基于CPR1000+核電機組的異物查找及控制方法的分析

王志明，李西安，王江洪，翟巴菁，王　磊，王昭強，白　旋，徐教珅，周亮亮

（中廣核工程有限公司，廣東 深圳 518124）

基于CPR1000+核電機組的異物查找及控制方法的分析

王志明，李西安，王江洪，翟巴菁，王磊，王昭強，白旋，徐教珅，周亮亮

（中廣核工程有限公司，廣東 深圳 518124）

某CPR1000+型核電機組在執行試驗期間，KIR（松動部件和振動監測系統）出現報警，經分析認為一回路存在異物，為保證機組安全，機組停運下行，歷時4個月完成異物查找及設備修復。文章著眼于一回路及其輔助管線、設備的結構特征，提出較為全面的異物查找分析方法和預防措施，確保整個系統內部完整地實現異物查找及清除，促使機組重新啟動。

CPR1000+；核電機組；異物查找

CPR1000+型壓水堆機組的核島部分由一回路主系統、專設安全設施、核輔助系統及三廢處理系統組成［1］。機組處于運行狀態時，一回路主系統的反應堆產生熱量，主泵通過循環冷卻方式，將一回路熱量通過蒸汽發生器傳遞至二回路，穩壓器用于熱量傳遞過程中一回路壓力及溫度的保持［2］。

CPR1000+型壓水堆核島系統運行時，如果核島系統內存在異物，異物會向核島一回路聚集，并且與反應堆設備發生碰撞，導致設備故障或損壞，對一回路保護層及結構造成破壞［3］。某核電廠機組試驗時，KIR系統出現報警且異物現象明顯，為保證設備安全對試驗進行中止。文章結合機組試驗停止后核島系統異物處理的過程，對CPR1000+型核電機組異物查找及控制方法進行了細致的討論和研究。

1　事故機組的基本試驗情況及KIR報警問題

某核電機組在執行熱態功能試驗（簡稱熱試，熱試是核蒸汽供應系統首次在無核燃料裝載的情況下，升溫升壓至熱停平臺，隨后又降溫降壓過程中進行各項試驗的總和，并在各個壓力溫度平臺上對NSSS及其輔助系統的有關設備和系統功能進行全范圍驗證，以確定機組能夠按照設計要求運行）期間，熱停堆平臺3臺主泵運行，KIR系統在反應堆壓力容器和3個蒸汽發生器上的加速度傳感器出現多次報警。KIR系統顯示一回路多點出現異物，經現場聽音檢查確認，異物存在于系統流質中。為了保證整個機組的安全，試驗中止，機組下行。

2　異物檢查的方式及范圍

機組停運下行后，結合一回路設備及輔助管線的投運情況，為確保異物被完全攔截收集，采取了排水攔截的方式進行異物收集，并根據實際情況確定了異物查找方案。

2.1排水方式及異物攔截方案

異物在一回路隨流質轉移，存在于一回路及輔助管線的各個位置，為保證排水期間異物查找全面，采用濾網過濾排水方式。例如，一回路初始排水通過下泄管線排水，使用RCV001FI對異物進行過濾；對于無正式過濾器部位的排水，采用臨時濾網，如U形管段以及RRA系統的內部殘水。

2.2異物檢查范圍及步驟

基于KIR系統報警的發出位置及頻率，采取三階段進行查找：

第一階段為出現報警較多的位置，較容易檢查的一回路主管道。例如蒸汽發生器一次側水室，熱管段及過渡段。

第二階段為報警出現頻率較少的一回路，難于檢查的壓力容器。例如壓力容器，上、下部堆內構件，冷管段及穩壓器等。

第三階段為與一回路相連的輔助系統管線及設備。

針對堆芯設備及壓力容器部分，由于其內部結構復雜，主要有壓力容器頂蓋，CRDM組件，上部堆內構件，下部堆內構件及RIC導向管等。這些堆芯結構間隙較小，流道變化大，是異物檢查的重點部位。

