海洋條件對一回路松脫部件監(jiān)測系統(tǒng)的影響分析

鞠燕娜，葉 亮，韓萬富，劉青松，李權(quán)彰，馮 勇，張 超

(中廣核研究院有限公司，廣東 深圳 518005)

0 引言

隨著我國海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略的實施，國家大力發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)，海洋資源開發(fā)需要強(qiáng)有力的能源支撐。核能既能夠為船舶遠(yuǎn)洋航行作業(yè)提供環(huán)保動力，又能廣泛應(yīng)用于海水淡化、供熱、供電等領(lǐng)域，被認(rèn)為是理想的海上能源供給方式。

海洋核能源通常通過船舶或平臺搭載核動力裝置實現(xiàn)，目前國際在運(yùn)、國內(nèi)在研海洋運(yùn)行核動力裝置主要采用小型壓水反應(yīng)堆[1]。為保障反應(yīng)堆安全、避免一回路松脫件對反應(yīng)堆一回路各設(shè)備部件造成損傷，在運(yùn)行過程中，需要通過松脫件監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行實時監(jiān)測。

1 系統(tǒng)介紹

松脫部件監(jiān)測系統(tǒng)的功能是探測與定位反應(yīng)堆正常運(yùn)行工況下一回路系統(tǒng)冷卻劑的松脫部件。具體原理為，布置在主設(shè)備冷卻劑壓力邊界外壁面的加速度傳感器測量到松脫部件撞擊器壁產(chǎn)生的高頻振動信號，產(chǎn)生與振動加速度成比例的電荷信號，并通過電荷轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電壓信號。電壓信號通過安裝在機(jī)柜中的信號調(diào)理器進(jìn)行調(diào)理和放大。系統(tǒng)機(jī)柜通過特定算法對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以尋找表征金屬表面撞擊的數(shù)據(jù)特性。當(dāng)在一個通道探測到一次金屬撞擊時，所有通道的數(shù)據(jù)寫入壓縮文件，存儲到系統(tǒng)硬盤。當(dāng)撞擊事件超過報警閾值時，系統(tǒng)報警。

國內(nèi)現(xiàn)役核電站的松脫部件監(jiān)測系統(tǒng)大多從國外進(jìn)口。例如，秦山核電一期為美國西屋供貨，秦山核電二期核電廠、大亞灣和嶺澳核電站為法國供貨,田灣核電廠為俄羅斯供貨[2]。當(dāng)前，國內(nèi)相關(guān)單位也正在開展常規(guī)陸上核電站松脫部件監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用，尚未針對海洋運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行適應(yīng)性研究。

2 海洋運(yùn)行環(huán)境特征

海洋環(huán)境使用的設(shè)備，需要考慮海洋條件帶來的氣候環(huán)境和機(jī)械環(huán)境的共同影響，當(dāng)前國家已經(jīng)制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)。根據(jù)GB/T 14092.4機(jī)械產(chǎn)品環(huán)境條件的要求[3]，海洋氣候環(huán)境主要包括低溫、高溫、空氣壓力、濕度、風(fēng)、凝露、結(jié)霜等。機(jī)械振動環(huán)境主要包括穩(wěn)態(tài)振動、非穩(wěn)態(tài)振動引起的沖擊、傾斜、搖擺、繞軸回轉(zhuǎn)、恒加速度等。

針對海上核動力裝置，國家核安全局也印發(fā)了浮動核動力裝置在海上作業(yè)海域外部事件確定功能設(shè)計基準(zhǔn)的要求[4]。其詳細(xì)說明了包括波浪、風(fēng)、風(fēng)浪流組合、極端水溫、極端氣溫、海生物、海冰、極端雪、海嘯、龍卷風(fēng)等外部自然事件，以及包括船舶碰撞、飛機(jī)墜毀、爆炸、油污、火災(zāi)、危險化學(xué)品釋放等外部人為事件。

3 系統(tǒng)設(shè)計要求與設(shè)計難點(diǎn)

