橋架傾斜儀探頭失效分析及改造

張 泰，周建平，靳瀚博

（中核核電運行管理有限公司，浙江嘉興 314300）

0 引言

秦山第三核電廠從加拿大引進(jìn)的70 萬級重水堆機(jī)組，具有不停堆換料的特點，實現(xiàn)該功能的核心部件為裝卸料機(jī)。通過Y 方向運動，橋架系統(tǒng)將裝卸料機(jī)定位到不同高度的反應(yīng)堆通道上完成換料操作。橋架位于不可達(dá)區(qū)域，其正常工作的條件之一是不能傾斜，因此在橋架上安裝了一個傾斜探頭來監(jiān)測其水平狀態(tài)。經(jīng)統(tǒng)計，單臺機(jī)組每年因探頭輸出信號漂移引起的維修工作超過10 次。探頭的測量傾角范圍為±2°，對應(yīng)輸出電壓±2.0 VDC。輸出電壓通過主控室中的信號調(diào)整單元進(jìn)行處理計算，達(dá)到設(shè)定值即報警，進(jìn)而中斷橋架的運行。橋架在完成水平測量調(diào)整后，探頭的輸出信號被設(shè)置為0 V。傾斜報警設(shè)定值為高報0.160 V，低報-0.160 V，報警值可通過信號調(diào)整單元進(jìn)行調(diào)整。為保證橋架傾斜監(jiān)測的可靠性，另有一套軸編碼器系統(tǒng)也可用于監(jiān)測橋架水平，兩套系統(tǒng)互為冗余。

1 故障分析

1.1 故障現(xiàn)象

6 月18 日上午，換料操縱員在進(jìn)行日常巡檢時發(fā)現(xiàn)A 側(cè)傾斜儀探頭的讀數(shù)達(dá)到0.197 V，聯(lián)系維修人員臨時修改了高報設(shè)定點，當(dāng)日換料未再出現(xiàn)橋架傾斜報警，當(dāng)天停役系統(tǒng)時發(fā)現(xiàn)A 側(cè)橋架傾斜儀探頭讀數(shù)為0.189 V。次日下午A 側(cè)橋架在換料期間再次發(fā)生橋架傾斜報警，檢查發(fā)現(xiàn)A 側(cè)橋架傾斜儀探頭讀數(shù)達(dá)到了+0.241 V。維修人員再次臨時修改了高報設(shè)定點，后三天未再出現(xiàn)傾斜報警，維修人員將高報設(shè)定點恢復(fù)，但1 周之后再次出現(xiàn)報警。

1.2 故障分析

自電站調(diào)試起，傾斜儀探頭在橋架靜止的工況下輸出信號漂移現(xiàn)象主要分為兩類：一是輸出信號在一段時間內(nèi)存在往返漂移，每天的漂移量在0.010 V 左右，最大時輸出信號漂移到0.1 V；二是輸出信號在短時間內(nèi)（約1 h）快速突變后恢復(fù)正常。考慮到探頭工作在高輻射區(qū)域內(nèi)，最初分析認(rèn)為是由于長期輻照使探頭性能老化而引起輸出信號緩慢漂移，國外同行及生產(chǎn)廠家在相關(guān)交流中也提出過類似觀點。但兩臺機(jī)組出現(xiàn)過多個探頭在運行期間漂移，停堆后不漂移，起堆后再漂移的情況，說明長期輻照不是信號漂移的原因。

6 月18 日上午出現(xiàn)的情況與以往缺陷不同。該側(cè)設(shè)備在故障發(fā)生前已停運兩天，期間設(shè)備無任何動作，漂移量應(yīng)該不會太大。但實際上探頭的輸出信號在本身系統(tǒng)未動作的情況下兩天內(nèi)漂移了0.170 V。因此猜測傾斜儀探頭讀數(shù)的漂移，是由其所在外部條件的改變而引起。19 日發(fā)生的故障也存在疑問，在早上的日常巡檢中其讀數(shù)為0 V，在換料期間突然快速漂移到0.214 V，而當(dāng)天除換料以外，橋架系統(tǒng)之前一直未動作過。通過查詢運行日志發(fā)現(xiàn)，18 日當(dāng)天有多次風(fēng)機(jī)切換操作。在端面風(fēng)機(jī)進(jìn)行切換操作后的較短時間內(nèi)，傾斜儀探頭的輸出信號出現(xiàn)了大幅度的漂移情況。傾斜儀探頭輸出信號漂移與風(fēng)機(jī)的切換操作符合時間上的邏輯關(guān)系，存在因果的可能性較大。探頭所在區(qū)域有4 臺風(fēng)機(jī)，其所在位置正對有一臺風(fēng)機(jī)?？紤]到風(fēng)機(jī)對探頭環(huán)境溫度的影響，懷疑探頭存在溫漂。