3　異物查找結果及分析

3.1第一階段、第二階段異物排查結果

異物排查第一階段、第二階段完成主回路相關3個蒸汽發生器冷側、熱側水室，主管道冷段、熱段、過渡段，反應堆壓力容器頂蓋，上部堆內構件，下部堆內構件，反應堆壓力容器底部，穩壓器等設備的檢查。本階段檢查共發現體積較大的異物7個：2個來自SG3熱側水室，3個來自SG1熱側水室，2個來自上部堆內構件控制棒導向筒，同時也發現一系列體積較小的金屬碎片，典型異物照片見圖1。

3.2第三階段異物排查結果

異物排查第三階段，主要完成了一回路相連的輔助系統管線及設備檢查，包括卸壓箱、壓力容器底部RIC管道、RCV過濾器及換熱器、與一回路相連接管線的逆止閥等。此階段發現的異物比較細小，多為金屬碎屑或碎片，質量也較小。

圖1　異物排查樣品圖Fig.1　Sample of foreign matter inspection

3.3異物排查結果分析

通過各階段查找的異物，對異物進行匯總稱重，并結合異物發現的位置，將存在于一回路相關管線的異物進行統計（見圖2、圖3）。

圖2　一回路相關設備異物分布概率柱狀圖（按重量分布）Fig.2　The probability histogram of foreign matter distribution inside the primary loop related equipment (by weight)

圖3　一回路相關設備異物分布概率柱狀圖（按數量分布）Fig.3　The probability histogram of foreign matter distribution inside the primary loop related equipment (by quantity)

從圖2、圖3中可以發現，一回路存在異物及破損后的碎片主要集中在SG1、SG3熱側水室及結構較為復雜的上部堆內構件中，此部位的異物體積和質量都較大，其他區域為細小的金屬碎片或碎屑；從數量上看，上部堆內構件異物數量最多，由于其結構復雜，縫隙及死角較多，異物在一回路循環過程中形成匯集，并卡在上部堆內構件的縫隙或流質死角區域里；另外，堆腔底部區域及SG冷側水室由于流質渦流的原因，易形成細小異物的匯集。同時，細小的金屬碎片或碎屑會隨著下泄等管線向輔助系統擴散，從收集的異物分布可以得到證實。

3.4異物來源分析

整個過程收集到的異物，基本分為三種：第一種，體積較大，有較規則的幾何形狀金屬，質量也較大；第二種，體積較小的金屬碎屑或碎片；第三種為非金屬的碎屑。

針對第一種體積較大異物，可采用金相分析、光譜分析及形狀比對等方式對其來源進行分析。圖1異物均屬于第一種，經過金相分析，其材質與下部堆內構件小格架板的螺栓材質相同，因此可以確定該異物來自下部堆內構件小格架板的緊固螺栓。這些異物無法從外觀判斷是否為螺栓，原因在于這些螺栓從下部堆內構件脫落后，跟隨一回路流質進入蒸汽發生器熱管段，以約15 m/s的速度撞擊蒸汽發生器下管板，同時由于其體積較大不能隨流質流過換熱管，被反彈后，再次對蒸汽發生器下管板形成撞擊，此種撞擊1分鐘將進行幾十次，直至螺栓形狀不斷發生變化。撞擊后的SG水室的照片可參見圖4。

圖4　撞擊后的SG水室Fig.4　The SG water chamber after impact

針對第二類金屬碎屑類異物，屬于金屬殘片，由于其體積較小，要找到其屬于哪些設備脫落，也需要采用金相分析的方法。另外，由于螺栓碰撞會變形，對于其碰撞比較嚴重的部位同樣進行金相分析，并將兩種分析結果進行比對。結果證明，這些通體黑色或亮灰色的小金屬碎片來自脫落的螺栓，如圖5所示。

導致產生這種結果的原因有：脫落的螺栓不停地在蒸汽發生器水室內碰撞，猛烈的撞擊造成金屬表面變形并逐漸出現褶皺邊，褶皺邊發生疲勞斷裂并逐漸與螺栓本體分離。異物撞擊導致材料表面冷作硬化會影響材料的抗腐蝕性能，脫落的螺栓及金屬褶皺片處高溫高壓的環境，并且流質中添加了LiOH及聯氨用于化學鈍化，在這樣的液體環境中，螺栓及金屬碎片的表層由于鈍化的原因逐漸變為黑色。金屬碎片脫落的時間有先后，故個別金屬碎屑還呈現出亮灰色的特征。

