堆芯核測系統(tǒng)通道卡澀故障分析及優(yōu)化

莫澤洲（中核核電運(yùn)行管理有限公司 維修一處，浙江 嘉興 314300）

1 系統(tǒng)功能描述

堆芯核測系統(tǒng)（見圖1）是核電廠重要儀表系統(tǒng)，由探測器、同軸電纜、指套管、導(dǎo)向管、手動閥、密封段、電動閥、驅(qū)動機(jī)構(gòu)、控制柜等組成，共有30個測量通道插入堆芯中。30個通道又分為三組，每組10通道配置一支微型裂變室探測器，3支探測器分別由各自一臺驅(qū)動機(jī)構(gòu)來驅(qū)動，探測器可以直接在這30個通道中進(jìn)行中子通量測量，在反應(yīng)堆啟堆階段測量較為頻繁，在功率運(yùn)行期間每月測量一次[1]。通過定期試驗測量堆芯中子的通量分布來提供反應(yīng)堆堆芯的以下信息：

圖1 堆芯核測系統(tǒng)布置圖Fig.1 Layout of in-core instrumentation system

圖2 2016～2019年缺陷數(shù)Fig.2 The number of defects from 2016 to 2019

1）測定功率徑向不平衡式探測控制棒偏離上下帶的位置。

2）檢驗燃料組件的燃耗功率分布是否符合設(shè)計要求。

3）跟蹤各燃料組件的燃耗。

4）校核堆外測量儀表。

2 故障現(xiàn)象及潛在后果

2.1 故障現(xiàn)象

功率分布定期試驗過程中，機(jī)柜標(biāo)高數(shù)字顯示停止且指示燈“驅(qū)動機(jī)構(gòu)卡住”點亮，按下按鈕“驅(qū)動機(jī)構(gòu)卡住重新恢復(fù)允許”后，指示燈“驅(qū)動機(jī)構(gòu)卡住”熄滅后又重新點亮，此時探測器在通道中卡住，探測器不可用。近幾年，此類故障現(xiàn)象頻繁發(fā)生。

2.2 潛在后果及影響

根據(jù)技術(shù)規(guī)格書3.3.3.2章節(jié)中規(guī)定，可移動式堆內(nèi)通量測量系統(tǒng)在同時滿足下列情況時是可運(yùn)行的：

1）至少有75%的探測器套管完好。

2）堆芯每個象限最少有2個探測器套管完好。

3）有效的可移動式探測器，驅(qū)動裝置和作通量圖的讀出設(shè)備完好。

4） 在使用前24h內(nèi)，對所用的每一個探測器的輸出進(jìn)行歸一化來確定它們是可運(yùn)行的。

圖3 01#堆芯核測系統(tǒng)機(jī)械部件示意圖Fig.3 Mechanical components diagram of in-core instrumentation system in 01#

系統(tǒng)定期試驗為月定期試驗，單個探測器不可用情況下可用支援模式完成試驗，但此時系統(tǒng)已無冗余，堆芯核測系統(tǒng)運(yùn)行已近30年，各類元器件性能面臨挑戰(zhàn)，通過分析近幾個循環(huán)的缺陷可知，系統(tǒng)故障頻度大幅上升，其中01#廠房（核島廠房）機(jī)械故障占90%以上（見圖2）。而功率運(yùn)行期間01#廠房機(jī)械故障檢修是對人員檢修技能水平、輻射防護(hù)工作的重大挑戰(zhàn)，探測器從堆內(nèi)抽出至起初點的瞬時劑量高達(dá)100mSv/h，高溫、高瞬時劑量等作業(yè)環(huán)境大大限制了檢修人員的作業(yè)范圍、作業(yè)時間。所以，如何預(yù)防功率運(yùn)行期間堆芯核測系統(tǒng)出現(xiàn)機(jī)械故障已是迫在眉睫。

3 故障分析及優(yōu)化

3.1 缺陷分析

01#廠房堆芯核測系統(tǒng)機(jī)械部件由驅(qū)動機(jī)構(gòu)，組選擇器、路組選擇器、路選擇器、電動閥、密封段、手動閥、指套管、導(dǎo)向管等組成（見圖3）。

通過跟蹤近幾個燃料循環(huán)堆芯核測系統(tǒng)缺陷發(fā)現(xiàn)01#機(jī)械故障占總?cè)毕莸?0%以上，其中機(jī)械故障主要集中在驅(qū)動機(jī)構(gòu)（見表1）。所以，降低驅(qū)動機(jī)構(gòu)側(cè)機(jī)械部件故障率可有效降低堆芯核測系統(tǒng)故障率，進(jìn)而避免功率運(yùn)行期間，檢修人員搶修情況發(fā)生。

