廢氣監(jiān)測系統(tǒng)故障模式分析及解決策略

葉倫榮，夏善杰，劉 洋，岳民凱，畢欽思

（中核核電運行管理有限公司 維修五處，浙江 嘉興 314300）

0 引言

根據(jù)《中華人民共和國核安全法》第四十四條規(guī)定，核設施營運單位應當對其產(chǎn)生的放射性廢氣進行處理，達到國家放射性污染防治標準后，方可排放。重水堆核電廠為了確保廢氣達標排放專門設置了廢氣監(jiān)測系統(tǒng)，能夠?qū)U氣進行連續(xù)地在線監(jiān)測。當廢氣中的放射性水平達到或超過允許排放的限值時，廢氣監(jiān)測系統(tǒng)將給出報警信號，并在主控室報警，使運行人員能夠馬上采取措施停止排放廢氣。本文通過系統(tǒng)性地梳理近5年來的缺陷數(shù)量和總類，通過參照EPRI設備故障模式，針對廢氣監(jiān)測系統(tǒng)故障模式進行分析，探尋解決方法，并梳理出典型缺陷以及處理方法，以期為該系統(tǒng)運維儲備經(jīng)驗。

1 重水堆核電廠廢氣監(jiān)測系統(tǒng)原理及功能

重水堆核電廠廢氣監(jiān)測系統(tǒng)是全廠輻射監(jiān)測的重要組成部分，該系統(tǒng)對煙囪氣體排出物中的氣溶膠、碘、惰性氣體進行連續(xù)在線監(jiān)控。當廢氣中的放射性水平達到或超過允許排放的限值時，廢氣監(jiān)測系統(tǒng)將給出報警信號，并在主控室進行報警和顯示[1]。本系統(tǒng)通過C-14收集系統(tǒng)和氚收集器為實驗室定期分析提供標本，另外該系統(tǒng)在兩個機組各新增了一套備用氣溶膠、碘、惰性氣體、碳-14和氚取樣/收集裝置，在原煙囪監(jiān)測系統(tǒng)停機維修或失效導致無法保證放射性氣態(tài)流出物的取樣監(jiān)測時投運。

C-14取樣器對煙囪廢氣中的總氚、總C和無機氚、無機C進行取樣，樣品在規(guī)定時間內(nèi)送至實驗室進行分析，防止異常排放。該系統(tǒng)流程簡圖如圖1所示，當采樣氣體從煙囪取樣后分成兩路，一路進入氣溶膠過濾器、碘采集器，然后進入惰性氣體采集器，再通過氚采集器后與另一路（經(jīng)過C-14取樣器）匯合一起回到煙囪。

圖1 廢氣監(jiān)測系統(tǒng)流程Fig.1 Exhaust gas monitoring system process

圖2 NMAC調(diào)查結(jié)果Fig.2 NMAC Survey results

2 重水堆核電廠廢氣監(jiān)測系統(tǒng)設備組成

廢氣監(jiān)測系統(tǒng)主要由輻射測量回路、檢查源裝置、取樣泵、流量測量儀表、壓力測量儀表、溫度測量儀表、氣溶膠過濾器、碘過濾器、伴熱電纜、閥門等組成。輻射測量回路主要是CANBERRA公司的輻射測量儀表[2]，主要包括顯示率表、前置放大器和探頭。探頭主要是對放射性射線進行響應，將光子轉(zhuǎn)換成光電子并經(jīng)光電倍增管逐級放大后送前置放大器處理。前置放大器給探頭提供高壓，并接收探頭信號進一步放大脈沖幅度和形狀甄別，將處理后的信號送顯示率表。顯示率表接收前置放大器輸出的信號，對信號進行累積、平均和計算，再進行顯示。數(shù)據(jù)經(jīng)內(nèi)部I/O板和電源板輸出信號，送用戶接口板給主控報警和顯示，同時也給前置放大器提供工作電壓。顯示率表可以進行測試、參數(shù)設置和參數(shù)檢查，可以啟動檢查源裝置和探頭內(nèi)部的LED發(fā)光二極管測試，確認探頭晶體和整個回路電子線路工作正常，是用作系統(tǒng)的人機交互界面。

3 設備故障模式確定

EPRI（美國電力科學研究院）依據(jù)代表設備特別故障模式的故障特征數(shù)據(jù)庫來自動匹配被監(jiān)測設備的條件，提供一個匹配當前條件的可能故障模式的排名順序，根據(jù)Nuclear Maintenance Application Center的調(diào)查[3]，確定了廢氣監(jiān)測系統(tǒng)如下故障模式：

參照EPRI（美國電力科學研究院）設備故障模式，梳理出最近5年內(nèi)67883廢氣監(jiān)測系統(tǒng)共有缺陷49項，詳見表1廢氣監(jiān)測系統(tǒng)缺陷數(shù)量統(tǒng)計表（近5年）。按照缺陷原因主要分為16類缺陷，每類缺陷數(shù)量和百分比見表1。其中，取樣泵故障為頻率最高，近5年共發(fā)生過8次，占比16.33%，其次是高壓板故障、管線故障堵塞等，占比10.20%，其余諸如氣瓶異常、濾波器故障、計時器故障等也偶有發(fā)生。

