核電廠松動部件監(jiān)測系統(tǒng)信號過載分析

王季能

【摘 要】為松動部件監(jiān)測系統(tǒng)在核電站運行期間監(jiān)測回路中是否有松動部件，預(yù)防和減少松動部件的存在給設(shè)備帶來的危害。而在設(shè)備和系統(tǒng)國產(chǎn)化過程中，因相關(guān)技術(shù)人員對技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的理解和采用的不同，其設(shè)計和制造的設(shè)備在調(diào)試期間出現(xiàn)故障現(xiàn)象，本文對出現(xiàn)的故障現(xiàn)象進(jìn)行分析和對其原因進(jìn)行探討。

【關(guān)鍵詞】松動部件；信號過載；核電廠

0 引言

松動部件監(jiān)測系統(tǒng)在探測一回路內(nèi)存在松動部件，減輕松動部件對設(shè)備和安全屏障的危害方面有重要意義。而系統(tǒng)功能的實現(xiàn)是建立在系統(tǒng)功能完整，運行正常的基礎(chǔ)之上。對國產(chǎn)化設(shè)備在調(diào)試過程中發(fā)生的故障現(xiàn)象進(jìn)行分析和討論，積累相關(guān)經(jīng)驗是技術(shù)人員的重要工作內(nèi)容。

1 信號過載的危害

信號過載的最直接的后果是對系統(tǒng)本身帶來沖擊，但最嚴(yán)重的后果是探測到的陣發(fā)波信號信息的缺省。對于一個陣發(fā)波，其波幅到達(dá)測量限值后將被削平，通過系統(tǒng)內(nèi)的模塊轉(zhuǎn)化和處理后，無法再呈現(xiàn)出其波形中因松動部件撞擊引起的上升和衰減等過程特征。不利于技術(shù)人員將它與電氣故障，環(huán)境因素等引起的波形區(qū)分，更是不利于及時辨別和區(qū)分是否存在松動部件，損害了其設(shè)置用來監(jiān)測松動部件的本意。監(jiān)督部門如果對此有異議，將很難從技術(shù)上給出讓人信服的解釋。

2 信號過載現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)

在某核電廠松動部件監(jiān)測系統(tǒng)調(diào)試期間，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)閃發(fā)和記錄了包括“信號過載”在內(nèi)的多種故障和事件，這些現(xiàn)象的發(fā)生除與此階段內(nèi)核島里的施工環(huán)境有關(guān)外，系統(tǒng)本身的性能參數(shù)和工作原理是其本質(zhì)原因。

從2009.8.26至11.18日期間發(fā)生信號過載統(tǒng)計結(jié)果來看，其發(fā)生的次數(shù)很多（統(tǒng)計到153次）。此統(tǒng)計還未記錄到本階段中因施工原因?qū)y量通道解開期間的情況，如考慮全部過程，其發(fā)生的次數(shù)將會更多。為辨別系統(tǒng)記錄“信號過載”現(xiàn)象是否是對檢測對象的客觀反應(yīng)，技術(shù)人員在其頻發(fā)期間加強(qiáng)對系統(tǒng)的監(jiān)視，并實時觀察到一次信號過載的發(fā)生過程。技術(shù)人員對觀察到的現(xiàn)象描述如下：其11月份在機(jī)柜前一次蹲點監(jiān)視時，聽到揚(yáng)聲器發(fā)出大的碰撞聲，系統(tǒng)監(jiān)測界面上顯示的陣發(fā)波波幅已超出顯示的上限。進(jìn)而查看事件記錄，看到系統(tǒng)在此次時刻如實的記下此事件和“信號過載”項。此次觀察證明調(diào)試期間出現(xiàn)的“信號過載”不是系統(tǒng)的誤記錄，而是客觀存在的。

查閱相關(guān)出廠試驗報告，了解到在廠方進(jìn)行松動部件模擬試驗期間也曾出現(xiàn)過信號過載現(xiàn)象。但廠方技術(shù)人員認(rèn)為是系統(tǒng)本身的特性（測量能力小于等于100g）決定了對某些輸入的響應(yīng)。這從側(cè)面亦證實了大于系統(tǒng)測量范圍的撞擊是能客觀存在的。從某核電的主泵葉輪裂開落下的松動部件撞擊引發(fā)的多個測量通道信號飽和（過載），以及按國標(biāo)中要求的松動部件參數(shù)，作撞擊波幅值的工程估算，也能得出信號（加速度）能大于100g的結(jié)論。

2015年3月份在北方某核電廠1號機(jī)的松動部件監(jiān)測系統(tǒng)中的一個監(jiān)測模塊的3個通道連續(xù)依次發(fā)生故障燈閃亮的情況，具體現(xiàn)象為：通道的狀態(tài)顯示燈在正常時為綠色，但在出現(xiàn)同一模塊的三個通道隔一段時間依次閃變出黃色后恢復(fù)的現(xiàn)象，現(xiàn)場通過監(jiān)聽通道可排除有松動部件撞擊。大修期間更換三個通道的電荷轉(zhuǎn)換器后，監(jiān)測通道恢復(fù)正常。

3 信號過載原因分析

國產(chǎn)松動部件監(jiān)測系統(tǒng)的參數(shù)與原參考系統(tǒng)以及ASME標(biāo)準(zhǔn)的比較。

經(jīng)對參考電站的松動部件監(jiān)測系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行查閱和了解，發(fā)現(xiàn)其松動部件監(jiān)視部分使用13個加速度測量通道（其中每個SG各3個；壓力容器底部3個，頂部1個），但其加速度測量的范圍達(dá)到1000g。

