回路監測系統AC4通道頻繁報警分析及維修

陳 勇 孫仁貴 萬平生

（大亞灣核電運營管理有限責任公司 廣東惠州）

一、引言

核反應堆壓力容器內部包括堆內構件和燃料組件，堆內構件主要由壓緊組件、吊籃組件、堆芯下支承組件等組成，各組件中的部件和零件大部分通過螺釘、銷釘連接。盡管這些連接件在設計中采取了防松、防脫措施，但在堆長期連續運行條件下，因水流沖擊和流致振動的影響，可能會使某些零件產生松動甚至脫落，從而在一回路中形成松脫部件。另外，在施工、換料或維修時，也有在一回路系統內遺留金屬件的可能性。

大型商用壓水堆核電廠，自調試商運以來出現諸多問題。功率運行期間系統發生頻繁報警和通道故障現象，結合該系統檢修期間的工作及存在問題進行分析，提出解決方案。

二、LPMS系統作用及原理

監測結構件中的松動部件；監測結構件中落下的脫落部件；監測安裝中遺留的外來部件。當一個外來物件或者系統松脫部件在流體沖刷下，對壓力容器底部產生撞擊，通過安裝在壓力容器底部的加速度傳感器進行信號拾取，電荷信號經過電荷轉換器轉化成電壓信號，得到加速度計算公式（圖1）。系統松動部件探測范圍 100 g～15 kg；加速度～100 g；能量 0.7 J；濾波 1 kHz～10 kHz。

圖1 松動部件探測

式中a——加速度，g

V——電壓，V

S——加速度計靈敏度，pC/g

C——電荷轉換器轉換系數，mV/pC

A——調理放大倍數

三、VMS系統作用及原理

監測核電廠一回路冷卻劑的流動和主泵的運轉，會激勵核反應堆內構件發生復雜振動。如吊籃、燃料組件、控制棒、熱屏蔽及連接件振動。堆內構件的振動在一定程度內是允許的，但異常振動則可能導致故障甚至事故的發生。美國Palisades核電廠就曾出現過壓緊彈簧功能失效問題。

堆內構件振動的監測方法通常有2種，一是通過KIR系統安裝在壓力容器頂蓋和下封頭儀表穿透管上的4個加速度傳感器，監測壓力殼的振動；二是從核儀表系統（RPN）的堆外中子探測器取得信號，用中子噪聲分析方法，監測堆內構件的振動行為。根據中子探測器產生的電流信號與中子通量成正比，可有式（2）。通過電流信號的變化，可得到吊籃與壓力殼之間的距離變化。

式中i——中子探測器產生的電流信號

Φ——堆外中子探測器探測到的中子通量

h——水的阻尼系數

dx——為堆芯吊籃和壓力容器間的水隙厚度變化量

1998年，國內某核電站曾發生吊籃下部防斷支承組件螺栓松脫，壓力容器底部和下部組件嚴重受損。2007年，國內某核電機組曾發生主泵葉輪片松脫和導流罩螺栓脫落。法國某核電廠曾發生吊籃環與連接螺釘疲勞斷裂，使吊籃的完整性受到破壞；美國Rock-Point和Yankee-I壓水堆，在20世紀70年代初，吊籃熱屏蔽由于螺栓連接損壞，造成熱屏蔽脫落。現如今松動部件監測，已成為核電廠運行取照的必備系統。

四、AC4通道頻繁報警分析

核電廠一回路松動部件與振動監測系統，主要利用現場的13個加速度傳感器，將傳感器產生的電荷信號經過電荷轉換器轉換成電壓信號，再通過信號分析與調理模塊，進行處理與甄別報警信息，產生相應的事件報警或者故障報警。其中 SG1、SG2、SG3、RPV 區域的安裝示意如圖2所示，AC4位于反應堆壓力容器頂蓋上。

國內某核電機組KIR系統在日常運行中發現AC4通道頻繁產生報警，AC4通道位于壓力容器頂蓋上，主要用于監測堆芯上部構件的振動情況，對控制棒驅動機構動作、通風罩工作狀況等比較敏感。根據該系統運行經驗，當控制棒動作時，KIR系統的AC4通道容易受到干擾產生報警，通道信號也會有所變化。該機組KIR系統日常期間頻繁報警，系統記錄大量聲音文件數據。為了避免頻繁報警的產生，首先想到的是通過人為調整RPV區域通道背景噪聲水平，自然也就提高了該RPV區域系統報警觸發閾值。該辦法是否科學合理呢？假想如果壓力容器底部有小質量的松動部件，加速度信號水平較低，系統RPV區域探頭能否產生報警信號？