根據(jù)海洋核動力裝置特點(diǎn)及海洋運(yùn)行條件要求，一回路松脫部件監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計主要受到海洋機(jī)械振動環(huán)境以及外部人為事件(如船舶碰撞)的影響。為確保系統(tǒng)可以按功能要求承受所有作業(yè)工況、自存工況和極限工況下的動、靜載荷，對松脫部件監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計提出了更高的要求，也為系統(tǒng)設(shè)計帶來一系列難題。

①本底噪聲復(fù)雜。海洋條件下運(yùn)行的核動力裝置的本底噪聲主要為兩類噪聲疊加:一類為反應(yīng)堆運(yùn)行時主泵、汽輪機(jī)、螺旋槳等旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備產(chǎn)生的強(qiáng)背景噪聲，為多種成分組成的非平穩(wěn)非線性信號；另一類為海洋環(huán)境噪聲信號，是普遍的寬帶隨機(jī)信號，不同頻段、不同海域環(huán)境噪聲差異很大。兩類噪聲的疊加使本底噪聲信號強(qiáng)烈[5]。在松脫部件實時監(jiān)測過程中，強(qiáng)噪聲信號可能淹沒小質(zhì)量松脫部件跌落所產(chǎn)生的沖擊信號，造成沖擊信號提取困難，影響松脫部件定位及質(zhì)量估計，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生誤報或者漏報。

②探測靈敏度要求高。根據(jù)國內(nèi)松脫部件監(jiān)測相關(guān)規(guī)范要求，系統(tǒng)應(yīng)能監(jiān)測到松脫零件以0.7 J的動能撞擊反應(yīng)堆冷卻劑壓力邊界內(nèi)表面，撞擊點(diǎn)距離傳感器小于1 m，探測質(zhì)量范圍約為0.1～15 kg[6-7]。海洋核動力裝置整體尺寸較小，一回路內(nèi)部易松脫零部件質(zhì)量普遍較小，系統(tǒng)對可探測質(zhì)量精度提出更高要求。

③前端儀表性能要求高。海洋核動力裝置反應(yīng)堆壓力容器壁厚較小、設(shè)備間距近，布置于容器外壁面的傳感器及反應(yīng)堆艙內(nèi)電荷轉(zhuǎn)換器位置處的中子注量和γ輻照劑量均可能超過傳統(tǒng)陸上核電站。因此，對前端傳感器、電荷轉(zhuǎn)換器等儀表的耐輻照要求更高，前端儀表選型困難。

④反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)變化帶來聲傳播路徑變化。根據(jù)規(guī)范要求，測點(diǎn)布置應(yīng)具備由內(nèi)部結(jié)構(gòu)向壓力邊界傳播的有利條件，通常布置在脫落部件聚集區(qū)域及松動部件可由內(nèi)部結(jié)構(gòu)向壓力邊界傳播處。海洋環(huán)境壓水堆核動力裝置反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)多為一體化或緊湊式布置，新的內(nèi)部結(jié)構(gòu)影響沖擊信號的傳播路徑，為傳感器測點(diǎn)布置設(shè)計帶來新的挑戰(zhàn)。

⑤測點(diǎn)位置可達(dá)性差，影響設(shè)備維修更換。緊湊或一體化布置的反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)空間狹小，屏蔽結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)雜，部分測點(diǎn)位置人員不可達(dá)，造成傳感器后期維修、更換、校準(zhǔn)困難。

⑥報警分析困難。在常規(guī)陸上核電站，誤報警是困擾松脫部件監(jiān)測的一個重要問題。頻繁誤報警導(dǎo)致監(jiān)測結(jié)果可靠性降低，干擾運(yùn)行人員的判斷，導(dǎo)致監(jiān)測系統(tǒng)不能發(fā)揮作用。因此，提高報警的準(zhǔn)確性仍然是國內(nèi)外系統(tǒng)監(jiān)測研究亟待解決的問題[8]。實際運(yùn)行時，在監(jiān)測系統(tǒng)出現(xiàn)報警信號后，往往需要結(jié)合專家分析和附加現(xiàn)場試驗，才能最終確定撞擊事件[9-11]。海洋環(huán)境下，誤報警問題仍然存在。松脫事件報警可能出現(xiàn)在航行工況和作業(yè)點(diǎn)工況下。此時遠(yuǎn)離岸邊，專家分析無法快速響應(yīng)，現(xiàn)場運(yùn)行人員技術(shù)能力和經(jīng)驗有限，影響撞擊事件的判斷，容易造成不必要的停堆或安全隱患。

