核電廠蒸汽發(fā)生器松脫部件診斷分析

王岳輝，朱俊賢

(1.山東核電有限公司,山東 煙臺(tái) 265116；2.煙臺(tái)北方星空自控科技有限公司,山東 煙臺(tái) 264670)

松脫部件監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(LPMS)是非安全相關(guān)系統(tǒng)，不執(zhí)行安全相關(guān)功能，不執(zhí)行執(zhí)照申請(qǐng)相關(guān)功能，不執(zhí)行非安全有關(guān)縱深防御功能。但近年來國(guó)內(nèi)外核電廠多次發(fā)生異物進(jìn)入一回路或者二回路事件，大部分后果都極其嚴(yán)重，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，對(duì)核安全也形成巨大的挑戰(zhàn)[1]。采用LPMS實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)RCS中可能出現(xiàn)的松脫部件或者碎片，及時(shí)分析松脫部件大小、位置及系統(tǒng)設(shè)備異常等情況，能夠有效避免或減輕RCS部件損失或失效。

一、LPMS功能簡(jiǎn)介

當(dāng)松脫部件脫落后，會(huì)隨著冷卻劑流動(dòng)而被沖至自然聚集區(qū)域，如蒸汽發(fā)生器熱端下封頭或者反應(yīng)堆壓力容器底部，并以相當(dāng)大力量撞擊反應(yīng)堆內(nèi)側(cè)或者堆內(nèi)構(gòu)件，產(chǎn)生撞擊聲波信號(hào)。LPMS在松脫部件最易集中位置外側(cè)安裝加速度傳感器，對(duì)金屬松脫部件碰撞產(chǎn)生的瞬態(tài)聲波信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、分析和評(píng)定，以實(shí)現(xiàn)金屬松脫部件的報(bào)警、定位以及質(zhì)量估計(jì)。

圖1 松脫部件傳感器安裝位置

如圖1所示，某核電站單臺(tái)機(jī)組LPMS系統(tǒng)安裝了16個(gè)加速度傳感器，在反應(yīng)堆壓力容器上封頭和下封頭各安裝3個(gè)，在每臺(tái)蒸汽發(fā)生器上安裝3個(gè)，在每臺(tái)主泵上安裝1個(gè)[2]。其中蒸汽發(fā)生器1上的三個(gè)傳感器YE011/YE012/YE013按從下到上順序安裝，YE011/YE012分別安裝在一次側(cè)進(jìn)口管板上下兩側(cè)垂直方向，YE013安裝在管束頂端附近的外殼上。

LPMS連續(xù)監(jiān)控16個(gè)通道的振動(dòng)數(shù)據(jù)，如果同一個(gè)通道30秒內(nèi)發(fā)生兩次撞擊事件，且其中一次撞擊事件超過報(bào)警閾值，則系統(tǒng)將產(chǎn)生報(bào)警。

二、報(bào)警信號(hào)診斷分析

某核電廠當(dāng)前處于100%功率運(yùn)行階段，以前未產(chǎn)生過報(bào)警和事件的SG1上三個(gè)探頭(YE011 YE012 YE013)開始報(bào)警，而且報(bào)警數(shù)量呈逐漸上升趨勢(shì)。典型時(shí)域波形如下圖2所示。

圖2 SG1上三個(gè)傳感器典型時(shí)域波形

觀察各通道撞擊波波形到達(dá)時(shí)差發(fā)現(xiàn)，波形到達(dá)的時(shí)間順序?yàn)閅E013、YE012、YE011，觸發(fā)時(shí)除觸發(fā)通道外，同一監(jiān)測(cè)區(qū)間其他通道均出現(xiàn)撞擊波波形，并且各通道間幅值呈現(xiàn)一定的衰減趨勢(shì)，觸發(fā)時(shí)各通道波形存在一定的時(shí)差。結(jié)合YE013與YE012探頭安裝的實(shí)際距離以及撞擊波傳播速度，發(fā)現(xiàn)該特征與撞擊特征相符合，判斷該信號(hào)是真實(shí)的撞擊信號(hào)[3]。

該信號(hào)加速度最大值范圍為3g-5g，通道本底噪聲最大值范圍為2g-3g，屬于較為微弱的波動(dòng)信號(hào)。撞擊波主頻淹沒在噪聲頻率中難以提取，而頻率是分析疑似松脫部件的主要參數(shù)，故無法通過采集的信號(hào)對(duì)松脫部件質(zhì)量進(jìn)行準(zhǔn)確估計(jì)[4]。

三、松脫件危害性評(píng)價(jià)

