某核電廠1RPN系統(tǒng)中間量程探測(cè)器故障分析及處理

趙鵬

摘 要：堆外核測(cè)系統(tǒng)用于持續(xù)在核電站啟動(dòng)及其后運(yùn)行過(guò)程中，提供連續(xù)不斷的控制和保護(hù)。本文對(duì)某核電廠1、2號(hào)機(jī)組RPN堆外核測(cè)系統(tǒng)的中間量程探測(cè)器的功能、工作原理進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹。對(duì)中間量程探測(cè)器1RPN023MA的故障現(xiàn)象進(jìn)行闡述，對(duì)故障原因進(jìn)行分析。并解析了在機(jī)組降功率過(guò)程中，該探測(cè)器的可能出現(xiàn)的現(xiàn)象，并針對(duì)性地采取處理方式，檢修結(jié)果表明分析和處理是正確有效。最終實(shí)施了探測(cè)器的更換，并對(duì)故障處理的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)和歸納，為后續(xù)的維護(hù)工作優(yōu)化提供建議。

關(guān)鍵詞：堆外核測(cè)系統(tǒng)；中間量程；故障；分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.21.161

1 前言

RPN系統(tǒng)探測(cè)器安裝在壓力容器的外圍，生成脈沖或電流信號(hào)用以表征中子通量水平實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反應(yīng)堆功率、功率變化和功率分布狀況，通過(guò)對(duì)應(yīng)量程通道調(diào)理單元的處理后，傳輸給處理單元轉(zhuǎn)化為數(shù)字量從而進(jìn)行軟件處理，并轉(zhuǎn)換為所需的信號(hào)進(jìn)行輸出，為反應(yīng)堆的運(yùn)行提供連續(xù)不斷的測(cè)量和監(jiān)視。

從反應(yīng)堆啟動(dòng)到滿功率運(yùn)行，一直持續(xù)到反應(yīng)堆安全停堆，反應(yīng)堆中子通量的范圍超過(guò)10個(gè)數(shù)量級(jí)以上的量程，因此系統(tǒng)采用了三種不同量程通道，即源量程通道、中間量程通道以及功率量程通道。它們各自配備性能各異和測(cè)量范圍不同的探測(cè)器，不僅能夠覆蓋整個(gè)中子通量的范圍，而且三個(gè)量程在測(cè)量上相互之間有1—2個(gè)量級(jí)的重疊，從能夠消除盲區(qū)；在功能上相互制約和補(bǔ)充，共同實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的保護(hù)功能和控制功能。

2 中間量程探測(cè)器

2.1 功能

RPN系統(tǒng)中間量程探測(cè)器的量程范圍為中子注量率2*102—5*1010n.cm-2.s-1，通道為反應(yīng)堆連續(xù)的啟動(dòng)運(yùn)行或功率提升過(guò)程中設(shè)置了一系列的停堆、允許、閉鎖信號(hào)，如表1所示。

2.2 原理

中間量程探測(cè)器安置在一個(gè)密封的簡(jiǎn)形容器內(nèi)，充有以氬氣為主的混合氣體，具體成分為%1氦、6%氮、93%氬。入射中子與10B發(fā)生反應(yīng)，過(guò)程如下：

n+105B→73Li+42He+2.795mev

3Li*+42He+2.316mev

3Li+γ（0.48mev）

在高壓作用下，鋰離子在氣體中產(chǎn)生的離子對(duì)被電極收集，形成電流信號(hào)輸出。

因?yàn)殡婋x室所處的工作場(chǎng)所有較強(qiáng)的γ場(chǎng)，所以輸出的信號(hào)中會(huì)包含有γ射線產(chǎn)生的電流，從而影響中子通量測(cè)量的精確度和范圍。為消除γ射線的影響，采用了γ補(bǔ)償電離室，結(jié)構(gòu)和原理如圖1所示。

該電離室由A、B兩個(gè)相鄰的小室組成，其結(jié)構(gòu)和內(nèi)部充氣情況完全相同。區(qū)別為A室內(nèi)壁有10B涂層接正壓，B室內(nèi)壁無(wú)10B涂層接負(fù)壓，中間收集電極公用，經(jīng)電流表或電阻接地。

當(dāng)中子和γ射線同時(shí)入射時(shí)，A室產(chǎn)生的電流i1中既包含中子產(chǎn)生的電流in，也包含γ射線產(chǎn)生的電流iγ，即i1=in+iγ。而B室因內(nèi)壁沒有10B，不會(huì)有因10B（n，γ）的反應(yīng)引起氣體電離，所以B室產(chǎn)生的電流i2僅是由γ射線產(chǎn)生的，即i2=iγ。因?yàn)閕1與i2的方向相反，所以最終的輸出電流是兩個(gè)電流之差，即i=i1-i2=in+iγ-iγ=in。這樣探測(cè)器所測(cè)得的電流i僅與中子通量密度成比例，消除了γ射線的影響[1]。

3 故障分析

在執(zhí)行預(yù)大修項(xiàng)目RPN中間量程坪特性繪制時(shí)，發(fā)現(xiàn)1RPN023MA坪曲線發(fā)散、坪特性差，如圖2所示。

