蒸汽發生器泄漏率監測儀修復經驗總結

章振宇，吳 品，羅 鵬，王浩鈞，許 滸,3

(1.中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300；2.陜西秦洲核與輻射安全技術有限公司，西安 710054；3.西安交通大學，西安 710049)

蒸汽發生器傳熱管破損泄漏，是壓水堆核電站最重要的事故之一，嚴重情況下會造成反應堆堆芯失水停堆，另外一回路冷卻水和蒸汽會從破損蒸汽發生器大氣釋放閥排出，對環境放射性水平造成較大的影響。目前壓水堆核電站使用輻射監測儀對主蒸汽管道中的N-16核素濃度進行連續監測，進而計算出蒸汽發生器泄漏率[1-2]。由于蒸汽發生器泄漏率監測儀長期工作在高溫高濕環境下，導致其故障率偏高，影響到了核電站相關系統的正常運行。本文從設備常見故障出發，對出現故障的原因進行了分析和測試，為該設備的穩定運行提供技術維修方案和處理措施。

1 監測儀工作原理及常見故障

壓水核反應堆中，核裂變反應產生的能量大于10 MeV 的快中子轟擊一回路冷卻水的氧原子，發生核反應，產生活化產物16N，16N的半衰期為7.13 s，在發生β衰變時會伴生能量為6.13 MeV(分支比：68%)和7.115 MeV(分支比：5%)的兩種γ射線。當蒸汽發生器內傳熱管發生破損時，一回路冷卻水中的16N核素將泄漏到二回路的主蒸汽中。在特定功率下，主蒸汽管道中16N核素活度濃度正比于蒸汽發生器內傳熱管處16N的泄漏率。SGLM201型蒸汽發生器泄漏監測儀安裝在主蒸汽管道側，通過對主蒸汽管道中4.5 MeV～7.0 MeV能量范圍內的γ射線強度進行測量，判斷蒸汽發生器是否破損，以及計算泄漏率[3]。

SGLM201型蒸汽發生器泄漏監測儀結構如圖1所示。

圖1 蒸汽發生器泄漏監測儀結構示意圖Fig.1 The schematic diagram of steamgenerator leak rate monitor

該探測裝置長期工作在高溫高濕環境中，出現的故障頻率較高。根據某核電站連續5年的統計，單臺設備的平均故障率約0.32次/a，雙機組一個大修周期內的故障率約2.9次。出現的主要故障包括：總γ閃發報警、穩峰異常報警、溫度異常報警、穩峰源等效γ能量異常等，表1為常見故障統計。初步判斷為探測器自身工作狀態異常引發的監測系統故障。本文通過對故障原因分析、修復策略研究等，給出適用于該設備的故障預防策略和故障維修方法。

表1 蒸汽發生器泄漏監測儀常見故障統計表Tab.1 Statistics of common faults of steam generator leakage monitor

2 故障檢測與分析

通過對探測器拆解發現，探測器內部隔熱棉有受潮霉變現象，分壓器電阻焊接點有腐蝕現象，密封墊圈規格不合適，防潮措施不足。針對以上發現的問題，逐個進行分析。

2.1 分壓器件故障分析

分壓器用來為光電倍增管各倍增極分壓，SGLM201型蒸汽發生器泄漏率監測儀分壓電路如圖2所示。通過對分壓器貼片電阻表面觀察，發現焊接點有腐蝕現象，疑似存在其他物質腐蝕的問題[4-5]。利用熱場發射電子掃描顯微鏡分析，有明顯的枝晶狀異常物質(圖3)，采用能譜分析(EDS)，發現主要成分為Ag和S，分析結果如圖4所示。根據異常物形態特征，判斷為硫化銀。由于硫化銀阻值高，且結構稀疏，會導致整個分壓器阻值分布異常。

圖2 蒸汽發生器泄漏率監測儀分壓電路圖Fig.2 Partial pressure circuit diagram ofSteam Generator Leak Rate Monitor

圖4 枝晶狀物成分EDS分析結果Fig.4 EDS analysis results of dendritic carbonitrides

貼片電阻銀導體油墨在一定條件下，受到了硫物質的腐蝕，造成電阻值異常。為了確定硫物質的來源，對隔熱棉材質進行了分析，結果如圖5所示。

圖5 隔熱材料成分分析結果Fig.5 Analysis results of thermal insulation materials

從圖5結果來看，隔熱棉主要成分為Mg、Si和S。其中S的質量百分比為15.39%。從材料表面S物質K層射線分布(見圖6)來看，S物質均勻分布于隔熱材料中，因此可以分析由于濕度及溫度的影響，電路板焊接位置受到了硫的腐蝕，導致分壓器阻值發生突變，出現不穩定的現象。從出現故障的分壓器阻值測量來看，常溫下測量阻值為3.85 MΩ，標稱阻值為3.2 MΩ，略有偏差。為了讓故障復現，對分壓器進行了2 h溫度沖擊測試[6](低溫-45 ℃，高溫+85 ℃)，分壓器瞬時阻值最高達到了5.53 MΩ，而對應維修后的分壓器阻值變化較小，測量結果如圖7所示。根據王能極[7]的研究，厚膜片式電阻器端電極和二次保護包覆層之間存在縫隙，空氣中的硫化物進入到厚膜片式電阻器內電極，導致內電極材料中的銀被硫化，生成電導率低的硫化銀，從而使電阻的阻值變大甚至開路。由此可見金屬銀受到硫的腐蝕，造成了阻值的異常波動甚至短時開路。