⑦海洋機(jī)械環(huán)境適應(yīng)性待驗證。新堆型陸上核電站松脫部件監(jiān)測系統(tǒng)投運(yùn)前，樣機(jī)需開展功能試驗與鑒定試驗，驗證系統(tǒng)監(jiān)測功能有效性與運(yùn)行可靠性。功能試驗通常采用不同質(zhì)量規(guī)格的小鋼球模擬反應(yīng)堆內(nèi)可能出現(xiàn)的松脫部件[5]，撞擊平面鋼板和鋼制容器分析沖擊信號。鑒定試驗則依據(jù)系統(tǒng)所處環(huán)境開展電磁兼容、高低溫、濕熱交變、振動等試驗。海洋核動力裝置反應(yīng)堆松脫部件監(jiān)測系統(tǒng)受到海洋機(jī)械環(huán)境帶來的振動、傾斜、搖擺、蕩、船體撞擊等事件影響，其功能有效性、環(huán)境適應(yīng)性尚無相關(guān)試驗驗證。

4 解決方案建議

針對海洋核動力裝置一回路松脫部件監(jiān)測系統(tǒng)的特殊性，本文從設(shè)計角度提出以下解決建議。

①針對復(fù)雜的海洋環(huán)境引起的本底噪聲，裝置本身應(yīng)采取合理的消除或降低噪聲措施。例如:提高反應(yīng)堆的自然循環(huán)能力，低速工況下主泵不需要運(yùn)行，可消除運(yùn)行噪聲；采用全電力推進(jìn)，取消齒輪減速器，消除齒輪減速器產(chǎn)生的噪聲；改進(jìn)螺旋槳設(shè)計以提高其加工精度，或者采用新型推進(jìn)器以減小推進(jìn)器的運(yùn)行噪聲。

②系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)針對復(fù)雜的本底噪聲開發(fā)適應(yīng)性抗噪方案。加強(qiáng)海洋環(huán)境下背景噪聲抑制，有效保留沖擊信號是抗噪算法研究的主要目標(biāo)。目前，小波閾值去噪的方法被證明能夠有效實現(xiàn)信號分離。基于小波能量譜的松脫部件碰撞質(zhì)量估計算法有較好的試驗測試效果[10-11]，具有較高的工程實際應(yīng)用價值。

③優(yōu)化報警算法提高報警準(zhǔn)確性。目前，大多數(shù)松脫部件監(jiān)測系統(tǒng)采用的報警機(jī)制如下。對松脫信號的均方根(root mean square,RMS)值進(jìn)行幅度甄別，超過甄別閾值的即作為“事件”信號而被記錄。當(dāng)累計超過預(yù)定值時，給出報警信號。事實證明，由于傳感器運(yùn)行環(huán)境聲源的復(fù)雜與豐富性，它的抗誤報警能力是有限的。尤其對海洋船艦運(yùn)行的核動力船艦而言，環(huán)境的干擾更易出現(xiàn)誤報警情況。對此，可采取細(xì)網(wǎng)格劃分、波形甄別、可調(diào)閾值設(shè)計、提高信號信噪比等方法降低誤報警概率。

④提高探測器的耐輻照性能，延長使用壽命。海洋運(yùn)行核動力裝置反應(yīng)堆艙內(nèi)部由于設(shè)備緊湊型布置，各設(shè)備距離堆芯近，對傳感器及電荷放大器的耐輻照指標(biāo)要求提高。對此，應(yīng)選用使用壽命長，耐輻照劑量指標(biāo)高的一次儀表設(shè)備，電荷轉(zhuǎn)換器封裝盒需要進(jìn)行屏蔽設(shè)計。