3.1 定性分析

中間量程探測(cè)器飽和特性形狀的典型變化如圖3所示。圖中曲線1為壽期初新探頭的曲線，起點(diǎn)斜率大，曲線平滑。曲線2的起點(diǎn)斜率相對(duì)變小，表明低壓區(qū)喪失功能。曲線3不僅起點(diǎn)斜率相對(duì)變小，平坦區(qū)也有所減少，表明高、低壓區(qū)均喪失功能。而曲線4中的平坦區(qū)則完全消失。

對(duì)比圖2和圖3中間量程探測(cè)器飽和特性形狀的典型變化可以看出1RPN023MA的坪曲線特性已與圖2中的曲線4相符合，該坪曲線屬于徹底喪失功效的形態(tài)。這主要因探測(cè)器內(nèi)部的稀有氣體泄漏、硼涂層減少造成、和探測(cè)器絕緣性能下降所導(dǎo)致。

3.2 定量分析

3.2.1 低壓區(qū)性能分析

低壓區(qū)性能是通過(guò)計(jì)算低壓區(qū)坪斜來(lái)判定。利用V0來(lái)代表曲線變化的始點(diǎn)，先計(jì)算出其額定電壓Vn 對(duì)應(yīng)飽和電流的20%電流值，再找出該電流值所對(duì)應(yīng)的電壓值即為V0。如果V0的數(shù)值越高，表明探測(cè)器性能下降得越嚴(yán)重。判定標(biāo)準(zhǔn)為：如果V0>70V，不必更換探測(cè)器，但每三個(gè)月繪制一次坪曲線；如果V0>140V，則需要更換探測(cè)器。

利用上述算法，進(jìn)行計(jì)算，過(guò)程如下：

I0（A）=0.2*I600V=0.2*2.0410E-04=0.4082E-04=4.082E-05（A）

V0（V）=VI=I0=VI=4.082E-05（A）=302V>140V；

從結(jié)果可以看出低壓區(qū)坪斜已經(jīng)超差，已達(dá)到需要更換的程度。

3.2.2 高壓區(qū)性能分析

理論上來(lái)說(shuō)，在正常的工作高壓范圍內(nèi)，電流值是不會(huì)有改變的，與電壓沒有關(guān)聯(lián)。而在實(shí)際中，這種情況是不存在的，因?yàn)樘綔y(cè)器輸出的實(shí)際電流是飽和電流與漏電流累加的總和。探測(cè)器的絕緣阻值是不可能為無(wú)窮，因此始終會(huì)存在漏電流，且漏電流的大小正比于探測(cè)器上的電壓值[2]。所以在飽和曲線上存在著一個(gè)很小的斜坡。對(duì)于新的探測(cè)器來(lái)說(shuō)，泄漏電流是很小，坪區(qū)大，坪曲線平滑。

高壓區(qū)性能判定通過(guò)額定的坪斜來(lái)表征，計(jì)算方法為：

Slope（%）=x100

判定標(biāo)準(zhǔn)為如果坪斜Slope（%）>6%，需要更換探測(cè)器。

將數(shù)據(jù)帶入公式進(jìn)行驗(yàn)證，過(guò)程如下：

Slope（%）=x100=44.8%>6%

結(jié)果可以得出正常電壓的坪斜已經(jīng)超出合格標(biāo)準(zhǔn)。

從以上分析中，可以看出1RPN023MA的低壓區(qū)坪斜、正常電壓的坪斜這兩個(gè)參數(shù)都已超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)，表明探測(cè)器的性能已經(jīng)嚴(yán)重下降。

4 故障處理

該探測(cè)器性能已不滿足使用需求，需要進(jìn)行處理，處理方案針對(duì)兩個(gè)方面：

（1）降功率期間：降功率過(guò)程中1RPN023MA探測(cè)器的指示并不一定會(huì)呈線性變化，有可能會(huì)觸發(fā)保護(hù)動(dòng)作，導(dǎo)致意外停堆。

（2）低低水位期間：在1RPN系統(tǒng)退出運(yùn)行的大修窗口期間，對(duì)1RPN023MA探測(cè)器進(jìn)行更換，徹底消除缺陷。

4.1 降功率期間處理

4.1.1 后果分析及預(yù)案

對(duì)機(jī)組在停堆降功率的過(guò)程中，1RPN023MA所涉及到的重要信號(hào)及可能后果進(jìn)行分析。

（1）在30%FP時(shí)，ATWT誤動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)：如果1RPN023MA的ATWT信號(hào)未正常翻轉(zhuǎn)，同時(shí)1RPN013MA的ATWT信號(hào)也未正常翻轉(zhuǎn)，則當(dāng)狀態(tài)進(jìn)一步向下時(shí)，SG流量低ATWT信號(hào)出現(xiàn)后將導(dǎo)致ATWT停堆。該風(fēng)險(xiǎn)概率極低，實(shí)際降功率過(guò)程中，只要1RPN013MA的ATWT信號(hào)能正常翻轉(zhuǎn)即可保證不會(huì)誤動(dòng)。

