堆芯中子通量測(cè)量系統(tǒng)指套管磨損分布規(guī)律及處理準(zhǔn)則優(yōu)化研究

蔡振，梅金娜，王鵬，遆文新

（蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004）

堆芯中子通量測(cè)量系統(tǒng)指套管是核電站反應(yīng)堆堆芯中子通量測(cè)量系統(tǒng)的重要組成部分，是移動(dòng)式微型裂變室的通道，其外壁與反應(yīng)堆冷卻劑直接接觸，屬于一回路壓力邊界。指套管直徑小且尺寸較長(zhǎng)，導(dǎo)致剛度較低，在服役過(guò)程中，冷卻劑誘發(fā)振動(dòng)導(dǎo)致其與導(dǎo)向管管口之間產(chǎn)生摩擦，進(jìn)而發(fā)生磨損乃至破損，帶來(lái)一回路冷卻劑泄漏的風(fēng)險(xiǎn)，影響核電站的安全運(yùn)行。20世紀(jì)80年代起，美國(guó)、法國(guó)等國(guó)家的核電站相繼出現(xiàn)了指套管泄漏問(wèn)題。1988年3月，美國(guó)核管理委員會(huì)（NRC）發(fā)布87-44通告，指出美國(guó)西屋公司設(shè)計(jì)的核反應(yīng)堆存在指套管磨損問(wèn)題。為應(yīng)對(duì)該問(wèn)題，NRC于1988年7月發(fā)布了88-09通告，要求各核電站建立并執(zhí)行指套管檢查大綱，對(duì)指套管進(jìn)行周期性檢查，確保指套管的完整性。檢查大綱需包括檢查頻率、檢查方法、處理準(zhǔn)則等內(nèi)容。業(yè)界通常使用渦流檢測(cè)方法檢測(cè)指套管磨損深度。我國(guó)核電站參考美國(guó)、法國(guó)等國(guó)的做法管理指套管磨損問(wèn)題，定期檢測(cè)指套管磨損狀態(tài)。近些年，我國(guó)核電站，尤其是自主建設(shè)的核電站指套管磨損問(wèn)題日益凸顯，指套管異常磨損事件頻發(fā)。因此，有必要研究指套管磨損分布規(guī)律和磨損形貌特點(diǎn)，結(jié)合指套管導(dǎo)向管結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析指套管磨損原因，為優(yōu)化指套管磨損處理準(zhǔn)則提供指導(dǎo)。

1 堆芯中子通量測(cè)量系統(tǒng)[15-16]

堆芯中子通量測(cè)量系統(tǒng)包括控制監(jiān)測(cè)柜、分配柜和測(cè)量通道設(shè)備等。該系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)裝置、組選擇器和路選擇器構(gòu)成的機(jī)械組件驅(qū)動(dòng)中子探頭進(jìn)行中子注量率測(cè)量；由安裝在堆芯測(cè)量室的分配柜實(shí)現(xiàn)控制設(shè)備和機(jī)械組件之間的接口。在核反應(yīng)堆正常運(yùn)行期間，堆芯中子通量測(cè)量系統(tǒng)間斷工作，至少每隔30個(gè)等效滿(mǎn)功率天啟用一次。

堆芯中子通量測(cè)量通道由50個(gè)通道組成，分成5組，每組10個(gè)通道，每組配備1只微型裂變室，共5只微型裂變室，各由1臺(tái)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)將微型裂變室從起點(diǎn)沿置于導(dǎo)向管內(nèi)的指套管插入堆芯頂部，再均勻下降，與此同時(shí)，通量測(cè)量電路測(cè)出微型裂變室的輸出電流。當(dāng)微型裂變室達(dá)到堆芯底部時(shí)，測(cè)量停止。此時(shí)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)再將微型裂變室抽回起點(diǎn)，接著將微型裂變室再插入第2個(gè)通道進(jìn)行測(cè)量，直至全部測(cè)完該組10個(gè)通道為止。堆芯中子通量測(cè)量系統(tǒng)共有50根指套管，其長(zhǎng)度為13~17 m不等。指套管外徑為8.6 mm，內(nèi)徑為5.2 mm，最小壁厚為1.65 mm，材料為Z5CND17-12（加工硬化）。指套管導(dǎo)向通道布置如圖1所示，核反應(yīng)堆裝料后，指套管依次經(jīng)過(guò)自動(dòng)閥、逆止閥、密封組件、手動(dòng)閥、貫穿件后，沿導(dǎo)向通道進(jìn)入反應(yīng)堆壓力容器。導(dǎo)向通道自下而上依次為堆芯中子通量測(cè)量導(dǎo)向管、反應(yīng)堆壓力容器導(dǎo)向管、堆內(nèi)構(gòu)件支撐柱組件導(dǎo)向管、燃料組件儀表導(dǎo)向管，如圖2所示。

