回路監(jiān)測(cè)系統(tǒng)AC4通道頻繁報(bào)警分析及維修

陳 勇 孫仁貴 萬平生

（大亞灣核電運(yùn)營管理有限責(zé)任公司 廣東惠州）

一、引言

核反應(yīng)堆壓力容器內(nèi)部包括堆內(nèi)構(gòu)件和燃料組件，堆內(nèi)構(gòu)件主要由壓緊組件、吊籃組件、堆芯下支承組件等組成，各組件中的部件和零件大部分通過螺釘、銷釘連接。盡管這些連接件在設(shè)計(jì)中采取了防松、防脫措施，但在堆長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行條件下，因水流沖擊和流致振動(dòng)的影響，可能會(huì)使某些零件產(chǎn)生松動(dòng)甚至脫落，從而在一回路中形成松脫部件。另外，在施工、換料或維修時(shí)，也有在一回路系統(tǒng)內(nèi)遺留金屬件的可能性。

大型商用壓水堆核電廠，自調(diào)試商運(yùn)以來出現(xiàn)諸多問題。功率運(yùn)行期間系統(tǒng)發(fā)生頻繁報(bào)警和通道故障現(xiàn)象，結(jié)合該系統(tǒng)檢修期間的工作及存在問題進(jìn)行分析，提出解決方案。

二、LPMS系統(tǒng)作用及原理

監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)件中的松動(dòng)部件；監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)件中落下的脫落部件；監(jiān)測(cè)安裝中遺留的外來部件。當(dāng)一個(gè)外來物件或者系統(tǒng)松脫部件在流體沖刷下，對(duì)壓力容器底部產(chǎn)生撞擊，通過安裝在壓力容器底部的加速度傳感器進(jìn)行信號(hào)拾取，電荷信號(hào)經(jīng)過電荷轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)，得到加速度計(jì)算公式（圖1）。系統(tǒng)松動(dòng)部件探測(cè)范圍 100 g～15 kg；加速度～100 g；能量 0.7 J；濾波 1 kHz～10 kHz。

圖1 松動(dòng)部件探測(cè)

式中a——加速度，g

V——電壓，V

S——加速度計(jì)靈敏度，pC/g

C——電荷轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換系數(shù)，mV/pC

A——調(diào)理放大倍數(shù)

三、VMS系統(tǒng)作用及原理

監(jiān)測(cè)核電廠一回路冷卻劑的流動(dòng)和主泵的運(yùn)轉(zhuǎn)，會(huì)激勵(lì)核反應(yīng)堆內(nèi)構(gòu)件發(fā)生復(fù)雜振動(dòng)。如吊籃、燃料組件、控制棒、熱屏蔽及連接件振動(dòng)。堆內(nèi)構(gòu)件的振動(dòng)在一定程度內(nèi)是允許的，但異常振動(dòng)則可能導(dǎo)致故障甚至事故的發(fā)生。美國Palisades核電廠就曾出現(xiàn)過壓緊彈簧功能失效問題。

堆內(nèi)構(gòu)件振動(dòng)的監(jiān)測(cè)方法通常有2種，一是通過KIR系統(tǒng)安裝在壓力容器頂蓋和下封頭儀表穿透管上的4個(gè)加速度傳感器，監(jiān)測(cè)壓力殼的振動(dòng)；二是從核儀表系統(tǒng)（RPN）的堆外中子探測(cè)器取得信號(hào)，用中子噪聲分析方法，監(jiān)測(cè)堆內(nèi)構(gòu)件的振動(dòng)行為。根據(jù)中子探測(cè)器產(chǎn)生的電流信號(hào)與中子通量成正比，可有式（2）。通過電流信號(hào)的變化，可得到吊籃與壓力殼之間的距離變化。

式中i——中子探測(cè)器產(chǎn)生的電流信號(hào)

Φ——堆外中子探測(cè)器探測(cè)到的中子通量

h——水的阻尼系數(shù)

dx——為堆芯吊籃和壓力容器間的水隙厚度變化量

1998年，國內(nèi)某核電站曾發(fā)生吊籃下部防斷支承組件螺栓松脫，壓力容器底部和下部組件嚴(yán)重受損。2007年，國內(nèi)某核電機(jī)組曾發(fā)生主泵葉輪片松脫和導(dǎo)流罩螺栓脫落。法國某核電廠曾發(fā)生吊籃環(huán)與連接螺釘疲勞斷裂，使吊籃的完整性受到破壞；美國Rock-Point和Yankee-I壓水堆，在20世紀(jì)70年代初，吊籃熱屏蔽由于螺栓連接損壞，造成熱屏蔽脫落?，F(xiàn)如今松動(dòng)部件監(jiān)測(cè)，已成為核電廠運(yùn)行取照的必備系統(tǒng)。

