VVER機(jī)組松脫部件監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計差異及功能驗證探究

宋雨珂

摘? 要：在核電站生產(chǎn)運(yùn)行中，VVER機(jī)組松脫部件監(jiān)測系統(tǒng)可以分析生產(chǎn)設(shè)備零件的穩(wěn)定性和完全性，避免設(shè)備零件發(fā)生脫落意外。本文以某核電站水能高反應(yīng)堆（VVER）機(jī)組松脫部件檢測系統(tǒng)為研究對象，探討了該設(shè)備的設(shè)計以及結(jié)構(gòu)的組成，對應(yīng)了現(xiàn)有的運(yùn)用規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)和限制條款，提出了優(yōu)化VVER機(jī)組松脫部件監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計的措施建議，希望能夠為對應(yīng)的工業(yè)生產(chǎn)單位提供參考借鑒。

關(guān)鍵詞：VVER機(jī)組? 松脫部件? 監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計? 功能驗證

中圖分類號：TM62 ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2021）01（b）-0040-03

On Design Difference and Function Verification of VVER Loose Parts Monitoring System

SONG Yuke

（CNNC Zhongyuan International Engineering Co.， Ltd.， Shanghai， 200234 China）

Abstract： In the production and operation of nuclear power plant， the monitoring system of loose parts of VVER unit can analyze the stability and completeness of production equipment parts， and avoid the accident of equipment parts falling off. This paper takes the loose parts detection system of a nuclear power high reactor （VVER） unit as the research object， discusses the design and structure composition of the equipment， corresponding to the existing application standards and restrictions， and puts forward measures and suggestions for optimizing the design of the loose parts monitoring system of VVER unit， hoping to provide reference for the corresponding industrial production units.

Key Words： VVER unit; Loose parts; Monitoring system design; Function verification

核能是世界最新的能源，隨著人類對核能的不斷探索，與之相應(yīng)的和核反應(yīng)技術(shù)也在不斷優(yōu)化和升級。但是，隨著核反應(yīng)堆的運(yùn)行年限增加，內(nèi)部零部件也需要及時檢修更換，若處理不到位，長期忽視隱患而增加使用量，反而會影響整個支架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，直接導(dǎo)致零部件如螺釘和銷釘松動、脫落等問題;安裝人員若沒有加強(qiáng)警惕，也可能倒置外來物件遺落在反應(yīng)堆主回路中，這些問題都可能導(dǎo)致反應(yīng)運(yùn)行，如干擾冷卻劑系統(tǒng)穩(wěn)定性。針對此，不少核電站都安裝有脫落部件檢測系統(tǒng)，預(yù)防對能源生產(chǎn)造成隱患。

本次研究的某核電站一期、其水-水高能反應(yīng)堆（VVER）都安裝有LPMS系統(tǒng)，并設(shè)置有初步安全分析、預(yù)評審研究以及審評處理系統(tǒng)。判斷脫落問題時候，出現(xiàn)了機(jī)組中的LPMS系統(tǒng)以及 RG1.133 要求評審差異性問題，現(xiàn)分析兩個機(jī)組的設(shè)計特點以及差異性，并對機(jī)組進(jìn)行補(bǔ)充試驗，分析VVER機(jī)組松脫部件監(jiān)測系統(tǒng)功能性。

1? 分析VVER機(jī)組松脫部件監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和RG1.133 要求的差異性