3.2 驅(qū)動機(jī)構(gòu)

驅(qū)動機(jī)構(gòu)由雙速電機(jī)、力矩限制器、卷輪、壓緊鏈條、減速齒輪箱、力矩張緊器等部件組成，驅(qū)動探測器在指套管內(nèi)前進(jìn)/后退（見圖4）[2]。

由表1可知，驅(qū)動機(jī)構(gòu)故障因素主要有4點（見圖5）：探測器及驅(qū)動電纜、力矩限制器、驅(qū)動盤壓緊鏈條、驅(qū)動電機(jī)，其中力矩限制器為主要故障點。

3.2.1 驅(qū)動盤壓緊鏈條

壓緊鏈條的作用是將驅(qū)動電纜壓在卷輪上，起固定和導(dǎo)向作用（見圖6），壓緊鏈條松脫會導(dǎo)致驅(qū)動電纜脫離運(yùn)行軌道，甚至電纜彎折，有損傷驅(qū)動電纜的風(fēng)險；壓緊鏈條過緊會導(dǎo)致探測器及驅(qū)動電纜磨損，同時也會影響力矩限制器，加速摩擦片磨損。

建議在大修預(yù)維中增加壓緊鏈條張緊度檢查項，可放在驅(qū)動機(jī)構(gòu)檢查（1C）中一起實施，必要時調(diào)節(jié)張緊度在合適范圍（見表2）。

3.2.2 驅(qū)動電機(jī)

驅(qū)動機(jī)構(gòu)雙速電機(jī)（見圖7）為雙向、雙速并帶有制動器的三相交流電機(jī)，它通過減速器帶動電纜驅(qū)動輪以足夠大的力量將驅(qū)動電纜及探測器插入任何一個通道，包括正常、救援、參考和保護(hù)通道。驅(qū)動電機(jī)的電源為380V，50Hz三相交流，減速器輸出轉(zhuǎn)速為高速18m/min，低速3m/min，分別對應(yīng)探測器高速和低速。當(dāng)探測器進(jìn)入堆芯時，電機(jī)從高速切換為低速；當(dāng)探測器退出堆芯時，電機(jī)從低速切換到高速[3]。

圖4 驅(qū)動機(jī)構(gòu)Fig.4 Drive unit

圖5 驅(qū)動機(jī)構(gòu)故障因素Fig.5 Failure factors of drive unit

圖6 壓緊鏈條Fig.6 Chain presser and tensioner

表2 壓緊盤壓緊鏈條預(yù)維表Table 2 Pre-maintenance table of chain presser and tensioner

圖7 驅(qū)動電機(jī)Fig.7 Drive motor

圖8 探測器及驅(qū)動電纜Fig.8 Detector and drive cable

圖9 探測器及驅(qū)動電纜故障原因樹狀圖Fig.9 The fault reason tree diagram of detector and drive cable

大修預(yù)維包含對驅(qū)動電機(jī)絕緣電阻測量的預(yù)維，近4個循環(huán)中驅(qū)動電機(jī)故障僅出現(xiàn)1例。針對該次缺陷，現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)電機(jī)變速齒輪箱漏油，導(dǎo)致驅(qū)動電機(jī)絕緣下降，過流保護(hù)動作的情況。現(xiàn)已修改預(yù)維大綱，增加驅(qū)動電機(jī)定期解體檢查預(yù)維項目，從目前預(yù)維頻度和缺陷率綜合考慮，當(dāng)前預(yù)維能滿足系統(tǒng)運(yùn)行要求。

3.2.3 探測器及驅(qū)動電纜

作為測量組的敏感元件的探測器是一個微型裂變室，該裂變室由一個中央電極和兩層不銹鋼的密封同軸包殼組成，中央電極上涂有一層90%濃度的鈾235氧化物。測量的空腔充滿氬氣（Ar），上部是焊接的彈頭裝頭塞，下部與驅(qū)動電纜相連（見圖8）。

探測器及驅(qū)動電纜作為故障點的方式，主要有變形（彎折）和磨損（見圖9）。其中，壓緊鏈條張緊度問題已在前文討論過，下面重點分析探測器及驅(qū)動電纜與指套管內(nèi)壁磨損問題。秦一廠119大修中，指套管清洗（3C項目）作為外包項目實施，在啟堆后功率分布試驗中探測器出現(xiàn)卡澀現(xiàn)象。后經(jīng)分析，清洗后的指套管內(nèi)壁干澀會導(dǎo)致與探測器及驅(qū)動電纜的摩擦力增大，這是導(dǎo)致探測器卡澀的直接原因。

