一回路核級設備磨損的監(jiān)測模型

王璟增

（國核示范電站有限責任公司，威海 264300）

核電廠反應堆中，振動和磨損是導致核級設備失效的重要原因，而且失效常發(fā)生在應力集中部位，在引起核級設備失效的原因中，微動是導致提前損傷失效的直接原因。隨著堆齡的增加，微動損傷使核級設備損傷失效的事例越來越多，本文對設備微動損傷的預防進行研究。

振動引起微動，微動導致結構磨損失效，并加速其疲勞、腐蝕損傷，這是核電工程中的疑難問題。雖然目前的研究針對單個因素形成了一定的理論，但距離真正在實際應用中加以解決仍有差距[1]。

燃料棒、控制棒、蒸汽發(fā)生器是一回路磨損的多發(fā)部位，其損傷對反應堆的安全運行構成了威脅，甚至導致核電廠壽命縮短。因此，研究吊籃、燃料棒、控制棒、蒸汽發(fā)生器的磨損形式，構建一套在線監(jiān)測模型，對事故預警具有重要意義。

1 核級設備的磨損原理

1.1 燃料棒的磨損

核電廠運行時，燃料棒難免要發(fā)生微動，并且以流致微動為主。包殼與定位格架及堆芯圍板存在微動損傷，包殼破裂會導致高放射性的物質(zhì)泄漏。早期水冷堆燃料棒的破損狀況顯示，因各種微動造成的破損率約為0.1%[2]。早期的水冷堆燃料元件磨蝕破損狀況見表1[1]。

表1早期水冷堆燃料元件腐蝕破損狀況Table1 Corrosion damageof fuel componentsin early water cooled reactors

由于外界原因引起的燃料棒破損主要有以下幾種情況：（1）堆芯圍板間隙內(nèi)的水流噴射使燃料包殼與定位架摩擦，導致包殼產(chǎn)生磨蝕；（2）包殼與圍板相摩擦，導致包殼管軸向開裂或開口；（3）在反應堆檢修過程中掉入的金屬碎片、小螺栓螺母、鋼刷絲毛等異物隨冷卻劑流動而進入堆芯，并被截留在定位架處的燃料棒之間，在冷卻劑流動的影響下，碎片夾在包殼間會改變整體的振動參數(shù)，如頻率振幅等，由此加劇振動而引起包殼的微動磨蝕[3]。

1.2 控制棒組件的磨損

法國某核電廠曾出現(xiàn)過控制棒磨斷并跌落到導向管底部的情況，我國核電站大修期間也曾發(fā)現(xiàn)控制棒組件出現(xiàn)磨損的現(xiàn)象。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，磨蝕均發(fā)生在長期提起位置上的控制棒，其部位集中于導向筒內(nèi)與導向孔板接觸的位置[2]如圖1所示。

圖1控制棒組件磨損部位Fig.1 Control rod assembly wear position

流致振動造成的控制棒磨蝕使控制棒的壽命平均縮短了50%。經(jīng)分析得知，從導向筒下段的出水孔流出的橫向水流引起控制棒的振動，導致控制棒與周圍構件摩擦，從而產(chǎn)生磨蝕。表2為國外對22座反應堆控制棒組件檢查情況。

1.3 蒸汽發(fā)生器傳熱管的磨損

對于蒸汽發(fā)生器，一次側應力腐蝕開裂（Stress Corrosion Cracking，SCC）、二次側晶間腐蝕以及磨損都集中在微動損傷的高發(fā)部位。在蒸汽發(fā)生器中，由于傳熱管與防振條之間存在間隙，在高速流體的沖擊下，管子與防振條之間產(chǎn)生振動磨損而使管子損壞[2]。同時，微動磨蝕造成的失效也是造成傳熱管損傷的一個原因。

表2國外對22座反應堆控制棒組件檢查情況Table 2 Foreign inspection of 22 reactor control rod assemblies

近年來，由于傳熱管破損而造成的堵管數(shù)占堵管總數(shù)的80%～92%，而且發(fā)生破損的部位主要集中在易形成微動損傷的部位。表3是1987—1991年蒸汽發(fā)生器中堵管總數(shù)及各類破損的分布部位所占的百分比[4]。

表3堵管總數(shù)及各類破損的分布部位所占百分比Table 3 The total number of blocked pipesand the percentage of variousdamaged parts

