廢氣監測系統故障模式分析及解決策略

葉倫榮，夏善杰，劉 洋，岳民凱，畢欽思

（中核核電運行管理有限公司 維修五處，浙江 嘉興 314300）

0 引言

根據《中華人民共和國核安全法》第四十四條規定，核設施營運單位應當對其產生的放射性廢氣進行處理，達到國家放射性污染防治標準后，方可排放。重水堆核電廠為了確保廢氣達標排放專門設置了廢氣監測系統，能夠對廢氣進行連續地在線監測。當廢氣中的放射性水平達到或超過允許排放的限值時，廢氣監測系統將給出報警信號，并在主控室報警，使運行人員能夠馬上采取措施停止排放廢氣。本文通過系統性地梳理近5年來的缺陷數量和總類，通過參照EPRI設備故障模式，針對廢氣監測系統故障模式進行分析，探尋解決方法，并梳理出典型缺陷以及處理方法，以期為該系統運維儲備經驗。

1 重水堆核電廠廢氣監測系統原理及功能

重水堆核電廠廢氣監測系統是全廠輻射監測的重要組成部分，該系統對煙囪氣體排出物中的氣溶膠、碘、惰性氣體進行連續在線監控。當廢氣中的放射性水平達到或超過允許排放的限值時，廢氣監測系統將給出報警信號，并在主控室進行報警和顯示[1]。本系統通過C-14收集系統和氚收集器為實驗室定期分析提供標本，另外該系統在兩個機組各新增了一套備用氣溶膠、碘、惰性氣體、碳-14和氚取樣/收集裝置，在原煙囪監測系統停機維修或失效導致無法保證放射性氣態流出物的取樣監測時投運。

C-14取樣器對煙囪廢氣中的總氚、總C和無機氚、無機C進行取樣，樣品在規定時間內送至實驗室進行分析，防止異常排放。該系統流程簡圖如圖1所示，當采樣氣體從煙囪取樣后分成兩路，一路進入氣溶膠過濾器、碘采集器，然后進入惰性氣體采集器，再通過氚采集器后與另一路（經過C-14取樣器）匯合一起回到煙囪。

圖1 廢氣監測系統流程Fig.1 Exhaust gas monitoring system process

圖2 NMAC調查結果Fig.2 NMAC Survey results

2 重水堆核電廠廢氣監測系統設備組成

廢氣監測系統主要由輻射測量回路、檢查源裝置、取樣泵、流量測量儀表、壓力測量儀表、溫度測量儀表、氣溶膠過濾器、碘過濾器、伴熱電纜、閥門等組成。輻射測量回路主要是CANBERRA公司的輻射測量儀表[2]，主要包括顯示率表、前置放大器和探頭。探頭主要是對放射性射線進行響應，將光子轉換成光電子并經光電倍增管逐級放大后送前置放大器處理。前置放大器給探頭提供高壓，并接收探頭信號進一步放大脈沖幅度和形狀甄別，將處理后的信號送顯示率表。顯示率表接收前置放大器輸出的信號，對信號進行累積、平均和計算，再進行顯示。數據經內部I/O板和電源板輸出信號，送用戶接口板給主控報警和顯示，同時也給前置放大器提供工作電壓。顯示率表可以進行測試、參數設置和參數檢查，可以啟動檢查源裝置和探頭內部的LED發光二極管測試，確認探頭晶體和整個回路電子線路工作正常，是用作系統的人機交互界面。

3 設備故障模式確定

EPRI（美國電力科學研究院）依據代表設備特別故障模式的故障特征數據庫來自動匹配被監測設備的條件，提供一個匹配當前條件的可能故障模式的排名順序，根據Nuclear Maintenance Application Center的調查[3]，確定了廢氣監測系統如下故障模式：

參照EPRI（美國電力科學研究院）設備故障模式，梳理出最近5年內67883廢氣監測系統共有缺陷49項，詳見表1廢氣監測系統缺陷數量統計表（近5年）。按照缺陷原因主要分為16類缺陷，每類缺陷數量和百分比見表1。其中，取樣泵故障為頻率最高，近5年共發生過8次，占比16.33%，其次是高壓板故障、管線故障堵塞等，占比10.20%，其余諸如氣瓶異常、濾波器故障、計時器故障等也偶有發生。