四、AC4通道頻繁報(bào)警分析

核電廠一回路松動(dòng)部件與振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要利用現(xiàn)場(chǎng)的13個(gè)加速度傳感器，將傳感器產(chǎn)生的電荷信號(hào)經(jīng)過電荷轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，再通過信號(hào)分析與調(diào)理模塊，進(jìn)行處理與甄別報(bào)警信息，產(chǎn)生相應(yīng)的事件報(bào)警或者故障報(bào)警。其中 SG1、SG2、SG3、RPV 區(qū)域的安裝示意如圖2所示，AC4位于反應(yīng)堆壓力容器頂蓋上。

國內(nèi)某核電機(jī)組KIR系統(tǒng)在日常運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)AC4通道頻繁產(chǎn)生報(bào)警，AC4通道位于壓力容器頂蓋上，主要用于監(jiān)測(cè)堆芯上部構(gòu)件的振動(dòng)情況，對(duì)控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作、通風(fēng)罩工作狀況等比較敏感。根據(jù)該系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)控制棒動(dòng)作時(shí)，KIR系統(tǒng)的AC4通道容易受到干擾產(chǎn)生報(bào)警，通道信號(hào)也會(huì)有所變化。該機(jī)組KIR系統(tǒng)日常期間頻繁報(bào)警，系統(tǒng)記錄大量聲音文件數(shù)據(jù)。為了避免頻繁報(bào)警的產(chǎn)生，首先想到的是通過人為調(diào)整RPV區(qū)域通道背景噪聲水平，自然也就提高了該RPV區(qū)域系統(tǒng)報(bào)警觸發(fā)閾值。該辦法是否科學(xué)合理呢？假想如果壓力容器底部有小質(zhì)量的松動(dòng)部件，加速度信號(hào)水平較低，系統(tǒng)RPV區(qū)域探頭能否產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)？

1.信號(hào)分析對(duì)比

調(diào)查KIR系統(tǒng)噪聲趨勢(shì)曲線，分析發(fā)現(xiàn)該核電機(jī)組自商運(yùn)以來，AC4通道信號(hào)明顯偏大，約0.3 V，而其他各通道則均在0.1 V以下。對(duì)比同類型其他機(jī)組，發(fā)現(xiàn)正常情況下所有通道均在0.05 V以下，沒有出現(xiàn)AC4通道偏大的情況，各通道噪聲信號(hào)趨勢(shì)圖如圖3、圖4。

圖2 KIR系統(tǒng)傳感器安裝示意

圖3 機(jī)組通道噪聲趨勢(shì)分析

為調(diào)查該核電機(jī)組KIR系統(tǒng)AC4通道異常的原因，采用模擬現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)測(cè)量的方法，在KIR系統(tǒng)終端機(jī)柜的信號(hào)端子牌處取信號(hào)進(jìn)行通道振動(dòng)測(cè)量，如圖5所示。從傳感器信號(hào)端子排引信號(hào)，測(cè)量時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)傳感器和電荷轉(zhuǎn)換器的系數(shù)，算出實(shí)際的輸出電壓與振動(dòng)幅值之比。B&K8324-S-0型號(hào)傳感器的靈敏度為10 pC/g，B&K2647B型號(hào)的電荷轉(zhuǎn)換器靈敏度為10 mV/pC，故得實(shí)際靈敏度（輸出電壓與振動(dòng)幅值之比）為100 mV/g。

2.信號(hào)頻譜分析

采用美國羅克韋爾公司生產(chǎn)的Enpac 2500數(shù)據(jù)采集器對(duì)該機(jī)組KIR系統(tǒng)的通道信號(hào)進(jìn)行采集分析，通過快速傅里葉變換，分析得到AC4通道信號(hào)頻譜主要集中在50 Hz和5000 Hz處。分析認(rèn)為50 Hz的產(chǎn)生，主要是因?yàn)樾盘?hào)干擾，以及濾波器設(shè)置對(duì)該頻率的干擾未完全濾除所致。而5000 Hz則具有明顯的碰磨特征，頻率高且存在25 Hz邊帶。