1.信號分析對比

調查KIR系統噪聲趨勢曲線，分析發現該核電機組自商運以來，AC4通道信號明顯偏大，約0.3 V，而其他各通道則均在0.1 V以下。對比同類型其他機組，發現正常情況下所有通道均在0.05 V以下，沒有出現AC4通道偏大的情況，各通道噪聲信號趨勢圖如圖3、圖4。

圖2 KIR系統傳感器安裝示意

圖3 機組通道噪聲趨勢分析

為調查該核電機組KIR系統AC4通道異常的原因，采用模擬現場振動測量的方法，在KIR系統終端機柜的信號端子牌處取信號進行通道振動測量，如圖5所示。從傳感器信號端子排引信號，測量時根據現場傳感器和電荷轉換器的系數，算出實際的輸出電壓與振動幅值之比。B&K8324-S-0型號傳感器的靈敏度為10 pC/g，B&K2647B型號的電荷轉換器靈敏度為10 mV/pC，故得實際靈敏度（輸出電壓與振動幅值之比）為100 mV/g。

2.信號頻譜分析

采用美國羅克韋爾公司生產的Enpac 2500數據采集器對該機組KIR系統的通道信號進行采集分析，通過快速傅里葉變換，分析得到AC4通道信號頻譜主要集中在50 Hz和5000 Hz處。分析認為50 Hz的產生，主要是因為信號干擾，以及濾波器設置對該頻率的干擾未完全濾除所致。而5000 Hz則具有明顯的碰磨特征，頻率高且存在25 Hz邊帶。

圖4 其他同類型機組系統通道噪聲趨勢分析

圖5 傳感器信號端子

通過對比，分析該機組KIR系統的AC4通道異常，主要因在50 Hz與5000 Hz處振動信號較大所致：AC4通道的50 Hz幅值為 21 g，而 AC1～AC3通道的 50 Hz幅值僅為 4 g；AC4通道的5000 Hz幅值為8 g左右，而AC1～AC3通道的5000 Hz幅值為4 g左右。進一步將該機組AC4通道與其他同類型機組通道對比，明確5000 Hz信號幅值8 g基本屬于現場真實振動反應，而50 Hz處的21 g振動則屬于異常電源頻率干擾。

核電機組的KIR系統AC4通道50 Hz處的信號干擾過大，一方面與AC4通道的信號屏蔽不良有關，另一方面，也與系統的濾波設置有關。KIR系統的信號調理的參數為帶通濾波1 kHz～10 kHz，低通濾波 1～100 Hz，即并未對 50 Hz的信號干擾進行濾波，這是導致50 Hz信號電源頻率干擾過大的重要原因，該機組KIR系統AC4通道信號頻譜結構如圖6、圖7所示。

圖6 機組KIR系統AC4通道頻譜

核電機組KIR系統AC4通道信號偏大，導致該通道的松動部件監測數值偏大。當AC4的噪聲水平為3 g，峰值因子為8時，計算得到只有振動值＞24 g的事件才會被記錄。如果振動加速度值＜24 g，系統將無法自動產生報警信號。

3.建立模型論證

按照松動部件監測的標準，該通道的信號干擾已導致KIR系統不滿足對LPMS監測的相關要求。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LPMS的要求是：能夠監測松動部件以0.7 J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＜1 m，探測的質量范圍約為0.1～15 kg。根據該要求，對松動部件碰撞引發的加速度值進行估算。計算過程中按照圖8模型進行簡化處理。

圖7 機組KIR系統AC1/AC2/AC3通道典型頻譜

圖8 Hoppmann碰撞模型圖

計算取最小碰撞質量0.1 kg，計算一回路中的流體流速為13.6 m/s，忽略松動部件自身的重力產生的碰撞速度，僅按該流速作為松動部件隨流體運動的速度。取奧氏體不銹鋼在350℃的楊氏模量B約為1.1×1011N/m2，陣發波在壓力容器表面的傳播速度Cb為0.59×104 m/s。由赫茲碰撞理論，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，見式（3）。