由于機(jī)組運行期間，反應(yīng)堆端面的溫度并不是平均分布的。為進(jìn)一步驗證猜想，將橋架上升到不同位置并停留1 h，測量探頭的輸出電壓及其環(huán)境溫度。16 個通道中有6 個出現(xiàn)輸出漂移現(xiàn)象，且環(huán)境溫度均高于45 ℃。在整個換料過程中，探頭隨橋架上下運動的時間約在10 min 以內(nèi)，而停留在所換料通道的時間約為60 min。由于上升和下降時間較短，傾斜儀探頭本體的溫度改變不大；而當(dāng)橋架到達(dá)指定通道后，環(huán)境溫度有足夠的時間來改變探頭的環(huán)境溫度。

2 故障點確認(rèn)

該傾斜儀探頭在電站設(shè)計階段就存在，但探頭的生產(chǎn)廠家并未提供該探頭關(guān)于溫漂的測試報告。為了確認(rèn)新探頭是否存在溫漂，將兩個全新的傾斜儀探頭送至蘇州熱工所進(jìn)行不同溫度下信號漂移測試，結(jié)果如圖1 所示。由圖1 可知，當(dāng)溫度從15 ℃上升至40 ℃時，兩個傾斜儀探頭的輸出信號最大漂移量分別達(dá)到0.15 V 和0.16 V；而當(dāng)溫度達(dá)到60 ℃時，兩個傾斜儀探頭的輸出信號最大漂移量分別達(dá)到0.15 V 和0.9V。測試結(jié)果表明，現(xiàn)有型號的探頭輸出信號確實受溫度的影響。由于兩個探頭的輸出漂移量、變化趨勢均不一致，考慮不同探頭的性能存在差異的可能。

圖1 傾斜儀探頭輸出信號在不同溫度下的漂移測試

3 國外經(jīng)驗

根據(jù)對國外電廠信息的咨詢結(jié)果確認(rèn)，秦山核電三廠兩臺機(jī)組使用的傾斜儀探頭與Pickering 電站使用的探頭型號相同，后者在2000—2002 年期間安裝了傾斜儀設(shè)備，在運行過程中也存在信號漂移問題，在2006 年發(fā)現(xiàn)與秦山核電三廠兩臺機(jī)組類似的信號漂移問題，由于無法解決該問題，在2010 年變更拆除了傾斜儀回路。在與Pickering 電站對該問題進(jìn)行交流時，對方得出的結(jié)論是輻照累積可能導(dǎo)致傾斜儀探頭的輸出信號漂移。AECL 與廠家經(jīng)過分析給出的結(jié)論也基本與Pickering 電站的結(jié)論一致，而對溫度是否可能對輸出產(chǎn)生影響未有明確的論證。但根據(jù)前文的分析，實際上輻照累積并不對探頭功能造成影響。

4 解決方案及實施

4.1 探頭換型的可行性

根據(jù)分析結(jié)論，可以確定的是環(huán)境溫度變化是探頭輸出信號失效的主要誘因，而故障原因是探頭的溫漂問題。在無法消除環(huán)境溫度變化這個誘因的情況下，只能考慮更換傾斜儀探頭的型號。

通過AECL了解到加拿大Pt.Lepreau 電站、Wolsong 電站2 號、3 號、4 號機(jī)組和羅馬尼亞Cernavoda 電站使用的是由Honeywell供貨的設(shè)備，到目前為止沒有設(shè)備故障報告。AECL 針對傾斜儀探頭輸出漂移的建議是更換由Honeywell 提供的探頭。但由于Honeywell 供貨的探頭受出口限制，只能選擇其他廠家的探頭。根據(jù)換型可行性調(diào)研結(jié)果，確認(rèn)國內(nèi)有北京興華機(jī)械廠可以制造相似功能的產(chǎn)品。進(jìn)一步溝通確認(rèn)該廠也有供貨意向，且其價格優(yōu)勢明顯（包括研發(fā)成本在內(nèi)，單臺價格僅為原型號產(chǎn)品的10%），基于此，確認(rèn)裝卸料橋架傾斜儀探頭具備嘗試進(jìn)行國產(chǎn)替代的必要。根據(jù)對方提供的產(chǎn)品技術(shù)規(guī)格書發(fā)現(xiàn)，與原型號探頭相比較：功能接口與原探頭相同，完全可互換；安裝接口及接線不做任何改變，與原探頭完全相容；供電電壓，信號范圍，精度指標(biāo)等均相同，完全相容。考慮到傾斜儀探頭工作在高輻射環(huán)境中，結(jié)合舊型號探頭失效原因（溫漂），根據(jù)核電廠保守決策的原則，需要將廠家已經(jīng)測試好的探頭進(jìn)行額外的測試。