1.1 機(jī)組松脫部件檢測系統(tǒng)特點

結(jié)合國核電站生產(chǎn)的相關(guān)規(guī)范要求，核電站需要設(shè)置預(yù)防回路設(shè)備收到外來件的破壞裝置，即為核電站松脫部件檢測系統(tǒng)，也被業(yè)內(nèi)簡稱為KIR系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實時反映核電站反應(yīng)堆內(nèi)部如蒸汽發(fā)生器、壓力容器的部件可能發(fā)生的松脫傾向，若出現(xiàn)了不穩(wěn)固問題，該裝置就會發(fā)出報警信號，提升技術(shù)人員及時對現(xiàn)場問題分析診斷，內(nèi)部系統(tǒng)也會自動判定報警的性質(zhì)，如松脫件、松動件，或是設(shè)備振動干擾，這也能夠為檢修工作提供科學(xué)的指導(dǎo)意見。值得注意的是，松動件監(jiān)測系統(tǒng)作為檢測和診斷反應(yīng)堆內(nèi)部金屬零部件松動和脫落的系統(tǒng)，可以在長期輻射或者是高溫環(huán)境下檢測組件運(yùn)動狀態(tài)，能夠精準(zhǔn)判斷設(shè)備發(fā)生松脫件脫落問題。

1.2 松脫部件監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

某核電站的3、4號機(jī)組松脫部件監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)置有20個壓電加速傳感器，生產(chǎn)時候，可表示松脫件脫落速度和電荷信號的加速度成正比，且每個環(huán)路上都安裝有傳感器、脈沖錘，以此來模擬松脫件撞擊系統(tǒng)管道產(chǎn)生信號。在該系統(tǒng)中，事件監(jiān)測單元可通過通道測量了解噪聲幅值有效值，并對其閾值計算，得到信息分析結(jié)果，若發(fā)現(xiàn)有效值響應(yīng)幅值大于相對報警閾值;相對報警閾值大于絕對報警閾值時候，表示系統(tǒng)出現(xiàn)了松脫件事件。

1.3 LPMS 系統(tǒng)與 RG1.133 差異性

針對清水反應(yīng)堆回路的松脫部件監(jiān)測系統(tǒng)，美國核管會制定的RG1.133明確要求了壓力傳感器覆蓋的監(jiān)測范圍，如必須要位于自然收集的區(qū)域（壓力容器封頭位置），需要保證能夠檢測到?jīng)_擊能0.68J以內(nèi)的松動部件。本核電站的松脫部件監(jiān)測系統(tǒng)綜合考慮了 RG1.133設(shè)計要求，在系統(tǒng)靈敏性（松動部件如沖擊力檢測大于小于0.68J）;信息覆蓋范圍（傳感器安置在主管道、蒸汽發(fā)生器、主容器殼體）;檢測部件更換后，在設(shè)備服役期限內(nèi)依舊能夠滿足 RG1.133的需求。雖然以上有共同性，但是 RG1.133標(biāo)準(zhǔn)下，本核電站的松脫部件監(jiān)測系統(tǒng)在以下幾點還存在差異，這主要是該核電站特殊的反應(yīng)堆以及支撐結(jié)構(gòu)形式所影響。首先，反應(yīng)堆壓力容器底部沒有儀表貫穿全部系統(tǒng)，整個反應(yīng)器底封頭設(shè)計有待優(yōu)化;反應(yīng)堆吊籃下結(jié)構(gòu)多是焊接方式，避免了松脫件問題;該系統(tǒng)設(shè)置了堆芯熔融物捕集器，可及時收集冷卻變形的壓力容器融化材料，冷卻變形的堆芯，并避免放射性影響周圍環(huán)境，在主體組裝以及反應(yīng)堆豎井運(yùn)行中有應(yīng)用價值。

2? VVER機(jī)組松脫部件監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計差異下存在的功能性風(fēng)險

結(jié)合 VVER 堆型的結(jié)構(gòu)特點，若要在反應(yīng)堆壓力容器底部安裝松脫件監(jiān)測傳感器，以上可知，要將反應(yīng)堆豎井的結(jié)構(gòu)變成開放式的結(jié)構(gòu)，必須要增設(shè)專用通道，及時運(yùn)出拆除件，并保證工作人員的正常運(yùn)作，這也存在很多一定功能性運(yùn)用風(fēng)險。

2.1 增加放射物外泄

若破壞了整個反應(yīng)堆堆芯捕集器結(jié)構(gòu)、會直接影響其后期的熔融密封性、強(qiáng)度以及控制能力，會增加放射性物質(zhì)外泄的風(fēng)險。

