堆芯核測系統通道卡澀故障分析及優化

莫澤洲（中核核電運行管理有限公司 維修一處，浙江 嘉興 314300）

1 系統功能描述

堆芯核測系統（見圖1）是核電廠重要儀表系統，由探測器、同軸電纜、指套管、導向管、手動閥、密封段、電動閥、驅動機構、控制柜等組成，共有30個測量通道插入堆芯中。30個通道又分為三組，每組10通道配置一支微型裂變室探測器，3支探測器分別由各自一臺驅動機構來驅動，探測器可以直接在這30個通道中進行中子通量測量，在反應堆啟堆階段測量較為頻繁，在功率運行期間每月測量一次[1]。通過定期試驗測量堆芯中子的通量分布來提供反應堆堆芯的以下信息：

圖1 堆芯核測系統布置圖Fig.1 Layout of in-core instrumentation system

圖2 2016～2019年缺陷數Fig.2 The number of defects from 2016 to 2019

1）測定功率徑向不平衡式探測控制棒偏離上下帶的位置。

2）檢驗燃料組件的燃耗功率分布是否符合設計要求。

3）跟蹤各燃料組件的燃耗。

4）校核堆外測量儀表。

2 故障現象及潛在后果

2.1 故障現象

功率分布定期試驗過程中，機柜標高數字顯示停止且指示燈“驅動機構卡住”點亮，按下按鈕“驅動機構卡住重新恢復允許”后，指示燈“驅動機構卡住”熄滅后又重新點亮，此時探測器在通道中卡住，探測器不可用。近幾年，此類故障現象頻繁發生。

2.2 潛在后果及影響

根據技術規格書3.3.3.2章節中規定，可移動式堆內通量測量系統在同時滿足下列情況時是可運行的：

1）至少有75%的探測器套管完好。

2）堆芯每個象限最少有2個探測器套管完好。

3）有效的可移動式探測器，驅動裝置和作通量圖的讀出設備完好。

4） 在使用前24h內，對所用的每一個探測器的輸出進行歸一化來確定它們是可運行的。

圖3 01#堆芯核測系統機械部件示意圖Fig.3 Mechanical components diagram of in-core instrumentation system in 01#

系統定期試驗為月定期試驗，單個探測器不可用情況下可用支援模式完成試驗，但此時系統已無冗余，堆芯核測系統運行已近30年，各類元器件性能面臨挑戰，通過分析近幾個循環的缺陷可知，系統故障頻度大幅上升，其中01#廠房（核島廠房）機械故障占90%以上（見圖2）。而功率運行期間01#廠房機械故障檢修是對人員檢修技能水平、輻射防護工作的重大挑戰，探測器從堆內抽出至起初點的瞬時劑量高達100mSv/h，高溫、高瞬時劑量等作業環境大大限制了檢修人員的作業范圍、作業時間。所以，如何預防功率運行期間堆芯核測系統出現機械故障已是迫在眉睫。

3 故障分析及優化

3.1 缺陷分析

01#廠房堆芯核測系統機械部件由驅動機構，組選擇器、路組選擇器、路選擇器、電動閥、密封段、手動閥、指套管、導向管等組成（見圖3）。

通過跟蹤近幾個燃料循環堆芯核測系統缺陷發現01#機械故障占總缺陷的90%以上，其中機械故障主要集中在驅動機構（見表1）。所以，降低驅動機構側機械部件故障率可有效降低堆芯核測系統故障率，進而避免功率運行期間，檢修人員搶修情況發生。

3.2 驅動機構

驅動機構由雙速電機、力矩限制器、卷輪、壓緊鏈條、減速齒輪箱、力矩張緊器等部件組成，驅動探測器在指套管內前進/后退（見圖4）[2]。

由表1可知，驅動機構故障因素主要有4點（見圖5）：探測器及驅動電纜、力矩限制器、驅動盤壓緊鏈條、驅動電機，其中力矩限制器為主要故障點。

3.2.1 驅動盤壓緊鏈條

壓緊鏈條的作用是將驅動電纜壓在卷輪上，起固定和導向作用（見圖6），壓緊鏈條松脫會導致驅動電纜脫離運行軌道，甚至電纜彎折，有損傷驅動電纜的風險；壓緊鏈條過緊會導致探測器及驅動電纜磨損，同時也會影響力矩限制器，加速摩擦片磨損。

建議在大修預維中增加壓緊鏈條張緊度檢查項，可放在驅動機構檢查（1C）中一起實施，必要時調節張緊度在合適范圍（見表2）。

3.2.2 驅動電機

驅動機構雙速電機（見圖7）為雙向、雙速并帶有制動器的三相交流電機，它通過減速器帶動電纜驅動輪以足夠大的力量將驅動電纜及探測器插入任何一個通道，包括正常、救援、參考和保護通道。驅動電機的電源為380V，50Hz三相交流，減速器輸出轉速為高速18m/min，低速3m/min，分別對應探測器高速和低速。當探測器進入堆芯時，電機從高速切換為低速；當探測器退出堆芯時，電機從低速切換到高速[3]。