圖1 指套管導(dǎo)向通道布置Fig.1 Arrangement of thimble tube guide card

圖2 指套管磨損位置分布Fig.2 Distribution of thimble tube wear

2 指套管磨損機(jī)理分析

指套管全長(zhǎng)度范圍內(nèi)，僅在密封組件處有一處固定約束，其余位置均無(wú)固定約束。反應(yīng)堆壓力容器內(nèi)部的導(dǎo)向通道由多個(gè)不連續(xù)段組成，導(dǎo)致指套管與反應(yīng)堆冷卻劑直接接觸。在機(jī)組運(yùn)行期間，反應(yīng)堆冷卻劑流經(jīng)指套管外側(cè)，誘發(fā)指套管產(chǎn)生數(shù)十微米振幅的流致振動(dòng)。指套管在導(dǎo)向通道變徑位置存在表面上的微凸體粘著，粘著點(diǎn)被小振幅振動(dòng)剪斷形成磨屑，磨屑在冷卻劑作用下被腐蝕，形成腐蝕顆粒。腐蝕顆粒具有研磨性，在后續(xù)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)中對(duì)基體材料持續(xù)產(chǎn)生磨損。基體材料發(fā)生磨損后露出的新表面又會(huì)受到冷卻劑的腐蝕作用。在機(jī)械磨損和冷卻劑腐蝕的共同作用下，指套管發(fā)生體積損失，最終形成磨損缺陷。

磨損的萌生和發(fā)展特征與導(dǎo)向通道位置，指套管與導(dǎo)向通道的間隙，流體的速度、方向等有關(guān)。磨損引起的材料損失會(huì)降低指套管的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，當(dāng)磨損到一定程度時(shí)，將不能滿(mǎn)足指套管抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求，磨損處發(fā)生外壓擠毀失效的概率大幅提升，進(jìn)而導(dǎo)致指套管發(fā)生形變甚至泄漏。其中，形變會(huì)導(dǎo)致微型裂變室無(wú)法通過(guò)指套管，造成相應(yīng)的堆芯中子通量測(cè)量通道不可用；泄漏則會(huì)污染10路轉(zhuǎn)換器，導(dǎo)致10路轉(zhuǎn)換器及其所有相連的堆芯中子通量測(cè)量通道不可用。此外，若在流致振動(dòng)作用下指套管在磨損處發(fā)生斷裂，形成內(nèi)部脫落件，將危及反應(yīng)堆安全，導(dǎo)致核電站非計(jì)劃停堆，造成重大損失。

3 指套管磨損分布規(guī)律分析

某核電站某機(jī)組指套管磨損分布3D散點(diǎn)圖如圖3所示，表明了指套管磨損位置在三維空間的分布。三維坐標(biāo)代表磨損位置，軸自上而下依次代表P1—P5的5個(gè)磨損位置，如圖2所示。P1為下堆芯板上表面位置，P2為堆芯支撐板上表面位置，P3為堆芯支撐板下表面位置，P4為堆芯支撐柱與格架板連接處，P5為堆芯支撐柱與反應(yīng)堆壓力容器中子測(cè)量管座連接處；軸和軸代表指套管對(duì)應(yīng)的堆芯位置編碼；散點(diǎn)顏色代表磨損深度?？梢钥闯觯柑坠苣p發(fā)生在導(dǎo)向通道內(nèi)徑改變處，主要集中在P1和P4兩處，其中P1位置磨損數(shù)量最多，P4位置磨損次數(shù)次之，P2、P3和P5位置磨損數(shù)量較少。國(guó)內(nèi)數(shù)十臺(tái)機(jī)組百余次大修的指套管P1—P5位置磨損渦流檢查次數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1，進(jìn)一步驗(yàn)證了上述結(jié)論。進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，磨損位置對(duì)應(yīng)的堆芯坐標(biāo)分散，散點(diǎn)顏色在堆芯位置內(nèi)隨機(jī)分布，說(shuō)明磨損位置和深度在指套管堆芯位置上無(wú)明顯分布規(guī)律。