（2）在25%FP時(shí)，中間量程中子注量率高緊急停堆風(fēng)險(xiǎn)：功率下降過(guò)程中，當(dāng)P10消失時(shí)，如果1RPN023MA的停堆信號(hào)未正常消失，則會(huì)導(dǎo)致中間量程停堆信號(hào)誤動(dòng)。因此設(shè)定一個(gè)介于P10定值和中間量程中子注量率高定值之間的閾值18%FP ，當(dāng)功率降至18%FP時(shí)，如果中間量程中子注量率高緊急停堆信號(hào)仍存在，則在反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)閉鎖1RPN023MA的停堆信號(hào)來(lái)避免機(jī)組停堆。

（3）P6信號(hào)消失時(shí)，源量程停堆信號(hào)誤動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)：功率下降過(guò)程

中，當(dāng)1RPN013MA的 P6信號(hào)消失時(shí)，如果1RPN023MA的P6信號(hào)未正常消失，則會(huì)導(dǎo)致源量程無(wú)法投運(yùn)。這是需要手動(dòng)復(fù)位“P6閉鎖源量程信號(hào)”。在源量程投運(yùn)的瞬間，其計(jì)數(shù)率有可能超過(guò)源量程停堆定值，導(dǎo)致源量程停堆信號(hào)動(dòng)作?？紤]到閉鎖源量程停堆信號(hào)拒動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)較大，因此不做閉鎖處理，采取跟蹤監(jiān)測(cè)的方式，分別在1RPN013MA的 P6信號(hào)消失、 1RPN013MA電流為8*10-11A這兩個(gè)階段，跟蹤檢查1 RPNO23MA的P6信號(hào)是否消失。如果未消失，則手動(dòng)復(fù)位“閉鎖源量程停堆信號(hào)”，使RPN系統(tǒng)源量程通道投運(yùn)。

4.1.2 處理過(guò)程

首先在機(jī)組滿功率時(shí)，對(duì)兩個(gè)中間量程的電流-功率轉(zhuǎn)化系數(shù)都進(jìn)行了校準(zhǔn)，使其電流與功率關(guān)系盡可能保持準(zhǔn)確。

在降功率停機(jī)過(guò)程中，對(duì)中間量程的電流執(zhí)行進(jìn)行監(jiān)測(cè)。對(duì)各個(gè)功率平臺(tái)的電流值進(jìn)行記錄，跟蹤線性化變化情況，以便能夠在風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)到來(lái)之前對(duì)電流變化方向進(jìn)行預(yù)判，快速而準(zhǔn)確的采取措施。

（1）當(dāng)核功率降至約30%FP時(shí)，此時(shí)1RPN013MA的ATWT信號(hào)翻轉(zhuǎn)為時(shí)的功率值30.2%FP，功率持續(xù)下降至22%FP，1RPN023MA的ATWT信號(hào)翻轉(zhuǎn)。

（2）當(dāng)核功率降至約18%FP，檢查1RPN013MA的停堆信號(hào)翻轉(zhuǎn)時(shí)的功率值25.34%FP，此時(shí)1RPN023MA的停堆信號(hào)也已翻轉(zhuǎn)，翻轉(zhuǎn)時(shí)的功率值為17.8%FP。

（3）當(dāng)核功率繼續(xù)下降至1RPN013MA的P6信號(hào)消失時(shí)，監(jiān)測(cè)到1RPNO23MA的P6信號(hào)并未消失。持續(xù)降功率，當(dāng)1RPN013MA電流下降接近至8*10-11A時(shí)，1RPNO23MA的P6信號(hào)消失。此時(shí)源量程投運(yùn)，1RPNO14MA和1RPNO24MA計(jì)數(shù)率分別為1130 和970。至此，源量程已安全投入運(yùn)行，機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)已離開中間量程的保護(hù)定值。

4.2 低低水位期間處理

在大修的低低水位期間，成立專項(xiàng)工作小組，對(duì)探測(cè)器1RPNO23MA進(jìn)行更換，并對(duì)廢舊探測(cè)器進(jìn)行了報(bào)廢處理。

5 總結(jié)

RPN堆外核功率測(cè)量系統(tǒng)中間量程探測(cè)器對(duì)于機(jī)組起著十分重要的控制和保護(hù)作用。隨著系統(tǒng)運(yùn)行年限的增加，設(shè)備中部分元器件如電容、電阻、電離室、電纜絕緣等等，會(huì)出現(xiàn)不同程度的性能下降甚至失效跡象，在日常和大修需要通過(guò)針對(duì)其各類參數(shù)來(lái)判斷探測(cè)器功能是否正常，同時(shí)要密切關(guān)注其他檢修工作是否會(huì)對(duì)探測(cè)器造成意外損傷。

對(duì)于探測(cè)器的各類數(shù)據(jù)要進(jìn)行全面的收集、整理、匯總，以便于利用大數(shù)據(jù)，對(duì)探測(cè)器性能指標(biāo)進(jìn)行預(yù)判，從而優(yōu)化檢修項(xiàng)目，強(qiáng)化維護(hù)管理。

參考文獻(xiàn)：

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