2.2 阻塞部分通風(fēng)孔道爆炸問題

若堵塞了部分通風(fēng)孔道，會增加水蒸氣和空氣的聚集密度，在封閉的空間內(nèi)，極易導(dǎo)致局部氫氣濃度超過極限值，嚴(yán)重時候會引起爆炸問題。

2.3 安全風(fēng)險

在商業(yè)運(yùn)輸期間加大傳感器的維護(hù)期限，會增加設(shè)備表面的接觸頻率，增加操作人員的照射、安全風(fēng)險。

2.4 冷區(qū)熔融物導(dǎo)致失水問題

若采用冷卻熔融物硼水會帶來失水的風(fēng)險，這些物質(zhì)可能通過豎井預(yù)留的人員/設(shè)備發(fā)生泄漏問題，進(jìn)而帶來失水的問題。此外，在后期反應(yīng)堆處理時候也要增設(shè)電纜管道，也可增加失水風(fēng)險。

綜上所述，針對該核電站反應(yīng)堆壓力容器的布置問題，堆芯捕集器設(shè)置需要考慮多方面的因素，若沒有處理得當(dāng)，可能會增加反應(yīng)堆壓力底部松動問題，也會限制傳感器的應(yīng)用質(zhì)量，最終影響熔融物熔穿反應(yīng)堆風(fēng)險。

3? 對于松脫部件監(jiān)測系統(tǒng)的補(bǔ)充功能驗證

松脫部件屬于核電站檢測松脫件存在的必要系統(tǒng)之一，除開分析系統(tǒng)中的構(gòu)件基本狀態(tài)，判斷其基本回路和運(yùn)作方式，松脫部件和振動監(jiān)測系統(tǒng)可還能夠分析反應(yīng)堆冷卻是偶存在的松動以及脫落部件問題。經(jīng)過研究分析可知，目前回路系統(tǒng)中的松脫件主要有兩大來源，首先是緊固件發(fā)生了脫落或斷裂，另一種是檢修人員在安裝、維修或者是更換材料時候造成了部件之間的碰撞，因此發(fā)生脫落問題。以上可知，本站點的VVER機(jī)組松脫部件監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計和美國 RG1.133存在差異，現(xiàn)對現(xiàn)存脫部件監(jiān)測系統(tǒng)的補(bǔ)充功能進(jìn)行驗證分析。

3.1 確定試驗方案

考慮到核電站VVER機(jī)組所對應(yīng)LPMS系統(tǒng)無法完全符合導(dǎo)則文件中有關(guān)反應(yīng)堆下封頭布置松脫件傳感器裝置的要求，因此必須通過沿壓力容器裝置進(jìn)出口主管道四個傳感器裝置的方式實現(xiàn)對反應(yīng)堆壓力容器裝置下封頭松脫件的科學(xué)性檢測。為進(jìn)一步驗證LPMS系統(tǒng)是否能夠?qū)毫θ萜餮b置底部的的所觸發(fā)的規(guī)定能量區(qū)間內(nèi)撞擊信號進(jìn)行可靠探測，在針對3#機(jī)組進(jìn)行調(diào)試的過程當(dāng)中，通過引入設(shè)計實驗方案的方式，對LPMS系統(tǒng)進(jìn)行功能補(bǔ)充實驗驗證。實驗期間，需要確保壓力容器裝置內(nèi)部所有介質(zhì)處于充分排空的狀態(tài)下，并選用規(guī)格不同的鋼球的對壓力容器裝置底部內(nèi)壁進(jìn)行自由落體式撞擊，提供0.68J以上沖擊能，從而對反應(yīng)堆周邊所布置四個傳感器裝置是否能夠?qū)λ擅摷盘栠M(jìn)行可靠探測進(jìn)行檢驗，以滿足對撞擊事件進(jìn)行識別與記錄的目的。為確保LPMS系統(tǒng)功能補(bǔ)充實驗驗證所得到結(jié)果的可靠性與真實性，每次操作均重復(fù)進(jìn)行5次。