圖4 驅動機構Fig.4 Drive unit

圖5 驅動機構故障因素Fig.5 Failure factors of drive unit

圖6 壓緊鏈條Fig.6 Chain presser and tensioner

表2 壓緊盤壓緊鏈條預維表Table 2 Pre-maintenance table of chain presser and tensioner

圖7 驅動電機Fig.7 Drive motor

圖8 探測器及驅動電纜Fig.8 Detector and drive cable

圖9 探測器及驅動電纜故障原因樹狀圖Fig.9 The fault reason tree diagram of detector and drive cable

大修預維包含對驅動電機絕緣電阻測量的預維，近4個循環中驅動電機故障僅出現1例。針對該次缺陷，現場檢查發現電機變速齒輪箱漏油，導致驅動電機絕緣下降，過流保護動作的情況。現已修改預維大綱，增加驅動電機定期解體檢查預維項目，從目前預維頻度和缺陷率綜合考慮，當前預維能滿足系統運行要求。

3.2.3 探測器及驅動電纜

作為測量組的敏感元件的探測器是一個微型裂變室，該裂變室由一個中央電極和兩層不銹鋼的密封同軸包殼組成，中央電極上涂有一層90%濃度的鈾235氧化物。測量的空腔充滿氬氣（Ar），上部是焊接的彈頭裝頭塞，下部與驅動電纜相連（見圖8）。

探測器及驅動電纜作為故障點的方式，主要有變形（彎折）和磨損（見圖9）。其中，壓緊鏈條張緊度問題已在前文討論過，下面重點分析探測器及驅動電纜與指套管內壁磨損問題。秦一廠119大修中，指套管清洗（3C項目）作為外包項目實施，在啟堆后功率分布試驗中探測器出現卡澀現象。后經分析，清洗后的指套管內壁干澀會導致與探測器及驅動電纜的摩擦力增大，這是導致探測器卡澀的直接原因。

所以，指套管清洗后必須對指套管內壁進行潤滑。現有解決途徑是：一是利用噴槍裝置在指套管內壁形成一層薄薄的潤滑層（潤滑劑為NEOLUBE），并在潤滑后連接氣源進行干燥；二是直接對驅動電纜進行潤滑，在驅動電纜上人工涂抹石墨潤滑脂。兩種方式均能解決指套管清洗后內壁干澀帶來的問題。但由于兩種方式均為人工操作，若操作不當導致潤滑劑用量過多，在功率運行期間系統運行探測器回抽時可能會導致潤滑劑被帶出，活化的潤滑劑會導致整個房間劑量上升，對輻射防護工作是巨大的挑戰。

因此，針對現有的指套管潤滑措施，必須明確潤滑劑用量和輻射防護風險。有以下3點建議：

1） 針對現有指套管潤滑技術方案進行評估，會同技術處制定維修策略形成標準化流程，明確潤滑劑用量。

2）成立項目組，研發指套管自動潤滑裝置。盡可能減少人在其中扮演的角色，這也可避免功率運行期間必要時，人工補涂潤滑劑帶來的輻射風險。

3）大修預維中，增加對指套管潤滑度/驅動電纜潤滑度的檢查項。

3.2.4 力矩限制器

力矩限制器（見圖10）：位于減速器和驅動輪之間，連接減速器輸出軸和驅動輪軸。當探測器和驅動電纜在某一通道卡住時，力矩限制器即打滑，此時驅動電機轉動而驅動輪不動，從而保護裂變室和驅動電纜不被損壞。

當探測器出現多次通道卡澀或者按下緊急停止按鈕，會對力矩限制器摩擦片造成不同程度的磨損，最終導致力矩限制器力矩不滿足要求，產生打滑現象。

現場檢查發現卡澀故障后，可明顯看出力矩限制器打滑，測試力矩在正常范圍下限值（正常范圍25N.m～31N.m），對力矩限制器解體后發現摩擦片磨損嚴重。

圖10 力矩限制器Fig.10 Torque limiter

表3 力矩限制器預維表Table 3 Pre-maintenance table of torque limiter

目前，大修預維中并無針對力矩限制器項目。針對近幾個燃料循環中力矩限制器打滑導致探測器不可用和后續帶功率搶修的情況，建議修改預維大綱，評估摩擦片壽期和預維頻度，增加力矩限制器預維項目（見表3）。

4 結束語

本文從故障點入手，介紹秦一廠堆芯核測系統現狀，堆芯核測系統運行已近30年，各類元器件性能面臨挑戰。面對近幾個燃料循環系統故障率大幅上升的現狀，分析缺陷可知01#廠房機械故障占90%以上，進一步分析機械故障主要集中在驅動機構。降低驅動機構機械部件故障率就可有效降低堆芯核測系統故障率。

通過梳理驅動機構4個高頻故障點：探測器及驅動電纜、力矩限制器、驅動盤壓緊鏈條，雙速電機，其中力矩限制器為主要故障點，分析當前預維項目、預維頻度，針對性地對上述4個故障點預維項目進行優化，通過自主檢修降低系統故障率，提升系統可靠性，進而避免功率運行期間帶功率搶修情況發生。