⑤靈活設(shè)計測點(diǎn)布置方案。反應(yīng)堆壓力容器底封頭處為脫落部件的普遍聚集區(qū)，應(yīng)設(shè)置足夠的測點(diǎn)數(shù)量，布置范圍應(yīng)覆蓋監(jiān)測系統(tǒng)最小的探測靈敏度要求。同時，通常在蒸汽發(fā)生器一次側(cè)入口處也應(yīng)設(shè)置測點(diǎn)，用于監(jiān)測是否會有松脫部件進(jìn)入傳熱管束內(nèi)。建議其他連接結(jié)構(gòu)處易松脫件進(jìn)行沖擊振動傳遞路徑模擬，找到壓力邊界容器壁衰減最短路徑，優(yōu)化測點(diǎn)布置設(shè)計。

⑥充分考慮維修可達(dá)性。前期在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)充分結(jié)合監(jiān)測需求與結(jié)構(gòu)可達(dá)性，優(yōu)化部分傳感器測點(diǎn)位置；同時，應(yīng)做好開發(fā)完成狹小空間下不可達(dá)位置的儀表檢修與更換作業(yè)專用智能設(shè)備的準(zhǔn)備。

⑦優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，縮減占用空間。電氣艙內(nèi)同樣空間狹小，在開展機(jī)柜硬件設(shè)計時，應(yīng)盡可能考慮硬件的模塊化和集成化，減少機(jī)柜的數(shù)量、縮小占地空間和高度。為適應(yīng)海洋搖擺應(yīng)用環(huán)境，機(jī)柜內(nèi)部構(gòu)件應(yīng)設(shè)計可靠的固定和防松結(jié)構(gòu)，機(jī)柜與電器艙地板的連接方式需要考慮承受船體發(fā)生惡劣海況的劇烈傾斜及事故沖擊。

⑧充分驗證，保證系統(tǒng)可靠性。為滿足海洋運(yùn)行要求，松脫部件監(jiān)測系統(tǒng)硬件系統(tǒng)可根據(jù)《電氣電子產(chǎn)品型式認(rèn)可試驗指南》，設(shè)計一系列型式認(rèn)可試驗[11]。除了常規(guī)電站松脫部件監(jiān)測系統(tǒng)需完成的高溫、低溫、濕熱交變、電磁兼容等試驗外，還應(yīng)設(shè)置結(jié)合實際船艦運(yùn)行情況的傾斜和搖擺試驗、抗沖擊試驗等。

5 結(jié)論

較陸地壓水堆核電廠，海洋環(huán)境運(yùn)行的一回路松脫部件監(jiān)測系統(tǒng)本底噪聲復(fù)雜，存在搖擺、傾斜、撞船沖擊等惡劣運(yùn)行工況，裝置本身尺寸小、結(jié)構(gòu)緊湊，因此對系統(tǒng)的探測靈敏度、儀表耐輻照性能、系統(tǒng)運(yùn)行可靠性等方面提出更高要求。本文結(jié)合不同設(shè)計方案，提出需重點(diǎn)研究因功能需求變更帶來的諸多問題。如:消除海洋環(huán)境運(yùn)行本底噪聲的抗噪方案，降低不穩(wěn)定運(yùn)行環(huán)境帶來的誤報警率，提高小質(zhì)量松脫部件探測能力，探索更加精確的松脫件定位算法，優(yōu)化測點(diǎn)布置方案，同時需關(guān)注前端儀表維修更換可行性，開展狹小空間下拆裝維修作業(yè)智能設(shè)備的研究。在試驗驗證方面，最大限度模擬高溫高壓回路運(yùn)行環(huán)境開展系統(tǒng)功能試驗驗證，同時應(yīng)增加《電氣電子產(chǎn)品型式認(rèn)可試驗指南》中要求的傾斜搖擺、沖擊等型式認(rèn)可試驗，驗證系統(tǒng)在海洋環(huán)境下運(yùn)行的可靠性。