1.松脫件來源和位置分析

YE011/YE012/YE013三個(gè)傳感器安裝于蒸汽發(fā)生器外壁，相應(yīng)區(qū)域外壁無剛性連接的管道及支架，保溫層與蒸汽發(fā)生器也沒有直接接觸，保溫層局部松動(dòng)或在風(fēng)力帶動(dòng)下的撞擊信號(hào)響應(yīng)頻率與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況不符，故基本排除撞擊信號(hào)來自蒸汽發(fā)生器外部的可能。

YE011 距離YE012約1.5 米，YE012 距離YE013 約9.3 米，假設(shè)該類信號(hào)是由駐留在蒸汽發(fā)生器內(nèi)部的松脫部件引發(fā)，松脫件可能駐留的區(qū)域有：蒸汽發(fā)生器底部一回路水室、蒸汽發(fā)生器底部二次側(cè)管板上方、蒸汽發(fā)生器傳熱管中部支撐板、蒸汽發(fā)生器主給水分配環(huán)上。

如果松脫件在蒸汽發(fā)生器底部一回路水室，撞擊信號(hào)應(yīng)最先傳遞到距離最近的YE011通道，不滿足區(qū)間三個(gè)探頭的時(shí)差表現(xiàn)，故第一種情況排除。如果松脫部件在蒸汽發(fā)生器底部二次側(cè)管板上方，撞擊信號(hào)最先傳遞到距離最近的YE012 通道，因?yàn)閅E012 與YE013 有10 米以上的距離，YE013 不可能出現(xiàn)現(xiàn)在這個(gè)加速度水平的信號(hào)，故第二種可能排除。如果松脫部件在蒸汽發(fā)生器傳熱管中部支撐板上，這個(gè)位置到Y(jié)E012、YE011 以及YE013 通道加速度傳感器位置基本一致，不滿足信號(hào)的時(shí)差表現(xiàn)，故第三種情況排除。如果松脫件在蒸汽發(fā)生器主給水分配環(huán)上，按照加速度傳感器安裝距離，信號(hào)會(huì)首先傳遞到Y(jié)E013 通道，然后沿蒸汽發(fā)生器外壁依次傳遞到Y(jié)E012 和YE011，信號(hào)時(shí)差表現(xiàn)與現(xiàn)場(chǎng)觸發(fā)數(shù)據(jù)特征基本一致。

一回路在該區(qū)域的傳熱管內(nèi)不會(huì)駐留松脫件，所以松脫件應(yīng)是由二回路給水系統(tǒng)游動(dòng)過來的。主給水分配環(huán)出水孔孔徑約為7.3毫米，體積較大的金屬部件難以通過出水孔。而經(jīng)計(jì)算底部管板上方的水流速度較低，平均流速約為0.7 米/秒，在這樣的流速中金屬松脫件應(yīng)駐留于主給水分配環(huán)中。

排查現(xiàn)場(chǎng)消缺和運(yùn)維工作，1號(hào)蒸汽發(fā)生器主給水測(cè)溫元件SGS-TE066因端口漏氣并滴水，剛安裝完堵頭，計(jì)劃大修期間更換套管與溫度元件。現(xiàn)場(chǎng)巡檢發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)滲漏的熱電阻附近可清晰聽到金屬碰磨聲，但該位置距離1號(hào)蒸汽發(fā)生器較遠(yuǎn)，碰撞聲不足以傳遞這么遠(yuǎn)的距離觸發(fā)LPMS系統(tǒng)報(bào)警，即使能觸發(fā)報(bào)警，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)波形也與系統(tǒng)采集的記錄特征不吻合，判斷該TE066碰磨與前期松脫報(bào)警沒有直接聯(lián)系，但熱電阻儀表套管在持續(xù)撞擊中可能脫落并進(jìn)入蒸汽發(fā)生器，并游動(dòng)到蒸汽發(fā)生器主給水環(huán)中。

2.游動(dòng)路徑分析

圖3 TE066安裝示意圖

如圖3所示，TE066熱電阻插入套管內(nèi)部以測(cè)量流體溫度，套管采用承插式焊接，帶內(nèi)螺紋的一頭垂直焊接在管道BOSS 頭內(nèi)，另外一頭伸入管道內(nèi)部，總重量為1 152.1g。焊接缺陷或者腐蝕作用可能會(huì)在套管外表面形成初始缺陷，在水環(huán)境介質(zhì)和振動(dòng)載荷共同作用下裂紋出現(xiàn)擴(kuò)展，最終導(dǎo)致斷裂。

水流對(duì)物體的拖曳力計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式如下：

其中：

ρ為水的密度

CD為拖曳力系數(shù)