2 監(jiān)測原理與模型

2.1 堆芯吊籃的振動監(jiān)測

首先，工作人員在反應堆堆芯吊籃上布置圍繞堆芯的4個中子噪聲探測器，夾角互為90°，同時，在吊籃不同高度上分別安裝4個加速度計，夾角互為90°。由于正常工作時堆芯吊籃的振動模式相對恒定，因此，中子噪聲信號與加速度信號應呈現(xiàn)周期性[5]。當兩種信號發(fā)生異常，不再呈現(xiàn)周期性時，峰值、頻率等參數(shù)發(fā)生明顯變化時，說明吊籃的振動模式發(fā)生了改變，如圖2所示。

圖2堆芯吊籃磨損監(jiān)測方法Fig.2 Monitoring method for corehanging basket wear

其次，工作人員在吊籃內(nèi)部的結構通路上用壓力表測量冷卻劑的壓力波動，結合上述異常的中子噪聲信號與加速度信號，可以判斷吊籃振動原因是否來源于堆芯內(nèi)部。如果壓力表的數(shù)據(jù)沒有明顯變化，說明吊籃內(nèi)的冷卻劑并無較大的波動，則判斷吊籃異常振動源于堆外部件。反之，吊籃異常振動與堆芯內(nèi)部構件有關，此時應重點監(jiān)測堆內(nèi)的燃料棒和控制棒。

最后，中子噪聲信號容易受堆內(nèi)輻照的影響，而加速度信號受控制棒移動的影響也可能出現(xiàn)信號不穩(wěn)定的情況。因此，兩種監(jiān)測方式相結合，可以相互彌補各自的信號弱點，并且冗余對比可提高信息的準確性，更好地監(jiān)測吊籃的振動情況。壓力表能夠較精確地反映冷卻劑的波動情況，但為防止壓力表的損壞或機械故障，可在結構通路上布置備用的壓力表。

2.2 控制棒的磨損監(jiān)測

控制棒的在線監(jiān)測可通過超聲檢測系統(tǒng)和渦流檢測系統(tǒng)共同實現(xiàn)。

現(xiàn)有的技術已允許超聲波探頭在堆芯內(nèi)部高溫高壓的水環(huán)境中工作，可以使用水下旋轉超聲聚焦探頭監(jiān)測從上端塞焊縫到下端塞焊縫之間的包殼管壁厚和直徑，以此判斷控制棒包殼的磨損程度及腐蝕程度[6]。超聲波探頭的數(shù)量可以根據(jù)控制棒數(shù)量以及使用頻率來確定，如圖3所示。

圖3控制棒組件磨損監(jiān)測方法Fig.3 Monitoring method for control rod assembly wear

在水下通過超聲波探頭獲取控制棒的振動信號的實質(zhì)是液浸法的超聲波探測過程。由于探頭與控制棒不直接接觸，探頭發(fā)射的聲波需經(jīng)過冷卻劑射到控制棒，因此，聲波的發(fā)射和接受都比較穩(wěn)定。但水層的厚度會引起超聲波聲能的損失，因此，需要選用聚焦探頭以集中聲能。同時，在探頭的壓電晶片前覆蓋一層與水匹配的介質(zhì)，可以提高水浸探頭發(fā)射到水中的聲能。

超聲波所獲得的信號可能會受到水環(huán)境的本底影響。堆芯中不同處的水流量存在差異，會對聲波的發(fā)射及接受產(chǎn)生一定的影響。本監(jiān)測先通過計算得到在正常工作時水環(huán)境下的信號誤差范圍，再比較波形圖與信號誤差范圍，判斷收集的信號是否正常，尤其注意峰值的比較。

超聲波信號還可能受到吊籃振動的影響。為了消除此影響，檢測人員可以使用另外的超聲波探頭提取吊籃的振動信號（此超聲波探頭需靠近上支承板附近的控制棒導向管），將控制棒的信號與吊籃的信號反向疊加，以去除吊籃振動的影響。

渦流檢測系統(tǒng)可檢測到超聲波檢測不到的細小缺陷（如裂紋）。探頭位置設計在上部支承板的定位銷上方，探頭的數(shù)量根據(jù)控制棒的數(shù)量而定。因為控制棒上提時會離開定位銷，所以，選用包含有穿過式線圈的渦流探頭對活動的控制棒進行檢測。在每次控制棒下插和上提的過程中，可以進行完整的兩次檢測。雖然這種方法在控制棒不移動時無效，但控制棒從開始磨損到失效通常需要一定的時間，如果控制棒在下降的過程中未檢測到嚴重磨損，那么可以認為控制棒在重新提起之前不會因為磨損而失效。反之，如果控制棒在下降過程中檢測到嚴重磨損，則應立刻提起可能失效的控制棒。

