核電廠松動部件監測系統誤報警分析處理與改進建議

陳 忻，劉 芳，王季能

（1.大亞灣核電運行管理有限責任公司技術部，廣東 深圳518124；2.紅沿河核電公司電廠技術處，遼寧 大連116001）

1 系統簡介

核電廠松動部件與振動監測系統（KIR）包括松動部件監測系統（LPMS）和振動監測系統（VMS）2個部分。LPMS的主要功能是在線監測核反應堆壓力容器和蒸汽發生器內可能出現的松動件、脫落件和外來件，主要由13路加速度傳感器（3臺蒸汽發生器底部各3個、壓力容器底部3個、壓力容器頂蓋1個，具體布置及編號見圖1）、軟－硬傳輸電纜、松動部件調理設備、計算機處理系統等組成。

圖1 嶺澳核電站二期KIR傳感器布置示意圖Fig.1 Arrangement of KIR transducers of Ling'AoⅡ

2 現象描述

2009年8月26日—11月18日，在嶺澳核電站二期1號機組（L3）冷態功能試驗期間，KIR系統共記錄報警信息5 000多條，結合系統軟件對報警的定義，報警類型可分為以下3種：

（1）斷路及過載：占總報警的74%，主要原因可能為設備短路及板件故障等。

（2）現場工作因素：占總報警的22%，主要原因可能為設備安裝及調試工作導致。

（3）敲擊試驗：占總報警的4%，主要原因可能為KIR系統調試試驗導致。

經調查，因工作因素和敲擊試驗引起的報警記錄和波形都與現場實際符合，而斷路及過載報警則大部分沒有記錄到波形信號，少部分記錄到極大的噪聲，波形文件顯示超限削波。

3 故障分析

分析報警數據，發現報警主要集中在蒸汽發生器區域，且都發生在工作時間。相比之下，斷路及過載缺乏明顯的規律性，部分報警的發生伴隨著沖擊較強的事件報警。2009年10月1日—11月9日記錄的壓力容器及3個蒸汽發生器的斷路及過載報警數據分布見表1。

表1 斷路及過載報警數據分布表Table1 Disconnection and overload alarm data

為辨別系統記錄的斷路及過載報警是否為現場情況的客觀反應，在現場安裝與檢修較為頻繁期間加強了對系統的監視，當連續斷路及過載報警出現時立即進行現場核實。根據統計，發現引起斷路及過載報警的現場因素可能為：現場電焊工作；蒸汽發生器附近的敲擊作業；安裝部門對現場接線排的復查；其他未知軟硬件因素。

針對現場的影響因素排查的結果如下：

（1）現場接線端子排復查。檢查發現現場端子排內存在安裝期間遺留下的螺栓，晃動該端子排接線，斷路或者過載報警發生。懷疑異物遺留導致內部斷路及短路引發報警。

（2）現場信號屏蔽復查。檢查發現現場端子排屏蔽未接地。現場若發生強電流操作，如在蒸汽發生器及壓力容器表面及附近進行的電焊操作，會在短時間內意外引入過載電壓沖擊，給設備自身的狀態監督功能帶來干擾。

（3）復查機柜端軟件過載報警判斷邏輯，發現對于電壓過載的判斷沒有采取甄別檢驗。

綜上所述，清除端子排的異物、復查所有信號屏蔽并對電壓過載的軟件判斷邏輯進行修改后，基本排除了斷路及電壓過載的影響。

過載報警作為系統故障報警的一種，按照發生類型可以分為電壓過載和信號過載。電壓過載是由外部電信號及電路斷路導致的強電壓引起的；信號過載是由于現場的敲擊過于強烈，導致經過傳感器及電荷轉換器到達機柜的信號超過調理設備響應范圍引起的。

事實證明，電壓過載因素排除后，過載報警大大減少，間歇存在的報警會伴隨著較強的敲擊事件。如在現場的一次監視過程中，聲音記錄儀發出大的碰撞聲，系統監測界面上顯示陣發波波幅已超出顯示的上限?？紤]到調試現場拆裝保溫和設備安裝等工作引起的敲擊可能會產生較強的沖擊，這部分過載報警很可能是由信號超過調理設備響應范圍引起的，即信號過載。

4 信號過載分析

由于調試機組所處的環境與機組正常工況有很大差別，但調試中暴露出來的問題可以預見，大于該系統測量范圍的撞擊是客觀存在的，如發生這種碰撞，則會產生削波和信號失真，導致系統記錄失效。因此，對信號過載分析系統的探測范圍以及系統重新進行設計是有必要的。下面將從4個方面對信號過載進行分析并提出KIR系統設計的改進建議。

4.1 信號過載的危害

信號過載在表面上是真實信號引起的系統過載，正常工況下對系統及對判斷機組狀態沒有直接影響，但一旦出現異常強烈撞擊記錄，將不能全面地收集探測到的陣發波信號信息。對于陣發波，其波幅到達測量限值后將被削平，無法完整地呈現波形中因松動部件撞擊引起的上升和衰減等過程特征，從而很難讓技術人員將其與電氣故障、環境因素等引起的波形區分，更不利于及時辨別和區分是否存在松動部件，損害了系統用于監測松動部件的根本意義。