A1為物體垂直于流向的投影面積

U為流速

CD是與物體形狀有關(guān)的系數(shù)，按照經(jīng)驗(yàn)取值范圍1.05-2.05 選取。

假定斷裂部分為桿狀，徑向和軸向投影面積分別為0.002 27m2和0.000 285m2，滿功率主給水流速約7.77m/s，代入上式，可得拖曳力約為7.54N-117.4N。水流拖曳力有可能托起斷裂部分，向下游移動(dòng)。

圖4 TE066可能流動(dòng)路徑

如圖4所示，SGS-TE066位于主給水管線上，與SGS-TE060對(duì)稱安裝。分析SGS-TE066 在系統(tǒng)中位置，以及儀表套管尺寸、系統(tǒng)流程及運(yùn)行情況，在水流拖拽下可能去向有：(1)閥門SGS-V057A、V058A 內(nèi);(2)主給水管道內(nèi);(3)主給水管道分支管內(nèi)，以及最終至(4)蒸汽發(fā)生器內(nèi)。

(1)主給水隔離閥V057A 為通流直徑為508.8mm(20 英寸)的閘閥，主給水逆止閥V058A 為通流直徑為508.8mm(20 英寸)的逆止閥，兩個(gè)閥門本體內(nèi)部均無特殊結(jié)構(gòu)。在機(jī)組滿功率運(yùn)行工況下，閥門均處于全開狀態(tài)，考慮管道內(nèi)徑、主給水流量以及套管尺寸，斷裂部件存在于閥門內(nèi)部的可能性較小。

(2)分析主給水管道走向，主給水管道在核島廠房?jī)?nèi)最低點(diǎn)至最高點(diǎn)的高度差為30英尺，約為9.144m，斷裂件停留在管道最低點(diǎn)拐點(diǎn)處的可能性較大。

(3)主給水管道分支管疏水管SGS-L082A、排氣管SGS-L086A 以及引壓管L045A均為1英寸的小支管，管徑尺寸較小，不能完全排除該斷裂部件卡在閥門或其他部件中的可能性。

疏水管SGS-L082A 由主給水管向下引出，正常為滯留狀態(tài)。如果松脫件位于該疏水管內(nèi)，由于重力作用松脫件會(huì)駐留在疏水管內(nèi)，這種情況下該松脫件不會(huì)影響主給水管道運(yùn)行，只會(huì)在疏排水時(shí)降低疏水速率。但如果通過該疏水管進(jìn)行充水或充氣操作，引入自下而上的流體，則有可能將該松脫件沖回主給水管道中，這種情況下有可能影響后續(xù)運(yùn)行。因此，在后續(xù)運(yùn)行中須避免通過該管線進(jìn)行充水或充氣操作。

排氣管SGS-L086A 由主給水管豎直向上引出，正常為滯留狀態(tài)，運(yùn)行期間未進(jìn)行排氣操作，所以松脫件進(jìn)入該管段的可能性基本排除。如果松脫件意外卡在該排氣管內(nèi)，在運(yùn)行期間有可能因?yàn)檎駝?dòng)或壓力波動(dòng)松動(dòng)，并在重力作用下落回主給水管道內(nèi)，這種情況下有可能影響后續(xù)運(yùn)行。

引壓管L045A 由主給水管水平引出，正常為滯留狀態(tài)。如果松脫件滯留在該排氣管內(nèi)，在運(yùn)行期間有可能因?yàn)檎駝?dòng)或壓力波動(dòng)松動(dòng)，并在重力作用下滑落回主給水管道內(nèi)，這種情況下有可能影響后續(xù)運(yùn)行。

(4)根據(jù)受力分析，松脫件還可能在水流拖曳力作用下向下游移動(dòng)，并進(jìn)入給水分配環(huán)。如圖5所示，給水分配環(huán)上安裝有分配噴嘴，噴嘴直徑7.3mm。鑒于套管的最大直徑為19.05mm，最小直徑12.7mm，因此套管斷裂部分很有可能留在給水環(huán)中。

圖5 給水分配環(huán)

如果給水環(huán)及噴嘴結(jié)構(gòu)完整且不存在磨損，表明套管斷裂部分沒有通過給水分配環(huán)進(jìn)入SG 二次側(cè)；如果給水環(huán)及噴嘴結(jié)構(gòu)完整，但存在磨損痕跡，則表明套管斷裂部分可能以碎片的形式進(jìn)入了蒸汽發(fā)生器內(nèi)；如果給水環(huán)及噴嘴結(jié)構(gòu)不完整有損壞，那進(jìn)入SG 的套管斷裂部分可能是整段的大尺寸；如果套管斷裂部分進(jìn)入了SG 內(nèi)，則將進(jìn)入二次側(cè)管束上方的泥渣收集器，并可能會(huì)在此區(qū)域沉積，需對(duì)泥渣收集器進(jìn)行檢查。

