Rtarget→提高fm或降低fv。[0034]参数调整规则：比例项P:根据差值△R=Rtarget-Rcurrent线性调整频率；积分项I:累计历史差值，消除稳态误差；微分项D:预测变化趋势，防止超调。[0035]该设计基于以下原理，磁场与机械能的协同效应，交变磁场负责消除剩磁，机械震荡破坏污物附着，二者频率的合理匹配可避免能量冲突，提升退磁效率。[0036]优选地，本实施例的核电站控制棒螺杆超低频震荡退磁自洁装置，超声波清洗装置50包括沿螺杆轴向分布的多个压电换能器，工作频率为20-40kHz,且与轴向机械震荡模块保持固定相位差±90°,通过剪切力协同剥离污物。[0037]具体地，当相位差+90°时：超声波剪切力峰值超前机械位移峰值1/4周期；当相位差-90°时：超声波剪切力峰值滞后机械位移峰值1/4周期。[0038]本装置采用±90°相位差，使两种力的作用时间错开，避免能量相互抵消，同时形成交替冲击。[0039]以机械震荡频率0.5Hz、周期T=2s和超声波频率30kHz为例：机械位移峰值阶段(t=0.5s):螺杆位移达到+50μm,此时超声波信号处于波谷(剪切力最小);机械震荡的惯性力将污物“推离”基体表面，但未完全剥离。[0040]机械位移归零阶段(t=1.0s):超声波剪切力达到峰值(约500N/cm²),空化气泡在污物与基体间隙内坍缩，产生局部高压冲击；此时污物已因机械震荡处于松动状态，超声波冲击力直接作用于污物底部，完成剥离。[0041]实验表明，相位差协同作用可使单位时间内作用在污物上的有效能量提升40%以上。例如：无相位差时：超声波与机械震荡同时达到峰值，部分能量相互抵消，污物剥离效率仅为65%;相位差±90°时：能量利用率最大化，污物剥离效率提升至95%。[0042]相位差协同作用的具体实施方式1.相位差的实现与控制配置硬件：信号发生器：采用高精度数字信号发生器，输出两路同步信号：路1:0.1-1Hz正弦波，驱动机械震荡模块；路2:20-40kHz方波(经滤波后转为正弦波),驱动超声波换能器。[0043]相位锁定电路：通过锁相环(PLL)技术，确保两路信号的相位差稳定在±90°,误差[0044]自适应控制模块动态调整相位差方向，使得不同类型的污物都被能有效剥离。[0045]当采用-90°相位差，优先利用机械震荡破坏界面结合，硬质污物(如氧化铁颗粒)的剥离效果好；当采用+90°相位差，优先发挥超声波空化效应，软质污物(如硼酸结晶)的剥离效果好。[0046]2.剪切力与位移的量化分析(1)剪切力计算模型超声波产生的剪切力(Fs)可近似表示为：Fs=p·C·U·A;其中：8p:液体密度(水为1000kg/m³);c:声速(水为1500m/s);D:声质点振动速度(v=2πf·d,d为振幅);A:作用面积。u=2π×30000×5×10-⁶=0.9Fs=1000×1500×0.94×10-⁶(注：F的实际值因空化效应放大可达500N/cm²以上)(2)机械震荡的应力贡献机械震荡产生的惯性力(Fm)为：Fm=m·a=m·(2πf)²·A[0048]其中：m:污物质量(假设为1g);f:震荡频率0.5Hz;[0050]尽管Fm较小，但其周期性作用可显著降低污物附着力。[0051]3.协同作用的实验验证(1)对比实验设计对照组：仅使用超声波清洗(30kHz),无机械震荡；实验组：超声波清洗(30kHz)与机械震荡(0.5Hz,50μm)协同，相位差±90°。[0052](2)实验结果参照表1污物类型实验组去除率效率提升氧化铁颗粒(100μm)硼酸结晶(层状)放射性尘埃(粘性)表1:不同污物的去除率效果对比(3)作用机制分析氧化铁颗粒：机械震荡优先破坏颗粒与基体的机械嵌合，超声波剪切力清除残余碎片；硼酸结晶：超声波空化效应渗透至结晶层间，机械震荡加速层间剥离；放射性尘埃：相位差协同作用克服范德华力，防止尘埃复吸。[0053]需要注意的是，参照图7,本装置还包括地面接收控制单元和无线传输单元，无线传输单元将水下装置的数据实时传输至地面，支持人工远程调整参数(如强制切换退磁/清洗模式),基于磁力检测装置60的反馈数据，形成“检测-决策-执行-再检测”闭环。[0054]下面将结合具体数据对本装置的工作原理和操作流程作进一步地叙述。[0055]实施例1:本装置的结构及基础操作流程。[0056]步骤1:装置组装与螺杆装夹9[0057]控制棒螺杆20(以长度L=6m,直径φ=80mm为例)通过吊装装置从顶部吊装进入腔环形退磁线圈31通入0.1Hz交变电流，生成初始磁场强度为200高斯的交变磁场，[0059]轴向震荡模块以0.5Hz频率驱动螺杆轴向位移(振幅A=30μm),机械震荡与磁场衰[0066]清洁效率：污物去除率≥95%,复吸率<5%(传统技术复吸率>30%)。节能效果：能耗较R=1:1模式降低40%,退磁速率保持1高斯/分钟；稳定性验证：连续运行2小时，频率波动<±0.01Hz。工作模式退磁速率(高斯/分钟)污物剥离效率固定R=1:1固定R=1:5动态匹配(1:1~1:5)表2:动态频率匹配模式与固定频率模式效果验证参照图5,动态频率匹配模式在保证退磁效率的同时，能耗降低30%~50%,且通过自适应调节避免机械过载，延长设备寿命。[0072]实施例3:与实施例1和2不同的是，在本实施例中，退磁阶段，由驱动机构带动超低频震荡退磁装置以R=1:1模式(或其它模式，根据螺杆维保周期和运行环境人工设定)对螺杆全长进行退磁(线圈从下面往上每分钟6米-12米移动，边移动边退磁),