4.2 同類型核電廠KIR系統比較

嶺澳核電站二期的參考電廠是嶺澳核電站一期，其KIR系統國產化也是參考嶺澳核電站一期KIR系統完成的。雖然2套系統前端硬件的布置和選型基本類似，但是其參數存在本質區別（見表2）。

表2 嶺澳核電站一期、二期KIR系統前端硬件參數對比Table2 The comparison of hardware characters of KIR system between Ling'AoⅠandⅡ

由表2可以看出，嶺澳核電站一期的KIR機柜前端的探測能力為0～1 000g，而嶺澳核電站二期的探測能力為0～100g?？赡軐е碌暮蠊浅^100g的撞擊響應將使嶺澳核電站二期KIR產生信號過載報警。從KIR的出廠報告發現，廠家在進行松動部件模擬試驗期間也出現過信號過載現象，但廠方認為這并不影響系統的監測功能。

4.3 松動部件相關標準研究

4.3.1 系統最大探測范圍研究

GB／T 11807—2008《探查松脫零件的聲學監測系統的特性、設計和運行程序》對于LPMS的要求是，能夠監測松動部件以0.7J的動能撞擊反應堆冷卻劑壓力邊界內表面，撞擊點離開傳感器的距離小于1m，探測的質量范圍約為0.1～15kg。

根據KIR的出廠報告，該系統在進行松動部件模擬試驗時，沒有使用10kg以上的大質量物體進行松動部件模擬撞擊試驗，也沒有模擬一回路在高速、高溫流體中的沖擊試驗，系統是否符合GB／T 11807—2008還有待商榷。進一步的調查發現，100g的響應范圍來源于ASME OM－S／G—2007《核電廠運行和維護的標準和指導》。表2中嶺澳核電站二期KIR系統對電荷傳感器至機柜側輸出范圍的要求等效于加速度峰值為100g時電荷不超載，但KIR系統本身并不符合該標準對松動部件監測探頭布置的要求，詳見4.3.4節中的描述。

4.3.2 系統頻率響應范圍研究

LPMS除具備松動部件的發現、松動和脫落部件的區分及系統報警功能外，還應該具備基本的松動部件定位和質量評估功能，其理論基礎是赫茲碰撞理論：應用了1個金屬球和1個金屬平板碰撞的模型，碰撞波的頻率與金屬球質量和碰撞速度有關。松動部件在68g～14.5kg、碰撞速度在0.3～3m／s，產生的碰撞波頻率在1Hz～10kHz的范圍內。

嶺澳核電站二期KIR系統信號調理設備的參數為帶通濾波1～10kHz，低通濾波1～100Hz。100Hz～1kHz信號沒有參與運算和分析，這點與赫茲碰撞理論的模型相違背，降低了系統的探測范圍。相關規范為BS IEC 60988—2009《核電廠對安全性重要的儀器探測松動零件的聲音監測系統性能設計準則和操作程序》：LPMS的基本要求頻率響應范圍下界fL應為0.5Hz～1kHz，上界fH應為10～20kHz。嶺澳核電站二期LPMS僅能滿足頻率范圍要求的最低標準，但100Hz～1kHz信號的缺失對相對應頻率松動部件信號記錄的影響不能忽略。

4.3.3 系統探測能力研究

在GB／T 11807—2008中要求的監測范圍內，對松動部件碰撞引發的加速度值進行估算。為方便估算，對碰撞過程和物理參數取值進行簡化和保守處理，碰撞模型如圖2所示。對能監測到的松動部件質量m的范圍，取標準的上限值m為15kg；一回路單環路的流量約為24 000m3／h，環路管道內徑φ為790mm，則平均流速為13.6m／s，取隨水流流動的松動部件速度值V約為13.6m／s；取碰撞產生的陣發波頻率標準的上限值f為20kHz；由此可知奧氏體不銹鋼在350℃時的楊氏模量B約為1.1×1011N／m2；陣發波在鋼板中的傳播速度Cb約為0.59×104m／s。將上述參數輸入公式中，可以估算出一回路中質量約為15kg的松動部件隨冷卻劑流動正面撞擊加速度傳感器附件的壁面時引發的碰撞陣發波加速度幅值的數量級。

由赫茲碰撞理論可知，陣發波的加速度幅值a與鋼板碰撞處形變剪切力F之間的關系為[1］：

式中，j為修正系數（一般小于1）；k為波數，k＝ω／Cb。

剪切力Fmax與碰撞物之間的關系為：

式中，th與頻率f的關系為f＝0.8／th。

代入數值，可估算出加速度幅值的數量級約為103。從估算的結果可看出，加速度值超出100g的情況是有理論支持的，同時也驗證了在實際監測中發現的信號過載現象的客觀性。

圖2 Hoppmann碰撞模型示意圖Fig.2 Hoppmann collision model

4.3.4 傳感器數量和布置研究

根據4.3.1節所述，系統的探測范圍滿足ASME OM－S／G—2007要求，那么系統的其他部分也應該符合該規范。在規范第12章第4.2.4節中，要求壓水堆3臺蒸汽發生器的測量通道為18個，同時該標準對傳感器的位置也提出了詳細的要求（見圖3）。目前嶺澳核電站二期KIR系統傳感器的數量和位置都不符合該規范建議的要求。