由于渦流探測器的位置靠近定位銷，所獲取的信號可能受到其他干擾，因此，通過濾波器設定一個可信的信號頻率來濾除雜波，這一可信的頻率應當是控制棒正常升降時的允許頻率。然后將測量信號與基準信號進行比較，辨別振動是否異常，并在偏差過大時發(fā)出警報。

超聲波與渦流的雙重監(jiān)測可以做到相互驗證，提高監(jiān)測結果的可靠性，避免了信號干擾的誤差。此外，為了避免監(jiān)測時產(chǎn)生誤差，每次監(jiān)測可以重復2～3次，以增加可靠性。

2.3 燃料棒的磨損監(jiān)測

燃料棒與控制棒類似，同樣采用棒狀體的外置監(jiān)測方法，超聲波檢測系統(tǒng)和渦流檢測系統(tǒng)對于燃料棒也適用。

通過超聲波探頭收集的信號可以判斷燃料棒包殼的厚度及直徑情況，并判斷棒微動磨損和微動磨蝕的程度。由于堆芯內(nèi)部下降的控制棒與燃料組件均在吊籃裝置中[6]，因此，監(jiān)測二者所用的超聲波系統(tǒng)可以合二為一，即水下超聲旋轉聚焦探頭既可以應用于監(jiān)測控制棒的磨損情況，又可以應用于監(jiān)測燃料棒的磨損情況（實際探頭的總數(shù)根據(jù)控制棒和燃料棒的情況而定，并合理分配各區(qū)域內(nèi)的探頭數(shù)）。需要注意的是，與控制棒一樣，在監(jiān)測燃料棒時也需要疊加燃料棒的信號和背景干擾信號來獲得最終的信號[7]，并與允許范圍比較（注意峰峰值），判斷信號異常與否，如圖4所示。

圖4燃料組件磨損監(jiān)測方法Fig.4 Monitoring method for fuel assembly wear

因為燃料棒在反應堆正常工作時一直處在堆芯吊籃的內(nèi)部，不像控制棒會經(jīng)常被提起和下降，所以，應對用于監(jiān)測控制棒的渦流系統(tǒng)做適當?shù)恼{(diào)整，即不在儀表導管或燃料棒導向管附近布置擁有穿過式線圈的探頭。此時，渦流探頭安排在反應堆堆芯吊籃內(nèi)部，和超聲波探頭一同直接對在水中工作的燃料棒進行監(jiān)測，這與升降控制棒時對控制棒進行渦流監(jiān)測的方法不同。此時，選用放置式線圈對燃料棒進行監(jiān)測，一是因為穿過式線圈無法在此處使用；二是因為放置式線圈能提高探測的靈敏度。

此外，為了使反應堆繼續(xù)運行，即便監(jiān)測發(fā)現(xiàn)燃料棒因磨損而瀕臨失效，燃料棒也不能及時被更換。因此，燃料棒磨損監(jiān)測并不能防止燃料組件失效的發(fā)生，但可記錄瀕臨失效的燃料棒位置，便于在大修期間更換和清理。

另外，燃料棒包殼的失效可能產(chǎn)生碎片，這些碎片可能留在堆芯圍板或支承板上，影響燃料棒在失效后監(jiān)測的信號數(shù)據(jù)。所以，失效發(fā)生后，工作人員要調(diào)整與實測信號比較的基準信號及誤差范圍[8]。若失效的燃料棒碎片對反應堆正常運行造成嚴重影響或巨大的安全隱患，則需執(zhí)行計劃外的停堆檢修。

2.4 蒸汽發(fā)生器傳熱管的磨損監(jiān)測

傳熱管可能的磨損形式主要有微動磨損和點蝕，而主要失效形式是裂縫和點狀微孔[9]，這些都會將含有中子的水帶入蒸汽發(fā)生器的二回路水中。因此，通過測量二回路水的中子濃度的變化可以判斷傳熱管是否破損。中子探測器的具體數(shù)量視蒸汽發(fā)生器的大小及傳熱管數(shù)量而定，探測器安置在傳熱管排布的不同區(qū)域，同一區(qū)域的不同方向均安置探測器，以提高監(jiān)測的可靠性和有效性，如圖5所示。

圖5蒸汽發(fā)生器傳熱管磨損監(jiān)測方法Fig.5 Monitoring method for steam generator tubewear

當有傳熱管因磨損而逐漸失效時，中子將進入二回路水中，中子探測器可以給出每個區(qū)域中子通量的信息，并確定濃度最高的區(qū)域為傳熱管失效的區(qū)域，但這只是按區(qū)域粗略定位?？梢允褂贸暡z測系統(tǒng)較精確地定位失效的傳熱管，工作人員在每個區(qū)域內(nèi)布置旋轉扁平超聲探頭，除了檢測傳熱管的裂縫，還可以檢測傳熱管的點蝕程度和高周疲勞程度。