表1 廢氣監(jiān)測系統(tǒng)缺陷數(shù)量統(tǒng)計表Table 1 Statistical table of defects in the exhaust gas monitoring system

4 高頻故障的解決方法

4.1 取樣泵故障處理

廢氣監(jiān)測系統(tǒng)近5年取樣泵故障次數(shù)為8次，占缺陷總數(shù)的16.33%，屬于高頻缺陷。67883-PL1477盤臺取樣泵GAST公司生產(chǎn)的1023-101Q-SG608X真空葉片泵，用于為廢氣監(jiān)測系統(tǒng)提供樣品輸送，如取樣泵停運，將影響煙囪廢氣監(jiān)測。煙囪廢氣監(jiān)測系統(tǒng)有TS（技術(shù)規(guī)格書）限制，沒有降模式要求，取樣泵設備分級為NC級（非安全級）。

通常缺陷類型有：

1）真空泵溫度過高

1023-101Q-SG608X真空葉片泵具備過熱保護，如過熱會自動停運，冷卻后會自動重新啟動。根據(jù)取樣泵運行維修手冊，取樣泵過熱的可能原因如下：進口過濾器臟、出口過濾器臟、真空/壓力管線變形坍塌，真空釋放閥設定過高，取樣泵內(nèi)存在灰塵或粉塵，電機接線錯誤，真空/壓力管線堵塞等。

如2021年10月19日，現(xiàn)場巡檢發(fā)現(xiàn)1-67883-PL1477出現(xiàn)流量低顯示，取樣泵處于停運狀態(tài)。此類缺陷將會導致系統(tǒng)不可運行，由此進入TS（技術(shù)規(guī)格書）限制?，F(xiàn)場將取樣泵拆下后在車間試驗，確定為取樣泵過熱導致取樣泵停運。最終定位為取樣泵進出口循環(huán)閥開度過小，用于防止取樣泵入口真空度過高，正常循環(huán)閥開度在1圈左右，而發(fā)生此次故障時循環(huán)閥開度在1/6圈，循環(huán)閥開度偏小會直接導致取樣泵溫度升高。

2）真空泵振動較大

正常情況下，取樣泵工作正常無異音，電機溫度為40℃左右，使用測振儀測量電機振動量，空轉(zhuǎn)狀態(tài)振動量為3.5mm/s，取樣狀態(tài)振動量為4.6mm/s。

判斷真空泵是否振動較大的方法：斷開泵進出口管線使用測振儀測量電機振動量在10mm/s～12mm/s之間波動，即可判斷為取樣泵運行異常。

可能存在的原因：取樣泵電機后部軸承處的波紋墊片斷裂，導致軸承生銹且轉(zhuǎn)動偏差，最終產(chǎn)生異音和大幅振動。

4.2 REMOTE ALARM和LEAK TEST FAIL報警

缺陷可能的原因：總C-14取樣回路干燥劑瓶內(nèi)部鼓泡砂頭堵塞，導致該取樣回路真空度過高引發(fā)REMOTE ALARM和LEAK TEST FAIL報警，有時也會伴隨出現(xiàn)設備流量報警和泵故障報警等。該鼓泡頭是孔隙為60u的金屬燒結(jié)部件，由于長期沉浸在NaOH溶液中，鼓泡頭孔隙中會存在結(jié)晶而堵塞，而且最后一個干燥瓶內(nèi)裝的硅膠顆粒在安裝的過程中會被擠碎而堵塞鼓泡頭。該取樣瓶每周更換，每次都會對鼓泡頭進行清洗，因此通過預維并不能解決真空度高的問題，特別是密封墊的縫隙，應避免結(jié)晶聚集，在運行過程中堵塞鼓泡頭，應當及時更換密封墊并清理。

4.3 重水升級塔氚/惰性氣體監(jiān)測儀故障

最近1年內(nèi)，重水升級塔氚監(jiān)測儀高壓漂移兩次，重水升級塔惰性氣體監(jiān)測儀板卡故障1次，占67883年度總?cè)毕莸?1.4%。

近幾年重水升級塔氚監(jiān)測儀故障率較高，主要是高壓板不穩(wěn)定造成數(shù)據(jù)漂移，設備為重要設備，沒有技術(shù)規(guī)格書限制。

按照EPRI（美國電力科學研究院）：1007909區(qū)域和工藝放射性監(jiān)督系統(tǒng)指南[4]，對于板卡通常一般不維修，直接更換，廠家手冊中也沒有相關(guān)要求。由于設備已經(jīng)運行將近20年，部件日趨老化，后續(xù)建議對設備進行變更，確保重水升級塔氚、惰性氣體監(jiān)測儀可靠穩(wěn)定運行。