圖3 壓水堆核電廠傳感器建議布置示意圖Fig.3 The suggested arrangement of KIR transducers of PWR NPP

如圖1所示，嶺澳核電站二期現有的傳感器布置及數量與ASME OM－S／G—2007的要求相比，其KIR系統的設計存在一些缺陷，雖然滿足了BS IEC 60998—2009、GB／T 10807—2008、ASME OM－S／G—2007第12章等一些規范以及參考電廠KIR系統的部分要求，但功能上尚需完善。參考電廠的LPMS系統雖然只設13個通道，但從技術參數上來看，其測量的能力很強（1 000g），能覆蓋更廣的范圍；雖然ASME標準要求其測量能力是100g，但其在可能發生松動部件的區域布置的通道更密集，如果強沖擊區有通道信號過載，其臨近的通道亦能收到完整的信號，保證了測量范圍的全面性。目前國內田灣核電站的LPMS系統是采用ASME OM－S／G—2007標準的實例。

4.4 系統缺陷對信號過載的影響

根據調試期間的數據記錄和理論分析，嶺澳核電站二期KIR系統現有的設計在今后的現場實踐中會面臨以下困難：壓力容器頂蓋只有1個測量通道，而底部的3個通道安裝在伸出壓力容器的指套管上。當吊籃內存在松動部件撞擊且松動部件的質量大到能引起信號過載時，陣發波經過壓力容器壁后衰減，再從壓力容器壁傳播到與其垂直連接的指套管上的加速度測量通道，其信號極有可能被背景噪聲掩蓋。此時，僅從1個被削平的波形信息中辨別原因（松動部件、電氣異常、逆止閥動作或其他功能部件動作），無論是為技術人員提供判斷依據還是為領導決策提供信息都具有較大風險。并非所有松動部件產生的全部過程信息都能被完整地收集。對于不可預料的事件，遵循最保守的技術手段應是基本要求。

KIR系統只收集松動部件理論上最終停留概率大的區域的信息，當同一區域的通道全部過載時，技術人員要從這些近似階變的信號中辨別原因（松動部件、電氣故障、逆止閥動作等）有一定難度。因系統信號調理設備濾波沒有處理100Hz～1kHz的波形數據，現場該頻段的信號丟失，為松動部件的后期數據處理設置了不可預知的障礙陷阱。

5 改進建議

嶺澳核電站二期KIR系統的不足主要集中在系統探測能力上，改善系統的探測能力主要有2種方案：加寬探測范圍和增加測量通道。

（1）加寬探測范圍。在現有硬件條件下，將電荷轉換器更換為輸出響應更寬的型號，使探測的信號能夠達到0～1 000g，同時修改相應的機柜后卡件，采用參考電廠KIR系統的方案。該方案的弊端是KIR系統的另一個組成部分VMS的功能將受到影響，因為VMS系統是基于弱晃動及低頻信號等型號的分析，增加測量范圍會導致壓力容器內部構件振動的分析能力受到影響。

（2）增加測量通道。在現有的硬件條件下，根 據 ASME OM－S／G—2007 第 12 章 第4.2.4節的建議，增加測量通道，增加區域內冗余，既可以保證過載現象不會影響系統功能，也可以完善壓力容器頂部區域松動部件定位估算能力。查看壓力容器的設計圖紙和考察嶺澳核電站二期的現場安裝情況，壓力容器頂蓋上設計有可以安裝4處探頭的位置。

綜上所述，嶺澳核電站二期和一期現有KIR系統的設計是有缺陷的，可以考慮結合以上2種方案并優化機柜硬件以達到最優的效果：蒸汽發生器側的測量通道探測范圍增加至0～1 000g，根據松動部件在蒸汽發生器內的可能分布，現在的探頭布置是可以接受的；壓力容器探頭布置可根據ASME OM－S／G—2007第12章建議進行調整，增加壓力容器頂部探頭。

壓力容器側6個通道的探測范圍依然為0～100g，因為壓力容器探頭分別分布在底部和頂部，不像蒸汽發生器那樣分布集中，即使某一區域造成局部信號過載的撞擊存在，另一區域的探頭的探測結果依然可以為技術人員提供區分真實信號、電氣異常、外部影響和部件動作的依據，同時還滿足VMS系統的監測需要。改進系統機柜信號調理模塊的濾波范圍，至少要包含赫茲碰撞理論1Hz～10kHz的撞擊信號。參照ASME OM－S／G—2007第12章及田灣核電站KIR系統的設計及主泵葉輪損壞的反饋，建議增設主泵底部探頭。這樣的設計既從前端保證了探測范圍，也從后端保證了信息不會丟失，同時還完善了壓力容器頂部松動部件定位評估的能力，可以有效地解決現有系統的局限性。

[1]楊修周 .壓水堆一回路系統松脫部件故障的噪聲分析及模擬試驗[J］.核動力工程，1994，15（2）：109－114.