圖3 某機(jī)組指套管磨損分布3D散點(diǎn)圖Fig.3 3D scatterplot of thimble tube wear distribution of a unit

表1 P1—P5位置指套管磨損渦流檢查結(jié)果Tab.1 Wear numbers of thimble tube at Point 1—Point 5

相較于磨損次數(shù)，因磨損導(dǎo)致的指套管維修次數(shù)更能反映出指套管磨損對(duì)于核電站運(yùn)維的影響，此處維修是指指套管割管移位、堵管或更換等大修期間執(zhí)行的維修活動(dòng)。國(guó)內(nèi)某些機(jī)組共123次大修中實(shí)施指套管維修的次數(shù)統(tǒng)計(jì)如圖4所示，共計(jì)238次，主要集中在P1位置，占比高達(dá)76.9%，P4位置次之，占比為19.8%，P2、P3和P5位置維修次數(shù)較少，合計(jì)占比僅為3.3%。

圖4 國(guó)內(nèi)機(jī)組指套管維修次數(shù)Fig.4 Repair times of thimble tube of China NPPs

4 指套管磨損原因分析

上述分析結(jié)果顯示，指套管磨損區(qū)域主要集中在P1和P4位置，因此重點(diǎn)對(duì)P1和P4處的磨損原因進(jìn)行分析。

指套管經(jīng)過(guò)P1位置示意如圖5所示，P1位置位于下堆芯板上表面，為燃料組件支撐板指套管出口處。該位置有部分指套管暴露在反應(yīng)堆冷卻劑中（見(jiàn)圖5中圓圈位置處），將直接受到反應(yīng)堆冷卻劑強(qiáng)烈的垂直于軸向的橫向流沖刷作用。燃料組件儀表導(dǎo)向管的內(nèi)徑為12.45 mm，略小于二次支撐及儀表套管組件在靠近沖刷位置的內(nèi)徑13.84 mm，即該位置導(dǎo)向通道存在變徑。指套管與燃料組件儀表導(dǎo)向管的單邊縫隙僅為1.93 mm，小于其與二次支撐及儀表套管組件在靠近沖刷位置的單邊間隙2.62 mm。因此，磨損位置理論上應(yīng)靠近燃料組件儀表導(dǎo)向管出口處。由于冷卻劑的沖刷方向垂直于指套管軸向，且指套管受沖刷面積較小，因此指套管在此處發(fā)生方向隨機(jī)的高頻低幅振動(dòng)，與燃料組件儀表導(dǎo)向管內(nèi)壁發(fā)生摩擦磨損。典型的P1位置處指套管磨損視頻檢查結(jié)果見(jiàn)圖6，呈現(xiàn)出寬度約幾毫米的環(huán)槽形磨痕特征。