針對第三種異物，數量很少，其材質基本上為非金屬碎屑，為設備拆檢過程中引入，比如排水水管內壁的殘留物，排水過程中排水管下游的過濾網可將這些微小異物匯集。從這一點可以看出，異物查找過程中工器具本身的潔凈程度必須予以考慮。

4　CPR1000+核電機組異物控制

綜合以上分析可以看出，異物有來自系統內部的螺栓及螺栓鎖緊帽，也有來自系統外部的金屬條及非金屬物質。螺帽、螺栓的設計制造質量，安裝人員的技能及方法，現場的安裝環境，安裝工具是否合適等因素都有可能導致事件的發生。那么，可以從“人、機、料、法、環”等5個維度［4］對異物來源進行分析，如圖6所示。

4.1人員管理方面

經過調查取證， 螺栓安裝活動相關的施工人員經驗不足，比如原安裝技術員在下部堆內構件儀表柱安裝前3個月離職，實際承擔該機組堆內構件安裝的另外的技術員沒有相關工作經驗，屬于第一次參加該類活動。人員的素質和管理成為了此次事件誘因，可以用如下的方式進行提高。

1）針對培訓管理：培訓要制度化，工作授權需要經過培訓取得，人員不經培訓不得開展工作；另外還需要加強施工規章的教育、宣傳力度，加強班前會、工前會自查。

2）針對疲勞作業：合理安排施工人員工作量和工作時間，確保現場人員狀態良好。

3）針對質量意識：細化質量計劃并設點檢查，同時還需要組織人員不定期巡查。

4）關于經驗反饋方面［5］：定期反饋學習并建立跟蹤機制，對于重要操作及關鍵步驟，制訂經驗反饋跟蹤單，并在實際工作中予以落實。

從以上4個維度進行改進，可以彌補人為導致的技能、經驗上的欠缺及監管失控問題，并減小異物產生的風險。

圖5　脫落螺栓邊緣金相分析圖Fig.5　The metallurgical analysis for the shedding screw edge

圖6　異物引入的途徑及方式Fig.6　Ways and approaches of introducing foreign matter

4.2設備方面

針對設備自身，檢查了螺栓圖紙與參考電廠的符合性，安裝設計標準，螺栓、鎖緊帽制造質量符合性驗證，筒體與法蘭焊接熱處理驗證及制造廠組裝質量驗證等，均未發現異常，此次事件設備本身導致的誘因排除。

4.3材料方面

經檢查組件的預裝、清潔和包裝質量，焊接材料的性能，以及使用的工器具，僅發現部分螺栓有磨損現象，此方面因素導致異物產生的原因較小。

4.4方法方面

方法方面可以分為兩個層面，一個是管理層面，一個是具體操作層面。管理層面有施工質量管理，四會三單，工作票等方面；具體操作層面有試驗超工況，巡檢、維護不到位，現場風險分析不到位等方面。而本次事件，管理層面、具體操作方法都出現了問題。具體有：

1）施工質量管理存在缺失，本次事件調查取證，整個螺栓的安裝質量文件雖有簽字，但是整個簽字確認過程失效，監管失效。工前會、班前會等流于形式，沒有在開工前準備充足預案，工前會、班前會等記錄單缺失或不完善，并且工作人員對需要執行的工作認識有偏差，螺栓的識別，焊接方式的確認都未能在工作交底前完成。工作票有超期問題，致使監管失控。以上3種管理方法的缺陷，導致了安裝質量的缺陷，引發螺栓脫落的原因最多。

2）實際操作方面，熱試超基準運行的工況不存在，一回路流體按正常工況運行，方法正確。但安裝使用的程序文件中螺栓緊固順序和力矩要求不明確導致現場打力矩的方法存在錯誤；實際執行的螺栓緊固順序與設計要求有偏差，導致緊固方法錯誤，這些原因直接就導致了螺栓連接失效，成了本次事件的直接誘因。

由于管理及實際操作方法上的失誤，糾正措施就必須對癥下藥，要針對性地加強過程質量控制。第一，要完善技術交底環節，QC人員必須參加施工單位組織的技術交底，并給予必要的澄清支持。第二，過程QC必須核實作業活動相關的上游設計要求是否正確；質量計劃中的監督檢查，涉及現場作業活動的見證，必須到現場見證作業過程，并確保作業符合性。