圖6 隔熱材料中硫元素K層特征射線分布圖Fig.6 X-ray characteristic distribution of K-layerof element sulfur in thermal insulation materials

圖7 溫度沖擊試驗分壓器阻值測定Fig.7 Measurement of resistance value of voltagedivider in temperature impact test

以上測量的電阻值為整個分壓器總阻值，由于分壓器電阻不穩定，導致各個倍增極間電壓分布與設計值差異較大，導致光電倍增管放大倍數波動較大，最終導致能譜穩定性變差。對于蒸汽發生器泄漏率監測儀來說，這種不穩定，在短時間內會造成總γ測量道內計數率瞬時變化，監測儀則會誤判為總γ計數率異常而報警。

2.2 防潮措施分析

通過拆解探測器發現，隔熱棉有明顯的潮濕霉變現象，干燥劑已變色，隔熱棉材料有板結現象，使用熱場發射掃描電子顯微鏡對隔熱棉材料拍照，顯示不規則結晶現象(如圖8所示)。

圖8 隔熱材料顯微鏡成像Fig.8 Microscopic imaging ofthermal insulation materials

通過對探測器結構分析，主要發現以下幾個問題：探測器外殼密封墊圈規格偏小，存在密封問題；螺紋通孔未做防潮處理；電連接器未做二次防潮處理；焊接工藝不到位，存在明顯毛刺；電路板未做三防處理。以上原因，會導致濕氣進入探測器內部，造成電路板腐蝕，焊接毛刺位置存在尖端放電的風險。

3 維修與性能測試

針對以上問題，本文從加強探測器結構防潮密封性、電路板二次處理、電路板三防處理及采用防硫化的全薄膜工藝電阻等幾個方面進行了維修和性能測試工作。具體處理措施包括以下幾個方面：

(1) 探測器后端蓋密封墊圈由原廠的215 mm×3.5 mm更換為220 mm×5.0 mm硅橡膠墊圈，安裝前涂抹硅脂進行防潮加固；

(2) 對后端蓋電連接器內部涂抹防潮膠，提高電連接器防潮特性；

(3) 對螺紋孔內部涂抹防潮膠，避免濕氣影響；

(4) 更換厚膜片式電阻為防硫化的全薄膜工藝電阻；

(5) 對電路板進行二次清潔，各器件進行重新焊接，并進行三防處理；

(6) 將探測器在拆解狀態下，放入40 ℃干燥箱干燥24 h，進行除濕；

(7) 整體安裝前放入新的干燥劑。

經過以上主要維修工作，實現了密封防潮加固的目的，同時也對已經受到濕氣影響的電路板進行了維修。

密封加固工作后進行了密封性能測試工作，首先在探測器內部預先放置一個溫濕度測量器和干燥指示劑，密封后將探測器置于45 ℃、95%RH溫濕度試驗箱中測試21天，然后打開探測器查看探測器內部濕度值和變色劑是否變色。試驗證明加固密封效果良好，達到了預期。

探測器維修后，進行了能量刻度和長穩測試，在0 ℃～40 ℃范圍內溫度考核測試，未出現閃發報警等故障。能量刻度后的探測器能譜圖如圖9所示。

圖9 經能量刻度后的監測儀能譜圖Fig.9 Energy spectrum of monitorafter energy calibration

長穩測試之后將探測器置于濕度箱中進行72 h考核測試，溫度35 ℃，濕度95%RH。測試過程探測器工作狀態穩定，測試過程穩峰源位置偏差在(275±3)道以內，總γ計數率在(150±30)s-1以內。濕熱試驗結束后拆開探測器后蓋，干燥劑顏色未見變色。

6臺探測器基本特性測試后，使用原廠校準源架及Cs-137源進行測試，結果列于表2。

表2 源測試結果1)Tab.2 Radioactive source test results

從表2測試結果來看，本次維修的探測器探測性能沒有明顯降低，同時經過維修加固，固有故障得到了修復，設備整機穩定性得到提升。

4 結論

蒸汽發生器泄漏率監測儀由于其使用環境溫濕度較高，應特別注重監測儀在防潮密封、電路板三防處理等方面的問題。

通過多個探測器故障處理的過程進行分類總結，形成以下兩個結論：

(1)由于硫物質均勻分布于隔熱材料中，在一定溫濕度條件下電路板焊接位置及電路板導線會受到硫的腐蝕，導致分壓器阻值發生突變，出現不穩定的現象，甚至開路；

(2)分壓器阻值發生突變會導致探測器信號采集失真、探測性能下降，也是導致探測器閃發高計數率報警問題的一個重要原因。

針對以上出現的故障，提出以下幾點設計加固及預防性維修措施：

(1) 在防潮設計上進行優化；

(2) 在元器件選型上采用更為耐腐蝕的器件；

(3) 隔熱材料的選型上進行優化，避免使用含硫材料；

(4) 電路板進行三防處理，必要時進行灌膠加固。

本文通過故障分析、故障處理及測試幾個方面的工作，為該設備的設計修改提供了參考，也為現役設備的維修提供參考，可更好地保障核電站安全運行，降低監測設備的故障率。