表1 廢氣監測系統缺陷數量統計表Table 1 Statistical table of defects in the exhaust gas monitoring system

4 高頻故障的解決方法

4.1 取樣泵故障處理

廢氣監測系統近5年取樣泵故障次數為8次，占缺陷總數的16.33%，屬于高頻缺陷。67883-PL1477盤臺取樣泵GAST公司生產的1023-101Q-SG608X真空葉片泵，用于為廢氣監測系統提供樣品輸送，如取樣泵停運，將影響煙囪廢氣監測。煙囪廢氣監測系統有TS（技術規格書）限制，沒有降模式要求，取樣泵設備分級為NC級（非安全級）。

通常缺陷類型有：

1）真空泵溫度過高

1023-101Q-SG608X真空葉片泵具備過熱保護，如過熱會自動停運，冷卻后會自動重新啟動。根據取樣泵運行維修手冊，取樣泵過熱的可能原因如下：進口過濾器臟、出口過濾器臟、真空/壓力管線變形坍塌，真空釋放閥設定過高，取樣泵內存在灰塵或粉塵，電機接線錯誤，真空/壓力管線堵塞等。

如2021年10月19日，現場巡檢發現1-67883-PL1477出現流量低顯示，取樣泵處于停運狀態。此類缺陷將會導致系統不可運行，由此進入TS（技術規格書）限制。現場將取樣泵拆下后在車間試驗，確定為取樣泵過熱導致取樣泵停運。最終定位為取樣泵進出口循環閥開度過小，用于防止取樣泵入口真空度過高，正常循環閥開度在1圈左右，而發生此次故障時循環閥開度在1/6圈，循環閥開度偏小會直接導致取樣泵溫度升高。

2）真空泵振動較大

正常情況下，取樣泵工作正常無異音，電機溫度為40℃左右，使用測振儀測量電機振動量，空轉狀態振動量為3.5mm/s，取樣狀態振動量為4.6mm/s。

判斷真空泵是否振動較大的方法：斷開泵進出口管線使用測振儀測量電機振動量在10mm/s～12mm/s之間波動，即可判斷為取樣泵運行異常。

可能存在的原因：取樣泵電機后部軸承處的波紋墊片斷裂，導致軸承生銹且轉動偏差，最終產生異音和大幅振動。

4.2 REMOTE ALARM和LEAK TEST FAIL報警

缺陷可能的原因：總C-14取樣回路干燥劑瓶內部鼓泡砂頭堵塞，導致該取樣回路真空度過高引發REMOTE ALARM和LEAK TEST FAIL報警，有時也會伴隨出現設備流量報警和泵故障報警等。該鼓泡頭是孔隙為60u的金屬燒結部件，由于長期沉浸在NaOH溶液中，鼓泡頭孔隙中會存在結晶而堵塞，而且最后一個干燥瓶內裝的硅膠顆粒在安裝的過程中會被擠碎而堵塞鼓泡頭。該取樣瓶每周更換，每次都會對鼓泡頭進行清洗，因此通過預維并不能解決真空度高的問題，特別是密封墊的縫隙，應避免結晶聚集，在運行過程中堵塞鼓泡頭，應當及時更換密封墊并清理。

4.3 重水升級塔氚/惰性氣體監測儀故障

最近1年內，重水升級塔氚監測儀高壓漂移兩次，重水升級塔惰性氣體監測儀板卡故障1次，占67883年度總缺陷的21.4%。

近幾年重水升級塔氚監測儀故障率較高，主要是高壓板不穩定造成數據漂移，設備為重要設備，沒有技術規格書限制。

按照EPRI（美國電力科學研究院）：1007909區域和工藝放射性監督系統指南[4]，對于板卡通常一般不維修，直接更換，廠家手冊中也沒有相關要求。由于設備已經運行將近20年，部件日趨老化，后續建議對設備進行變更，確保重水升級塔氚、惰性氣體監測儀可靠穩定運行。