圖4 其他同類型機(jī)組系統(tǒng)通道噪聲趨勢(shì)分析

圖5 傳感器信號(hào)端子

通過對(duì)比，分析該機(jī)組KIR系統(tǒng)的AC4通道異常，主要因在50 Hz與5000 Hz處振動(dòng)信號(hào)較大所致：AC4通道的50 Hz幅值為 21 g，而 AC1～AC3通道的 50 Hz幅值僅為 4 g；AC4通道的5000 Hz幅值為8 g左右，而AC1～AC3通道的5000 Hz幅值為4 g左右。進(jìn)一步將該機(jī)組AC4通道與其他同類型機(jī)組通道對(duì)比，明確5000 Hz信號(hào)幅值8 g基本屬于現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)振動(dòng)反應(yīng)，而50 Hz處的21 g振動(dòng)則屬于異常電源頻率干擾。

核電機(jī)組的KIR系統(tǒng)AC4通道50 Hz處的信號(hào)干擾過大，一方面與AC4通道的信號(hào)屏蔽不良有關(guān)，另一方面，也與系統(tǒng)的濾波設(shè)置有關(guān)。KIR系統(tǒng)的信號(hào)調(diào)理的參數(shù)為帶通濾波1 kHz～10 kHz，低通濾波 1～100 Hz，即并未對(duì) 50 Hz的信號(hào)干擾進(jìn)行濾波，這是導(dǎo)致50 Hz信號(hào)電源頻率干擾過大的重要原因，該機(jī)組KIR系統(tǒng)AC4通道信號(hào)頻譜結(jié)構(gòu)如圖6、圖7所示。

圖6 機(jī)組KIR系統(tǒng)AC4通道頻譜

核電機(jī)組KIR系統(tǒng)AC4通道信號(hào)偏大，導(dǎo)致該通道的松動(dòng)部件監(jiān)測(cè)數(shù)值偏大。當(dāng)AC4的噪聲水平為3 g，峰值因子為8時(shí)，計(jì)算得到只有振動(dòng)值＞24 g的事件才會(huì)被記錄。如果振動(dòng)加速度值＜24 g，系統(tǒng)將無法自動(dòng)產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。

3.建立模型論證

按照松動(dòng)部件監(jiān)測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)，該通道的信號(hào)干擾已導(dǎo)致KIR系統(tǒng)不滿足對(duì)LPMS監(jiān)測(cè)的相關(guān)要求。GB/T 11807-2008《探查松脫零件的聲學(xué)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的特性、設(shè)計(jì)和運(yùn)行程序》對(duì)LPMS的要求是：能夠監(jiān)測(cè)松動(dòng)部件以0.7 J的動(dòng)能撞擊反應(yīng)堆冷卻劑壓力邊界內(nèi)表面，撞擊點(diǎn)離開傳感器的距離＜1 m，探測(cè)的質(zhì)量范圍約為0.1～15 kg。根據(jù)該要求，對(duì)松動(dòng)部件碰撞引發(fā)的加速度值進(jìn)行估算。計(jì)算過程中按照?qǐng)D8模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。

圖7 機(jī)組KIR系統(tǒng)AC1/AC2/AC3通道典型頻譜

圖8 Hoppmann碰撞模型圖

計(jì)算取最小碰撞質(zhì)量0.1 kg，計(jì)算一回路中的流體流速為13.6 m/s，忽略松動(dòng)部件自身的重力產(chǎn)生的碰撞速度，僅按該流速作為松動(dòng)部件隨流體運(yùn)動(dòng)的速度。取奧氏體不銹鋼在350℃的楊氏模量B約為1.1×1011N/m2，陣發(fā)波在壓力容器表面的傳播速度Cb為0.59×104 m/s。由赫茲碰撞理論，陣發(fā)波的加速度幅值a與鋼板碰撞處形變剪切力F之間的關(guān)系，見式（3）。

從而得a=FCb2/（8jB）

式中a(ω）——陣發(fā)波的加速度幅值

D（ω）——陣法波位移幅值

F——碰撞處形變剪切力

J——修正系數(shù)，一般＜1

k——波數(shù)，k=ω/Cb

Cb——陣發(fā)波在壓力容器表面的傳播速度

剪切力F與碰撞物之間的關(guān)系，見式（4）。

計(jì)算得F=2.95 mV。式中th——碰撞時(shí)間，與頻率f之間的關(guān)系為f=0.8/th。代入數(shù)值進(jìn)行計(jì)算，估算出質(zhì)量為0.1 kg的小球產(chǎn)生的加速度幅值約為7 g。

因此，AC4通道的信號(hào)干擾導(dǎo)致無法對(duì)RPV范圍的松動(dòng)部件進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)。對(duì)于其他通道，計(jì)算得監(jiān)測(cè)最小振動(dòng)為4 g，可以進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)。該通道信號(hào)干擾問題也向廠家進(jìn)行了反饋，經(jīng)過對(duì)該通道進(jìn)行屏蔽檢查，分析50 Hz主要由于軟電纜接頭制作時(shí)存在松動(dòng)或者屏蔽不良所導(dǎo)致，通過對(duì)電纜接頭重新修復(fù)，減小電源頻率干擾，從而保證系統(tǒng)對(duì)一回來松動(dòng)部件的有效監(jiān)測(cè)。