所以，指套管清洗后必須對指套管內(nèi)壁進(jìn)行潤滑?，F(xiàn)有解決途徑是：一是利用噴槍裝置在指套管內(nèi)壁形成一層薄薄的潤滑層（潤滑劑為NEOLUBE），并在潤滑后連接氣源進(jìn)行干燥；二是直接對驅(qū)動電纜進(jìn)行潤滑，在驅(qū)動電纜上人工涂抹石墨潤滑脂。兩種方式均能解決指套管清洗后內(nèi)壁干澀帶來的問題。但由于兩種方式均為人工操作，若操作不當(dāng)導(dǎo)致潤滑劑用量過多，在功率運(yùn)行期間系統(tǒng)運(yùn)行探測器回抽時可能會導(dǎo)致潤滑劑被帶出，活化的潤滑劑會導(dǎo)致整個房間劑量上升，對輻射防護(hù)工作是巨大的挑戰(zhàn)。

因此，針對現(xiàn)有的指套管潤滑措施，必須明確潤滑劑用量和輻射防護(hù)風(fēng)險。有以下3點建議：

1） 針對現(xiàn)有指套管潤滑技術(shù)方案進(jìn)行評估，會同技術(shù)處制定維修策略形成標(biāo)準(zhǔn)化流程，明確潤滑劑用量。

2）成立項目組，研發(fā)指套管自動潤滑裝置。盡可能減少人在其中扮演的角色，這也可避免功率運(yùn)行期間必要時，人工補(bǔ)涂潤滑劑帶來的輻射風(fēng)險。

3）大修預(yù)維中，增加對指套管潤滑度/驅(qū)動電纜潤滑度的檢查項。

3.2.4 力矩限制器

力矩限制器（見圖10）：位于減速器和驅(qū)動輪之間，連接減速器輸出軸和驅(qū)動輪軸。當(dāng)探測器和驅(qū)動電纜在某一通道卡住時，力矩限制器即打滑，此時驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動而驅(qū)動輪不動，從而保護(hù)裂變室和驅(qū)動電纜不被損壞。

當(dāng)探測器出現(xiàn)多次通道卡澀或者按下緊急停止按鈕，會對力矩限制器摩擦片造成不同程度的磨損，最終導(dǎo)致力矩限制器力矩不滿足要求，產(chǎn)生打滑現(xiàn)象。

現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)卡澀故障后，可明顯看出力矩限制器打滑，測試力矩在正常范圍下限值（正常范圍25N.m～31N.m），對力矩限制器解體后發(fā)現(xiàn)摩擦片磨損嚴(yán)重。

圖10 力矩限制器Fig.10 Torque limiter

表3 力矩限制器預(yù)維表Table 3 Pre-maintenance table of torque limiter

目前，大修預(yù)維中并無針對力矩限制器項目。針對近幾個燃料循環(huán)中力矩限制器打滑導(dǎo)致探測器不可用和后續(xù)帶功率搶修的情況，建議修改預(yù)維大綱，評估摩擦片壽期和預(yù)維頻度，增加力矩限制器預(yù)維項目（見表3）。

4 結(jié)束語

本文從故障點入手，介紹秦一廠堆芯核測系統(tǒng)現(xiàn)狀，堆芯核測系統(tǒng)運(yùn)行已近30年，各類元器件性能面臨挑戰(zhàn)。面對近幾個燃料循環(huán)系統(tǒng)故障率大幅上升的現(xiàn)狀，分析缺陷可知01#廠房機(jī)械故障占90%以上，進(jìn)一步分析機(jī)械故障主要集中在驅(qū)動機(jī)構(gòu)。降低驅(qū)動機(jī)構(gòu)機(jī)械部件故障率就可有效降低堆芯核測系統(tǒng)故障率。

通過梳理驅(qū)動機(jī)構(gòu)4個高頻故障點：探測器及驅(qū)動電纜、力矩限制器、驅(qū)動盤壓緊鏈條，雙速電機(jī)，其中力矩限制器為主要故障點，分析當(dāng)前預(yù)維項目、預(yù)維頻度，針對性地對上述4個故障點預(yù)維項目進(jìn)行優(yōu)化，通過自主檢修降低系統(tǒng)故障率，提升系統(tǒng)可靠性，進(jìn)而避免功率運(yùn)行期間帶功率搶修情況發(fā)生。