核電廠松動部件監(jiān)測系統(tǒng)誤報(bào)警分析處理與改進(jìn)建議

陳 忻，劉 芳，王季能

（1.大亞灣核電運(yùn)行管理有限責(zé)任公司技術(shù)部，廣東 深圳518124；2.紅沿河核電公司電廠技術(shù)處，遼寧 大連116001）

1 系統(tǒng)簡介

核電廠松動部件與振動監(jiān)測系統(tǒng)（KIR）包括松動部件監(jiān)測系統(tǒng)（LPMS）和振動監(jiān)測系統(tǒng)（VMS）2個(gè)部分。LPMS的主要功能是在線監(jiān)測核反應(yīng)堆壓力容器和蒸汽發(fā)生器內(nèi)可能出現(xiàn)的松動件、脫落件和外來件，主要由13路加速度傳感器（3臺蒸汽發(fā)生器底部各3個(gè)、壓力容器底部3個(gè)、壓力容器頂蓋1個(gè)，具體布置及編號見圖1）、軟－硬傳輸電纜、松動部件調(diào)理設(shè)備、計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)等組成。

圖1 嶺澳核電站二期KIR傳感器布置示意圖Fig.1 Arrangement of KIR transducers of Ling'AoⅡ

2 現(xiàn)象描述

2009年8月26日—11月18日，在嶺澳核電站二期1號機(jī)組（L3）冷態(tài)功能試驗(yàn)期間，KIR系統(tǒng)共記錄報(bào)警信息5 000多條，結(jié)合系統(tǒng)軟件對報(bào)警的定義，報(bào)警類型可分為以下3種：

（1）斷路及過載：占總報(bào)警的74%，主要原因可能為設(shè)備短路及板件故障等。

（2）現(xiàn)場工作因素：占總報(bào)警的22%，主要原因可能為設(shè)備安裝及調(diào)試工作導(dǎo)致。

（3）敲擊試驗(yàn)：占總報(bào)警的4%，主要原因可能為KIR系統(tǒng)調(diào)試試驗(yàn)導(dǎo)致。

經(jīng)調(diào)查，因工作因素和敲擊試驗(yàn)引起的報(bào)警記錄和波形都與現(xiàn)場實(shí)際符合，而斷路及過載報(bào)警則大部分沒有記錄到波形信號，少部分記錄到極大的噪聲，波形文件顯示超限削波。

3 故障分析

分析報(bào)警數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)報(bào)警主要集中在蒸汽發(fā)生器區(qū)域，且都發(fā)生在工作時(shí)間。相比之下，斷路及過載缺乏明顯的規(guī)律性，部分報(bào)警的發(fā)生伴隨著沖擊較強(qiáng)的事件報(bào)警。2009年10月1日—11月9日記錄的壓力容器及3個(gè)蒸汽發(fā)生器的斷路及過載報(bào)警數(shù)據(jù)分布見表1。

表1 斷路及過載報(bào)警數(shù)據(jù)分布表Table1 Disconnection and overload alarm data

為辨別系統(tǒng)記錄的斷路及過載報(bào)警是否為現(xiàn)場情況的客觀反應(yīng)，在現(xiàn)場安裝與檢修較為頻繁期間加強(qiáng)了對系統(tǒng)的監(jiān)視，當(dāng)連續(xù)斷路及過載報(bào)警出現(xiàn)時(shí)立即進(jìn)行現(xiàn)場核實(shí)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)引起斷路及過載報(bào)警的現(xiàn)場因素可能為：現(xiàn)場電焊工作；蒸汽發(fā)生器附近的敲擊作業(yè)；安裝部門對現(xiàn)場接線排的復(fù)查；其他未知軟硬件因素。

針對現(xiàn)場的影響因素排查的結(jié)果如下：

（1）現(xiàn)場接線端子排復(fù)查。檢查發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場端子排內(nèi)存在安裝期間遺留下的螺栓，晃動該端子排接線，斷路或者過載報(bào)警發(fā)生。懷疑異物遺留導(dǎo)致內(nèi)部斷路及短路引發(fā)報(bào)警。