后續(xù)措施：對重水升級塔氚/惰性氣體監(jiān)測儀進行變更，確保設備可靠穩(wěn)定運行。

4.4 C-14取樣器故障

最近幾年內(nèi)，C-14取樣器出現(xiàn)3次故障，分別是取樣瓶鼓泡頭堵塞，溫度控制器老化故障和計時器電池失效，占67883年度總?cè)毕莸?1.4%。

溫度控制器和計時器電池失效均屬于老化故障，設備運行將近20年才出現(xiàn)1次，不需要增加預維，可以考慮更換新的備件，而廠家手冊中也沒有相關(guān)要求[5]。目前無備件，需要進行采購。

2022年曾出現(xiàn)無機C回路干燥劑瓶內(nèi)部鼓泡頭堵塞現(xiàn)象，取樣瓶鼓泡頭堵塞主要集中在硅膠瓶內(nèi)的鼓泡頭，主要是硅膠粉末進入鼓泡頭造成堵塞，對鼓泡頭進行清洗后，設備通常能夠恢復正常。設備為重要設備，涉及流出物排放，有技術(shù)規(guī)格書限制。

后續(xù)措施：目前已對取樣瓶進行國產(chǎn)化升級。取樣瓶國產(chǎn)化升級實施后，能夠有效減少C-14取樣器故障的缺陷，避免進入技術(shù)規(guī)格書限制。溫度控制器無備件，需要采購，計時器無備件，廠家反饋停產(chǎn)，已進行物項替代，經(jīng)過物項替代后，設備可靠性明顯提升。

4.5 煙囪流量傳感器擾動故障

該系統(tǒng)流量傳感器包括霍尼韋爾質(zhì)量流量傳感器和MT86熱擴散式質(zhì)量流量計。最近5年內(nèi)，67883煙囪廢氣監(jiān)測系統(tǒng)流量傳感器故障3次，占67883年度總?cè)毕莸?.12%。其中，包括廢物暫存庫氚取樣器回路倒吸，導致流量傳感器故障。該流量傳感器是霍尼韋爾質(zhì)量流量傳感器，一般不會出現(xiàn)故障，但如果傳感器內(nèi)進水和雜質(zhì)，傳感器就不能正常測量，影響到流量計的正常功能。缺陷的原因是回路倒吸造成質(zhì)量流量傳感器進水，從而無法測量。回路倒吸主要是氚取樣入口管路負壓過大，超出了氚取樣泵正常工作壓力范圍。通過更改氚取樣器入口管路，使其不共用管線，從而能夠解決回路倒吸的問題，徹底杜絕流量傳感器進水。

此外，該系統(tǒng)煙囪還有1臺FCI公司生產(chǎn)的MT86熱擴散式質(zhì)量流量計[6]，主要用于廢氣監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測煙囪流量，流量傳感器安裝在室外煙囪上，屬于戶外設備。流量變送器輸出信號，用于累積活度計算、報警和取樣流量等速控制。煙囪流量波動的可能原因有：煙囪流量計故障、外界環(huán)境干擾，如雷電干擾等。如2021年8月11日23時，發(fā)現(xiàn)煙囪排風流量AI0551上下大幅波動，缺陷導致67883系統(tǒng)讀數(shù)不可信。缺陷的處理方式：首先是對流量計進行檢查，確認無故障，輸出偏差在正常范圍內(nèi)；其次是雖然煙囪流量計位于室內(nèi)房間，環(huán)境良好，但由于流量傳感器位于室外煙囪高段位置，容易受到環(huán)境影響，需確認外界環(huán)境干擾。經(jīng)查詢天氣，當晚存在雷電，雷電影響不能排除。選取室外雷電天氣時間段，經(jīng)過復現(xiàn)觀察到AI0551開始波動，持續(xù)15min，可以確定煙囪流量受到雷電影響，雷電影響比較復雜，暫無良好預防手段，需要在雷雨天氣格外注意該系統(tǒng)運行狀況，提前安排人員響應。

5 總結(jié)

參照EPRI（美國電力科學研究院）代表設備特別故障模式的故障特征數(shù)據(jù)庫，本文對廢氣監(jiān)測系統(tǒng)近5年缺陷數(shù)據(jù)進行了系統(tǒng)性梳理和分析，找到了頻繁出現(xiàn)缺陷的薄弱環(huán)節(jié)，給設備的運維和管控提供了參考依據(jù)，有助于系統(tǒng)可靠性提升。針對高頻設備缺陷，如真空泵溫度過高、真空泵振動較大、REMOTE ALARM和 LEAK TEST FAIL報警、重水升級塔氚/惰性氣體監(jiān)測儀故障、C-14取樣器故障、煙囪流量傳感器擾動故障等高頻故障進行梳理分析，并對應提出了解決對策，對同類型設備的運維具有指導意義。