后續措施：對重水升級塔氚/惰性氣體監測儀進行變更，確保設備可靠穩定運行。

4.4 C-14取樣器故障

最近幾年內，C-14取樣器出現3次故障，分別是取樣瓶鼓泡頭堵塞，溫度控制器老化故障和計時器電池失效，占67883年度總缺陷的21.4%。

溫度控制器和計時器電池失效均屬于老化故障，設備運行將近20年才出現1次，不需要增加預維，可以考慮更換新的備件，而廠家手冊中也沒有相關要求[5]。目前無備件，需要進行采購。

2022年曾出現無機C回路干燥劑瓶內部鼓泡頭堵塞現象，取樣瓶鼓泡頭堵塞主要集中在硅膠瓶內的鼓泡頭，主要是硅膠粉末進入鼓泡頭造成堵塞，對鼓泡頭進行清洗后，設備通常能夠恢復正常。設備為重要設備，涉及流出物排放，有技術規格書限制。

后續措施：目前已對取樣瓶進行國產化升級。取樣瓶國產化升級實施后，能夠有效減少C-14取樣器故障的缺陷，避免進入技術規格書限制。溫度控制器無備件，需要采購，計時器無備件，廠家反饋停產，已進行物項替代，經過物項替代后，設備可靠性明顯提升。

4.5 煙囪流量傳感器擾動故障

該系統流量傳感器包括霍尼韋爾質量流量傳感器和MT86熱擴散式質量流量計。最近5年內，67883煙囪廢氣監測系統流量傳感器故障3次，占67883年度總缺陷的6.12%。其中，包括廢物暫存庫氚取樣器回路倒吸，導致流量傳感器故障。該流量傳感器是霍尼韋爾質量流量傳感器，一般不會出現故障，但如果傳感器內進水和雜質，傳感器就不能正常測量，影響到流量計的正常功能。缺陷的原因是回路倒吸造成質量流量傳感器進水，從而無法測量。回路倒吸主要是氚取樣入口管路負壓過大，超出了氚取樣泵正常工作壓力范圍。通過更改氚取樣器入口管路，使其不共用管線，從而能夠解決回路倒吸的問題，徹底杜絕流量傳感器進水。

此外，該系統煙囪還有1臺FCI公司生產的MT86熱擴散式質量流量計[6]，主要用于廢氣監測系統監測煙囪流量，流量傳感器安裝在室外煙囪上，屬于戶外設備。流量變送器輸出信號，用于累積活度計算、報警和取樣流量等速控制。煙囪流量波動的可能原因有：煙囪流量計故障、外界環境干擾，如雷電干擾等。如2021年8月11日23時，發現煙囪排風流量AI0551上下大幅波動，缺陷導致67883系統讀數不可信。缺陷的處理方式：首先是對流量計進行檢查，確認無故障，輸出偏差在正常范圍內；其次是雖然煙囪流量計位于室內房間，環境良好，但由于流量傳感器位于室外煙囪高段位置，容易受到環境影響，需確認外界環境干擾。經查詢天氣，當晚存在雷電，雷電影響不能排除。選取室外雷電天氣時間段，經過復現觀察到AI0551開始波動，持續15min，可以確定煙囪流量受到雷電影響，雷電影響比較復雜，暫無良好預防手段，需要在雷雨天氣格外注意該系統運行狀況，提前安排人員響應。

5 總結

參照EPRI（美國電力科學研究院）代表設備特別故障模式的故障特征數據庫，本文對廢氣監測系統近5年缺陷數據進行了系統性梳理和分析，找到了頻繁出現缺陷的薄弱環節，給設備的運維和管控提供了參考依據，有助于系統可靠性提升。針對高頻設備缺陷，如真空泵溫度過高、真空泵振動較大、REMOTE ALARM和 LEAK TEST FAIL報警、重水升級塔氚/惰性氣體監測儀故障、C-14取樣器故障、煙囪流量傳感器擾動故障等高頻故障進行梳理分析，并對應提出了解決對策，對同類型設備的運維具有指導意義。