五、常見檢修故障及系統(tǒng)維修策略

核電機(jī)組的KIR系統(tǒng)從硬件到軟件均與法國EDF直接供貨的KIR系統(tǒng)存在差異。硬件上包括傳感器選型結(jié)構(gòu)以及其安裝方式，硬電纜材質(zhì)及電纜接頭形式，硬電纜與軟電纜的接頭形式，以及通道電荷轉(zhuǎn)換器的選型及結(jié)構(gòu)，如圖9所示。終端軟件上面也是完全不同的，由于差異的存在，使得每次換料大修系統(tǒng)檢修方式也不完全相同。

圖9 加速度傳感器連接圖

1.傳感器通道故障

L303大修后系統(tǒng)重新啟動(dòng)階段，發(fā)現(xiàn)AC2及AG12通道信號(hào)異常，異?，F(xiàn)象主要表現(xiàn)為軟件界面顯示燈“failure”顯示紫色。

L402大修后循環(huán)中期，AG31通道出現(xiàn)了斷路（軟件界面顯示）；L403大修前一個(gè)月出現(xiàn)AG32通道故障，顯示“sensor”過載。具體故障模式顯示如圖10。

經(jīng)過分析并咨詢廠家人員，檢修界面出現(xiàn)響應(yīng)的故障模式，是一種系統(tǒng)自發(fā)的檢查方式，表示電荷轉(zhuǎn)換器（圖11）及其后端出現(xiàn)了故障。經(jīng)檢查系統(tǒng)機(jī)柜處并無異常，懷疑電荷轉(zhuǎn)換器或者軟電纜存在故障，更換新的電荷轉(zhuǎn)換器后，發(fā)現(xiàn)通道信號(hào)恢復(fù)正常，檢修界面故障模式消除。

2.系統(tǒng)維修優(yōu)化策略

圖10 系統(tǒng)檢修界面顯示的故障模式

圖11 電荷轉(zhuǎn)換器

核電機(jī)組的KIR系統(tǒng)與傳統(tǒng)存在一定的差異性，傳感器與硬電纜的連接接頭里面有陶瓷絕緣，如果安裝方式不當(dāng)很容易導(dǎo)致陶瓷接頭損壞。由于位置所限，每次拆除和回裝硬電纜時(shí)人員無法直接觸及到傳感器，工作人員主要依靠經(jīng)驗(yàn)和手感來操作，每次大修拆裝人員不一樣，致使該系統(tǒng)傳感器與硬電纜頻繁損壞。一旦損壞，就必須得重新更換新的傳感器和硬電纜，更換起來也比較麻煩，且AG13/23/33位置環(huán)境劑量通常較高，工作人員存在比較大的外照射風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)過前幾輪大修的經(jīng)驗(yàn)積累，技術(shù)人員反復(fù)與服務(wù)部門溝通，最終形成了一套完整的檢修方案，減少不必要的反復(fù)拆卸，可避免人為的誤損。減少了不必要的外照射風(fēng)險(xiǎn)，系統(tǒng)穩(wěn)定性提高，大大降低系統(tǒng)故障維修率。

六、結(jié)論及建議

核電機(jī)組KIR系統(tǒng)AC4通道信號(hào)干擾問題，經(jīng)過反復(fù)的分析驗(yàn)證，通過對(duì)連接軟電纜的接頭進(jìn)行了重點(diǎn)修復(fù)，通道信號(hào)干擾基本消除，頻繁報(bào)警問題解決。

圖12 維修流程優(yōu)化策略

大修中電荷轉(zhuǎn)換器故障頻繁發(fā)生，目前已經(jīng)有初步分析，需要對(duì)電荷轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換系數(shù)檢測(cè)。為了保證大修中電荷轉(zhuǎn)換器故障時(shí)能夠及時(shí)更換，建議日常期間留足備件。維修策略的優(yōu)化（圖12）進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的可靠性，系統(tǒng)故障維修率降低。

KIR主要對(duì)一回路松動(dòng)部件和堆芯吊籃振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)于堆芯及一回來邊界的安全具有重要作用。外部電站曾發(fā)生一回路存在松動(dòng)部件，導(dǎo)致壓力邊界損壞的嚴(yán)重事故。正確有效的監(jiān)測(cè)，對(duì)于盡早發(fā)現(xiàn)潛在危害，防止嚴(yán)重事故的發(fā)生，具有重要意義。