3.危害性評(píng)價(jià)

綜合上述分析，該松脫件可能滯留區(qū)域包括主給水管道及疏水管、排氣管、引壓管，也有可能已破碎并經(jīng)排污管排出。

如果該松脫件仍在主給水管線內(nèi)，運(yùn)行期間該松脫件在水力作用下，可能進(jìn)入主給水隔離閥SGS-V057閥體凹槽內(nèi)或進(jìn)入蒸汽發(fā)生器。在長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行情況下，預(yù)期該松脫件不會(huì)在主給水管道或閥門內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)造成管磨損或者劃痕。如果該松脫件意外滯留在主給水隔離閥SGS-V0057閥體凹槽內(nèi)，且大幅往復(fù)運(yùn)動(dòng)，可通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)及時(shí)發(fā)現(xiàn)處理。

該松脫件可能會(huì)進(jìn)入蒸汽發(fā)生器主給水環(huán)并滯留在主給水環(huán)內(nèi)，但不影響蒸汽發(fā)生器運(yùn)行。

可能進(jìn)入二次側(cè)管束區(qū)域，將會(huì)損傷傳熱管，但可通過傳熱管渦流檢查和停堆期間二次側(cè)目視檢查發(fā)現(xiàn)。

溫度計(jì)SGS-TE066為非安全相關(guān)元件，不直接用于電廠控制，TE066不可用不影響系統(tǒng)功能。

四、異物排查和處理情況

電廠大修期間，維修人員將TE066套管焊點(diǎn)磨開，取出溫度元件，確認(rèn)套管已發(fā)生斷裂，約90mm 長(zhǎng)套管部件進(jìn)入蒸汽發(fā)生器系統(tǒng)。

使用內(nèi)窺鏡檢查蒸汽發(fā)生器主給水分配環(huán)內(nèi)部，發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)度約90mm 的一段套管，如圖6所示。主給水分配環(huán)噴嘴結(jié)構(gòu)完整性檢查后，未發(fā)現(xiàn)管嘴破損或磨損，說明套管部分一直駐留在主給水分配環(huán)，未被打碎，也沒有碎片進(jìn)入SG二次側(cè)。

圖6 蒸汽發(fā)生器主給水分配環(huán)內(nèi)發(fā)現(xiàn)的斷裂套管

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)閥門SGS-V057A、V058A 進(jìn)行了解體，對(duì)主給水隔離閥閥座底部卡槽進(jìn)行了檢查，閥門內(nèi)未發(fā)現(xiàn)有擦痕、磨損、減薄等情況。使用管道機(jī)器人對(duì)主給水止回閥V058A(閥芯抽出后)下游主給水管道進(jìn)行排查，使用內(nèi)窺鏡對(duì)相關(guān)小支管進(jìn)行了檢查，在打開主給水隔離閥V058A 后，使用內(nèi)窺鏡對(duì)止回閥和主給水隔離閥之間的管道進(jìn)行了檢查，檢查發(fā)現(xiàn)管道內(nèi)壁無劃痕、凹坑情況[5]。

五、結(jié)語

1.分析SG1上三個(gè)傳感器報(bào)警信號(hào)，結(jié)合探頭實(shí)際安裝距離以及撞擊波傳播速度，信號(hào)特征與撞擊特征相符合，判斷該信號(hào)是真實(shí)的撞擊信號(hào)。因撞擊波主頻淹沒在噪聲頻率中難以提取，無法通過采集的信號(hào)對(duì)松脫部件質(zhì)量進(jìn)行準(zhǔn)確估計(jì)。

2.經(jīng)排查現(xiàn)場(chǎng)消缺和運(yùn)維工作， SGS-TE066熱電阻儀表套管在持續(xù)撞擊中可能脫落并進(jìn)入蒸汽發(fā)生器，并游動(dòng)到蒸汽發(fā)生器主給水環(huán)中。

3.TE066熱電阻儀表套管脫落，不影響蒸汽發(fā)生器系統(tǒng)，不影響系統(tǒng)功能。

4.異物排查發(fā)現(xiàn)TE066套管已發(fā)生斷裂，約90mm 長(zhǎng)套管部件主給水分配環(huán)，未對(duì)管道設(shè)備造成損壞，現(xiàn)場(chǎng)排查情況和理論分析一致。