由于傳熱管失效后二回路水中的中子濃度會有略微變化，因此，需要根據(jù)重新平衡后的蒸汽發(fā)生器二回路的中子濃度調(diào)整失效后監(jiān)測的基準值。另外，蒸汽發(fā)生器本身的振動會成為超聲波信號的背景干擾信號，可以安排探頭獲取蒸汽發(fā)生器的振動信號，并與測得傳熱管的信號進行反向疊加得到最終信號。

因此，蒸汽發(fā)生器傳熱管的磨損監(jiān)測由兩部分組成。先利用中子探測器粗略確定傳熱管發(fā)生磨損失效的大致范圍，再利用超聲波系統(tǒng)更精確地定位發(fā)生過度磨損的傳熱管。傳熱管在反應堆工作時也無法進行及時更換，因此，監(jiān)測系統(tǒng)并無法預防和防止傳熱管失效，但能在停堆或大修時幫助工作人員更好地進行維修工作。

3 監(jiān)測模型

為了解決核電廠主要部件的磨損監(jiān)測，本文開發(fā)了壓水反應堆堆芯部件的磨損監(jiān)測系統(tǒng)模型，其中對堆芯的燃料棒、控制棒、蒸汽發(fā)生器的傳熱管的磨損問題予以了重點關注。圖6為壓水堆堆芯部件磨損的監(jiān)測系統(tǒng)模型。

（1）先監(jiān)測吊籃的振動，再監(jiān)測燃料棒、控制棒的磨損。由于吊籃的振動會改變堆芯流道中的水流量，進而影響中子探測器和超聲波探測器的本底信號，因此，應優(yōu)先監(jiān)測吊籃的振動。另外，包殼失效產(chǎn)生的碎片可能留在堆芯圍板或支承板上，影響吊籃監(jiān)測的信號數(shù)據(jù)[5]。

（2）通過中子噪聲和在壓力容器內(nèi)部安裝加速度計，監(jiān)測系統(tǒng)可同時探測到多種類的異常振動信號，包括堆內(nèi)吊籃、控制棒、燃料棒等的振動情況，并輔助以壓力計探測，可更有效地判斷堆芯吊籃振動信號的來源。

（3）采用超聲波系統(tǒng)和渦流系統(tǒng)，監(jiān)測系統(tǒng)主要監(jiān)測燃料棒的包殼完整性、包殼與圍板間的磨損，控制棒與上堆芯板及導向管的磨損。

（4）在控制棒的末端安裝加速度計，監(jiān)測控制棒的振動情況。為了防止安裝加速度計給控制棒帶來的影響，安裝位置應呈對稱結構。

（5）監(jiān)測系統(tǒng)通過中子探測器和超聲波監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測蒸汽發(fā)生器中的傳熱管磨損情況，兩種手段配合使用能更快捷地定位發(fā)生磨損失效的傳熱管的位置。

圖6壓水堆堆芯部件磨損的監(jiān)測系統(tǒng)模型Fig.6 Monitoring system model for wear of corecomponentsof pressurized water reactor

另外，對于核電廠的往復式機械設備的磨損監(jiān)測，如主泵、控制棒驅動機械等，監(jiān)測系統(tǒng)可采用磨粒識別技術[10]。

由于從磨損到失效需要一定的時間，以上監(jiān)測方法可以在發(fā)生明顯后果之前檢測到磨損狀況，從而起到預警的作用。

4 結論

本文通過對壓水堆主要磨損問題的分析，針對不同的磨損情況，對反應堆內(nèi)主要部件設計了一套完整的監(jiān)測系統(tǒng)，對各種部件以及工況的監(jiān)測進行統(tǒng)一的控制，形成了壓水反應堆磨損監(jiān)測系統(tǒng)的模型。該模型中對于易發(fā)生磨損問題的主要部件均通過至少兩種監(jiān)測手段加以監(jiān)測，以保證監(jiān)測的有效性，同時通過不同程度的定位方法以更快找到磨損發(fā)生的位置[11]，并發(fā)出警報。綜合來說，這是一個理論上能夠從全局監(jiān)測堆芯部件的磨損問題，反映反應堆內(nèi)的磨損程度，并預防反應堆事故發(fā)生的系統(tǒng)。