4.2 輻照性能測試

由于對部件進(jìn)行輻照試驗價格成本昂貴，即使可以進(jìn)行輻照試驗，輻照試驗的劑量和劑量率也無法與現(xiàn)場實際工況完全吻合。基于此，決定將已完成制造和測試的探頭安裝到現(xiàn)場進(jìn)行現(xiàn)場離線輻射試驗確認(rèn)。為了找到符合現(xiàn)場工況的劑量率，領(lǐng)取兩個電子劑量計，分別安裝在裝卸料機(jī)推桿的尾部和滑車的頂部。在通道換料期間進(jìn)行現(xiàn)場劑量率的測量。當(dāng)次換料，裝卸料機(jī)在堆時間80 min，乏燃料在裝卸料機(jī)的時間65 min。推桿尾部的電子劑量計累積達(dá)到1.57 Sv，滑車上的電子劑量計由于滑車不銹鋼的屏蔽僅有0.3 Sv 的累積劑量。因此，決定將用于測試的新探頭放在劑量較高的推桿尾部進(jìn)行2 個月的輻照測試。

經(jīng)過輻照測試后的兩個探頭送回廠家進(jìn)行功能測試，確認(rèn)復(fù)測結(jié)果與輻照前的測試結(jié)果沒有明顯差別，且均滿足技術(shù)規(guī)格書對參數(shù)的性能要求。探頭在送往廠家進(jìn)行功能檢測時，重點關(guān)注了探頭的溫漂性能?？紤]到原探頭所處的工作溫度在50 ℃左右，要求廠方在50 ℃的環(huán)境下測量，每小時記錄一次輸出電壓，持續(xù)24 h。對于現(xiàn)場工作溫度存在變化的問題，在測試中也進(jìn)行了考慮，檢驗方法如下：探頭置于40 ℃的環(huán)境下，每3 min升溫1 ℃，升溫至60 ℃；達(dá)到60 ℃后每3 min 溫度下降1 ℃，降溫至40 ℃，記錄每個溫度下的輸出電壓。驗證結(jié)果顯示：經(jīng)過2 個月輻照的探頭在不同的溫度變化環(huán)境下，輸出信號很穩(wěn)定，最大漂移量0.002 V，溫漂很小。根據(jù)測試結(jié)果，確定新型號的探頭輸出穩(wěn)定性很高。為進(jìn)一步確認(rèn)新型號的探頭能否適用于現(xiàn)場復(fù)雜的工作環(huán)境，決定在1 號機(jī)組大修期間將新型號探頭安裝到系統(tǒng)中進(jìn)行檢驗。

5 現(xiàn)場安裝測試

2015 年5 月，在OT108 大修中，1 號機(jī)組A/C 兩側(cè)橋架傾斜儀探頭均更換為國產(chǎn)探頭。整個運行周期內(nèi)，未再出現(xiàn)傾斜儀探頭輸出信號漂移的現(xiàn)象。由于1 號機(jī)組更換的新型號探頭在整個周期內(nèi)均未出現(xiàn)輸出信號漂移的問題，決定在OT208 大修期間將2 號機(jī)組C 兩側(cè)的傾斜儀探頭更換為新型號探頭。目前2 號機(jī)組新型號探頭已服役近3 個月，期間未發(fā)生輸出信號漂移的問題。

6 總結(jié)

本文針對傾斜儀探頭輸出信號頻繁漂移問題，通過長期、大量的試驗，找出了溫度是影響傾斜儀探頭輸出信號頻繁漂移的原因，經(jīng)過深入分析后確認(rèn)原探頭存在嚴(yán)重的溫漂現(xiàn)象。根據(jù)電站自身情況，通過大量的試驗找到了功能更加穩(wěn)定的替代產(chǎn)品并應(yīng)用于現(xiàn)場，成功解決了關(guān)鍵設(shè)備的難題。