ASME OM-S/G-2007的12章的4.3.1 signal conditioner.章節(jié)中提到對測量范圍的要求為：（d）dynamic range：signal level equivalent to at least 100g peak in the least-sensitive range.但同時，其對U型傳熱管的蒸汽發(fā)生器類型的壓水堆的測量通道要求為18個。這在ASME OM-S/G-2007的12章的4.2.4 Accelerometer Locations-PWR. 章節(jié)中的描述，以及表格：Table 1 Recommended PWR Accelerometer Location 可看出使用在國產(chǎn)化的松動部件監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計的是兩個參考項總合。如參考電站的系統(tǒng)，雖然只設(shè)13個通道，但從技術(shù)參數(shù)上來看，其測量的能力很強(qiáng)（1000g），從而能覆蓋更廣范圍。又如ASME的標(biāo)準(zhǔn)，雖然其測量能力是100g，但其在可能發(fā)生松動部件的區(qū)域布置的通道更密集，也就是說，即使強(qiáng)沖擊區(qū)有通道信號過載，其臨近的通道亦能收到完整的信號，保證了測量范圍的全面性。

4 系統(tǒng)設(shè)計的技術(shù)參數(shù)的風(fēng)險

使用13通道且100g測量能力的方案有如下可能風(fēng)險：

因壓力容器頂蓋只有一個測量通道，底部的三個通道安裝在伸出壓力容器的指套管上。當(dāng)?shù)趸@內(nèi)存在松動部件撞擊，當(dāng)松動部件的質(zhì)量大到能引起信號過載時，陣發(fā)波經(jīng)過壓力容器壁的衰減，再從壓力容器壁傳播到與其垂直連接的指套管上的加速度測量通道，其信號極有可被背景噪音掩蓋。一個典型的陣發(fā)波的信息如圖1所示，它包括上升沿、衰減和固定的特征頻率等信息。而此時，僅從一個被削平的波形信息中辨別是松動部件還是電氣異常，還是環(huán)境噪音，還是逆止閥動作或是其他功能部件動作，為相關(guān)部門提供計策依據(jù)，是風(fēng)險極大的。

實際的運行過程中不能冀望于所有的松動部件，其產(chǎn)生的過程都遵循已知的：松動——脫落——傳送到固定區(qū)域的固定過程，或者說，其全部過程的信息都能被恰當(dāng)收集。對于不可預(yù)料的事件，遵循最保守的技術(shù)手段應(yīng)是基本要求。從詳細(xì)記錄的過載清單也可看出，屬于同一區(qū)域的通道很少能保持所接受到信號強(qiáng)度的一致，即曾在有同一事件段內(nèi)一個通道過載，另外的通道收集到的信息會明顯減弱。這樣來看，將體積龐大的壓力容器分為一個區(qū)域的做法是不恰當(dāng)?shù)摹?/p>

因本系統(tǒng)的設(shè)計為收集松動部件理論上最終停留幾率大的區(qū)域的信息。而當(dāng)同一區(qū)域的通道有過載時，技術(shù)人員要從這些近似階變的信號中辨別是松動部件、電氣故障、逆止閥動作等有一定難度，延誤對真實松動部件的決策時間，擴(kuò)大事件后果（松動部件撞碎或是后續(xù)再此撞擊能提供更豐富辨別的信息）。

從綜上分析來看，系統(tǒng)要滿足國標(biāo)GB/T 11807-2008 /IEC 60988：1990中提到的。

能夠監(jiān)測松脫部件以0.7J的動能撞擊反應(yīng)堆冷卻劑壓力邊界內(nèi)表面，撞擊點離開傳感器的距離小于1m，探測的質(zhì)量范圍大約為0.1kg-15kg的基本要求，將會有爭議。原型未使用10kg以上的大質(zhì)量松動模擬物進(jìn)行試驗，也沒有在近似一回路高流速中環(huán)境中試驗，其用小質(zhì)量的模擬物，已曾引發(fā)信號過載。

5 結(jié)論

根據(jù)上述分析，為完善系統(tǒng)的功能，建議從如下兩方面考慮：

1）增加通道測量量程（或使用有兩種量程的電荷轉(zhuǎn)換器）

對于分布在蒸汽發(fā)生器上的通道，可考慮直接在原硬件配置上擴(kuò)大量程。這樣將從根本上解決信號過載問題，同時也能更全面的覆蓋可能存在的松動部件所觸發(fā)的陣發(fā)波振幅范圍。但該方案要充分綜合對系統(tǒng)分析精度的影響。

2）按ASME標(biāo)準(zhǔn)建議增加通道

對于分布在壓力容器上的通道，因與松動部件監(jiān)測部分共用通道的振動監(jiān)測功能需要的是精度較高的振動信號，且其振幅一般很低，再擴(kuò)大量程將會面臨測量精度低到不可接受的問題。故可考慮按ASME標(biāo)準(zhǔn)的建議，增加測量通道，以擴(kuò)大測量區(qū)域范圍來彌補(bǔ)單個通道量程有局限的特點。經(jīng)查看壓力容器的設(shè)計圖紙，其頂蓋上設(shè)計有4處可安裝探頭的位置，目前還剩有3個位置可以使用。

【參考文獻(xiàn)】

[1]ASME OM-S/G-2007[S].

[2]GB/T 11807-2008[S].

[3]IEC 60988：1990[S].

[責(zé)任編輯：鄧麗麗]