圖5 指套管經(jīng)過(guò)P1位置示意Fig.5 Darwing of thimble tube at Point 1

圖6 指套管在P1位置的磨損形貌Fig.6 Wear profile of thimble tube at Point 1

指套管經(jīng)過(guò)P4位置示意圖見(jiàn)圖7，P4位置位于堆芯支撐柱與格架板連接處，為二次支撐柱指套管入口處節(jié)點(diǎn)。該位置呈現(xiàn)明顯的變徑特征，指套管在此處通過(guò)時(shí)，形成懸臂梁結(jié)構(gòu)，容易在流體擾動(dòng)作用下與導(dǎo)向通道發(fā)生碰磨。同時(shí)，該處幾何結(jié)構(gòu)類(lèi)似于噴嘴，根據(jù)流體力學(xué)節(jié)流原理，冷卻劑流經(jīng)此處時(shí)流速變化快，流場(chǎng)變化復(fù)雜，加劇了指套管流體誘發(fā)振動(dòng)的現(xiàn)象。與P1位置不同，P4位置的冷卻劑沖刷方向并非垂直于指套管的軸向，而是與指套管軸向形成較小的角度（＜45°），且指套管受沖刷的面積較大，因此產(chǎn)生的沖刷應(yīng)力在理論上較P1位置小。由于P4位置導(dǎo)向管內(nèi)徑（15.24~50.80 mm）顯著大于P1位置的導(dǎo)向管內(nèi)徑（12.45 mm），因此，指套管有更大的變形空間，易發(fā)生低頻高振幅的振動(dòng)，導(dǎo)致指套管在較長(zhǎng)軸向長(zhǎng)度范圍內(nèi)發(fā)生磨損。典型的P4位置處指套管磨損視頻檢查結(jié)果如圖8所示，呈現(xiàn)出寬度約數(shù)十毫米的楔形磨痕特征，磨痕寬度顯著大于P1位置。

圖7 指套管經(jīng)過(guò)P4位置示意Fig.7 Darwing of thimble tube at Point 4

圖8 指套管在P4位置的磨損形貌Fig.8 Wear profile of thimble tube at Point 4

5 指套管磨損處理準(zhǔn)則優(yōu)化建議

國(guó)內(nèi)機(jī)組針對(duì)指套管磨損問(wèn)題的處理，一直參考國(guó)外做法，國(guó)內(nèi)電廠使用的典型的指套管磨損處理準(zhǔn)則見(jiàn)表2。以渦流檢測(cè)指套管磨損深度為標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)磨損深度達(dá)到[0%, 50%]，為記錄缺陷，無(wú)需采取糾正行動(dòng)；當(dāng)磨損深度達(dá)到(50%, 100%]，為超標(biāo)缺陷，需根據(jù)磨損深度采取不同的行動(dòng)。磨損深度達(dá)到(50%, 65%]時(shí)，進(jìn)行割管移位處理，每次移位長(zhǎng)度為40~45 mm；當(dāng)割管移位2次或磨損深度達(dá)到(65%,100%]進(jìn)行通道封堵或更換。

表2 指套管磨損處理準(zhǔn)則Tab.2 Wear criterion of thimble tube

目前采用的磨損處理準(zhǔn)則只將磨損深度作為依據(jù)，尚未將磨損缺陷寬度考慮在內(nèi)，也沒(méi)有區(qū)分磨損位置。文中通過(guò)分析磨損分布規(guī)律和磨損形貌發(fā)現(xiàn)，P1位置和P4位置指套管磨損最為嚴(yán)重，且磨痕的幾何形態(tài)存在顯著差別，分別為幾毫米寬的環(huán)槽形磨痕和數(shù)十毫米寬的楔形磨痕。目前業(yè)界已開(kāi)展了針對(duì)指套管磨損缺陷長(zhǎng)度分析的相關(guān)研究工作，初步具備了針對(duì)兩類(lèi)磨損缺陷分別建立相應(yīng)處理準(zhǔn)則的基本條件，后續(xù)有必要進(jìn)一步開(kāi)展深入的研究，建立區(qū)分P1位置和P4位置的磨損處理準(zhǔn)則，使指套管的磨損維修處理更有針對(duì)性，保證指套管服役安全，并延長(zhǎng)指套管的服役壽命，提高電廠運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

6 結(jié)論

1）指套管磨損位置主要集中在P1位置和P4位置，由特殊的流場(chǎng)分布和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)導(dǎo)致。

2）指套管在P1位置發(fā)生高頻低振幅的微動(dòng)磨損行為，易產(chǎn)生較窄的環(huán)槽形磨損缺陷；在P4位置發(fā)生低頻高振幅的微動(dòng)磨損行為，易產(chǎn)生較寬的楔形磨損缺陷。

3）有必要分別建立針對(duì)P1位置和P4位置的磨損處理準(zhǔn)則，使指套管的磨損維修處理更有針對(duì)性，提升電廠運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。