因此，設(shè)計實驗?zāi)康募捌浞桨溉缦拢横槍z測反應(yīng)堆壓力容器和系統(tǒng)的內(nèi)部構(gòu)件特征分析，本次設(shè)計針對核電站機(jī)組不滿足美國 RG1.133在反應(yīng)堆下封頭布置松脫部件感應(yīng)器的問題進(jìn)行試驗分析，在壓力容器進(jìn)出口管道設(shè)置了4個傳感器，以此來驗證該系統(tǒng)是否能夠探測壓力容器的底部能量范圍的撞擊信號。在整個調(diào)試時間，多通過實驗設(shè)計的方法進(jìn)行了能量補(bǔ)充驗證試驗。實驗中排空壓力容器中的所有介質(zhì)都需要從不同的高度下垂直下落，采用自由落體的方式來沖擊壓力容器底部內(nèi)部，提供大于測定范圍的（0.68J）沖擊能。每一個高度重復(fù)5次。

估測保守情況下，鋼球可以滿足0.68J的沖擊能（高度h=0.68/（質(zhì)量m×重力加速度g）。經(jīng)過計算測驗得到結(jié)果如表1所示。

3.2 實驗結(jié)果分析

本次實驗分析了系統(tǒng)各個檢測通道的本底噪聲信號，可觀察VVER機(jī)組松脫部件監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行情況，研究表示，壓力容器中進(jìn)出口有4個傳感器檢測到了0.68J的樁基信息，系統(tǒng)并精確識別、記錄撞擊事件，且試驗表示機(jī)組在靜態(tài)時候，本底噪音不明顯，當(dāng)整個機(jī)組進(jìn)入到了運(yùn)行狀態(tài)，機(jī)組的本底噪音隨之增大。經(jīng)過對比參照后，機(jī)組進(jìn)入功率運(yùn)行時候，若發(fā)生大于0.68J的撞擊事件，該系統(tǒng)完全可以捕捉、記錄撞擊事件。

4? 結(jié)語

綜上所述，通過分析VVER機(jī)組芯捕集器結(jié)構(gòu)和反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)的影響，采用底部封頭的處理方式不滿足核電站生產(chǎn)運(yùn)行。因為該站的VVER機(jī)組松脫部件監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計在壓力容器底部依賴傳感器，但是沒有合適的設(shè)備保證其檢測精度，整個檢測結(jié)果也不滿足 RG1.133 的傳感靈敏度要求。本次研究對VVER機(jī)組松脫部件監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行了補(bǔ)充試驗研究，驗證結(jié)果表明，該機(jī)組通過連接壓力容器進(jìn)出口管道的多個傳感器，可以控制對閾因子保持2以上的極限值，并能夠探測壓力容器的底部能量，保證其大于0.68J，該結(jié)果表示，站點的功能可滿足壓力容器松脫件監(jiān)測的基本要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 焦龍，朱健，徐慶越，等.國內(nèi)某M310機(jī)組松脫部件和震動監(jiān)測系統(tǒng)的安裝調(diào)試[J].儀器儀表用戶， 2020，27（7）：40-44.

[2] 簡捷，羅婷，劉才學(xué)，等.核電廠松脫部件報警案例分析[J].核動力工程， 2020，41（2）：198-202.

[3] 朱軍，周正平，劉文超.VVER機(jī)組松脫部件監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計差異及功能驗證[J].核動力工程， 2018，39（5）：117-121.

[4] 王澤鳴.VVER-1000偏環(huán)運(yùn)行蒸汽發(fā)生器換熱特性數(shù)值模擬研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2016.

[5] 崔孝斌.VVER渦流導(dǎo)熱管管道圓圖像定位算法技術(shù)研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2019.

[6] 侯炳君，趙鴻翮，溫晉愛，等.VVER機(jī)組商運(yùn)后的氚劑量監(jiān)測與評價[J].中國輻射衛(wèi)生，2019，28（6）：671-676.