從而得a=FCb2/（8jB）

式中a(ω）——陣發波的加速度幅值

D（ω）——陣法波位移幅值

F——碰撞處形變剪切力

J——修正系數，一般＜1

k——波數，k=ω/Cb

Cb——陣發波在壓力容器表面的傳播速度

剪切力F與碰撞物之間的關系，見式（4）。

計算得F=2.95 mV。式中th——碰撞時間，與頻率f之間的關系為f=0.8/th。代入數值進行計算，估算出質量為0.1 kg的小球產生的加速度幅值約為7 g。

因此，AC4通道的信號干擾導致無法對RPV范圍的松動部件進行有效監測。對于其他通道，計算得監測最小振動為4 g，可以進行有效監測。該通道信號干擾問題也向廠家進行了反饋，經過對該通道進行屏蔽檢查，分析50 Hz主要由于軟電纜接頭制作時存在松動或者屏蔽不良所導致，通過對電纜接頭重新修復，減小電源頻率干擾，從而保證系統對一回來松動部件的有效監測。

五、常見檢修故障及系統維修策略

核電機組的KIR系統從硬件到軟件均與法國EDF直接供貨的KIR系統存在差異。硬件上包括傳感器選型結構以及其安裝方式，硬電纜材質及電纜接頭形式，硬電纜與軟電纜的接頭形式，以及通道電荷轉換器的選型及結構，如圖9所示。終端軟件上面也是完全不同的，由于差異的存在，使得每次換料大修系統檢修方式也不完全相同。

圖9 加速度傳感器連接圖

1.傳感器通道故障

L303大修后系統重新啟動階段，發現AC2及AG12通道信號異常，異常現象主要表現為軟件界面顯示燈“failure”顯示紫色。

L402大修后循環中期，AG31通道出現了斷路（軟件界面顯示）；L403大修前一個月出現AG32通道故障，顯示“sensor”過載。具體故障模式顯示如圖10。

經過分析并咨詢廠家人員，檢修界面出現響應的故障模式，是一種系統自發的檢查方式，表示電荷轉換器（圖11）及其后端出現了故障。經檢查系統機柜處并無異常，懷疑電荷轉換器或者軟電纜存在故障，更換新的電荷轉換器后，發現通道信號恢復正常，檢修界面故障模式消除。

2.系統維修優化策略

圖10 系統檢修界面顯示的故障模式

圖11 電荷轉換器

核電機組的KIR系統與傳統存在一定的差異性，傳感器與硬電纜的連接接頭里面有陶瓷絕緣，如果安裝方式不當很容易導致陶瓷接頭損壞。由于位置所限，每次拆除和回裝硬電纜時人員無法直接觸及到傳感器，工作人員主要依靠經驗和手感來操作，每次大修拆裝人員不一樣，致使該系統傳感器與硬電纜頻繁損壞。一旦損壞，就必須得重新更換新的傳感器和硬電纜，更換起來也比較麻煩，且AG13/23/33位置環境劑量通常較高，工作人員存在比較大的外照射風險。經過前幾輪大修的經驗積累，技術人員反復與服務部門溝通，最終形成了一套完整的檢修方案，減少不必要的反復拆卸，可避免人為的誤損。減少了不必要的外照射風險，系統穩定性提高，大大降低系統故障維修率。

六、結論及建議

核電機組KIR系統AC4通道信號干擾問題，經過反復的分析驗證，通過對連接軟電纜的接頭進行了重點修復，通道信號干擾基本消除，頻繁報警問題解決。

圖12 維修流程優化策略

大修中電荷轉換器故障頻繁發生，目前已經有初步分析，需要對電荷轉換器進行轉換系數檢測。為了保證大修中電荷轉換器故障時能夠及時更換，建議日常期間留足備件。維修策略的優化（圖12）進一步提高了系統的可靠性，系統故障維修率降低。

KIR主要對一回路松動部件和堆芯吊籃振動進行監測，對于堆芯及一回來邊界的安全具有重要作用。外部電站曾發生一回路存在松動部件，導致壓力邊界損壞的嚴重事故。正確有效的監測，對于盡早發現潛在危害，防止嚴重事故的發生，具有重要意義。