4.5外部環境方面

外部環境因素也會導致一回路引入異物事件的發生，如交叉作業、照明不足、物料堆放不規范、廢棄雜物清理不及時、照明不足等。可以采取的改進措施有：

1）合理安排施工邏輯，盡力避免同一施工點交叉作業，如不可避免，務必做好交叉施工風險評估，協調各作業方負責人做好監督，并加強防異物意識。

2）工作結束后及時清理廢棄物，物料需要辦理臨時存放證，堆放整齊規范，并定期巡查、清點物質，確認物資不遺失。

5　結論

通過此次CPR1000+核電機組一回路異物事件的研究，分析出了如下結論。第一，若一回路相關設備異物出現異物并進入一回路，重點地檢查區域和范圍在SG水室、上部堆內構件及壓力容器底部；第二，金屬異物會對一回路的設備造成破壞，并隨著破壞的進行自身也會逐步分解變化，直至演變為金屬碎屑或碎片，并且異物需要盡早取出，否則影響的范圍會逐漸擴大并加劇。對于異物控制方面，“人、機、料、法、環”等5個維度都可以進行控制，并進行相應提高。但是對于此次事件本身，人的因素和施工方法方面是導致本次事件產生的原因，只有加強人員培訓及管理，加強QC的過程控制，嚴格按程序及規程辦事，使所有的安裝質量及步驟滿足設計要求，才能有效地提高核電廠的安裝質量，達到更高的核安全標準。

［1］ 核電廠系統及設備（第2版） ［M］. 北京：清華大學出版社，2010.（Systems and Components of Nuclear Power Plant （Version 2） ［M］. Beijing： Tsinghua University Press， 2010. ）

［2］ 壓水堆核電廠調試與運行［M］. 北京：中國電力出版社，2008. （Commissioning and Operation of PWR NPP［M］. Beijing： China Electric Power Press， 2008. ）

［3］ 核電廠事故分析［M］. 北京：清華大學出版社，2012.（Nuclear Power Plant Accident Analysis ［M］. Beijing： Tsinghua University Press， 2012. ）

［4］ 淺談“人機料法環”五因素對施工質量管理成果的影響［J］. 內蒙古水利，2008， 6：121-122. （Brief Introduction to the Influence of Five Factors（“man， machine， material， method and cycle”）on the Construction Quality Control［J］. Water Conservancy in Inner Mongolia， June 2008： 121-122. ）

［5］ 江振標，劉志成，李冠英. 壓水堆核電廠主管道靜態鑄造質量控制措施的研究［J］. 中國核電，2013，6（4）：343-347.（Study on the Static Casting Quality Control Measures for the Primary Pipe of PWR NPP［J］. China Nuclear Power， 2013，6（4）：343-347. ）

Analysis of Foreign Matter Searching and Controll Method Based on CPR1000+ Nuclear Power Plant

WANG Zhi-ming， LI Xi-an， WANG Jiang-hong， ZHAI Ba-jing， WANG Lei，WANG Zhao-qiang， BAI Xuan， XU Jiao-shen， ZHOU Liang-liang
（China Nuclear Power Engineering Co.， Ltd.， Shenzhen， Guangdong Prov. 518124，China）

During the test of a CPR1000 + nuclear power plant in 2014， the KIR system （loosen parts and vibration monitoring system） alarmed. The alarm analysis indicated the presence of some foreign matter inside the primary loop. For safety， the unit was shut down to search foreign matter and fix damaged equipment， which lasted for four months. This paper focuses on the structural features of the primary loop and its auxiliary pipelines and equipment. On this basis， a more comprehensive method and preventive measure for foreign matter analysis is proposed， which can ensure complete implementation of foreign matter searching inside the entire system.

CPR 1000+； nuclear power unit； foreign matter searching

TM623 Article character：A Article ID：1674-1617（2016）03-0208-06

TM623

A

1674-1617（2016）03-0208-06

2016-04-14

王志明（1982—），男，山東曲阜人，高工，學士，主要從事核設備及相關系統的調試及研究工作。