（2）現(xiàn)場信號屏蔽復(fù)查。檢查發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場端子排屏蔽未接地?，F(xiàn)場若發(fā)生強(qiáng)電流操作，如在蒸汽發(fā)生器及壓力容器表面及附近進(jìn)行的電焊操作，會在短時(shí)間內(nèi)意外引入過載電壓沖擊，給設(shè)備自身的狀態(tài)監(jiān)督功能帶來干擾。

（3）復(fù)查機(jī)柜端軟件過載報(bào)警判斷邏輯，發(fā)現(xiàn)對于電壓過載的判斷沒有采取甄別檢驗(yàn)。

綜上所述，清除端子排的異物、復(fù)查所有信號屏蔽并對電壓過載的軟件判斷邏輯進(jìn)行修改后，基本排除了斷路及電壓過載的影響。

過載報(bào)警作為系統(tǒng)故障報(bào)警的一種，按照發(fā)生類型可以分為電壓過載和信號過載。電壓過載是由外部電信號及電路斷路導(dǎo)致的強(qiáng)電壓引起的；信號過載是由于現(xiàn)場的敲擊過于強(qiáng)烈，導(dǎo)致經(jīng)過傳感器及電荷轉(zhuǎn)換器到達(dá)機(jī)柜的信號超過調(diào)理設(shè)備響應(yīng)范圍引起的。

事實(shí)證明，電壓過載因素排除后，過載報(bào)警大大減少，間歇存在的報(bào)警會伴隨著較強(qiáng)的敲擊事件。如在現(xiàn)場的一次監(jiān)視過程中，聲音記錄儀發(fā)出大的碰撞聲，系統(tǒng)監(jiān)測界面上顯示陣發(fā)波波幅已超出顯示的上限?？紤]到調(diào)試現(xiàn)場拆裝保溫和設(shè)備安裝等工作引起的敲擊可能會產(chǎn)生較強(qiáng)的沖擊，這部分過載報(bào)警很可能是由信號超過調(diào)理設(shè)備響應(yīng)范圍引起的，即信號過載。

4 信號過載分析

由于調(diào)試機(jī)組所處的環(huán)境與機(jī)組正常工況有很大差別，但調(diào)試中暴露出來的問題可以預(yù)見，大于該系統(tǒng)測量范圍的撞擊是客觀存在的，如發(fā)生這種碰撞，則會產(chǎn)生削波和信號失真，導(dǎo)致系統(tǒng)記錄失效。因此，對信號過載分析系統(tǒng)的探測范圍以及系統(tǒng)重新進(jìn)行設(shè)計(jì)是有必要的。下面將從4個(gè)方面對信號過載進(jìn)行分析并提出KIR系統(tǒng)設(shè)計(jì)的改進(jìn)建議。

4.1 信號過載的危害

信號過載在表面上是真實(shí)信號引起的系統(tǒng)過載，正常工況下對系統(tǒng)及對判斷機(jī)組狀態(tài)沒有直接影響，但一旦出現(xiàn)異常強(qiáng)烈撞擊記錄，將不能全面地收集探測到的陣發(fā)波信號信息。對于陣發(fā)波，其波幅到達(dá)測量限值后將被削平，無法完整地呈現(xiàn)波形中因松動部件撞擊引起的上升和衰減等過程特征，從而很難讓技術(shù)人員將其與電氣故障、環(huán)境因素等引起的波形區(qū)分，更不利于及時(shí)辨別和區(qū)分是否存在松動部件，損害了系統(tǒng)用于監(jiān)測松動部件的根本意義。

4.2 同類型核電廠KIR系統(tǒng)比較

嶺澳核電站二期的參考電廠是嶺澳核電站一期，其KIR系統(tǒng)國產(chǎn)化也是參考嶺澳核電站一期KIR系統(tǒng)完成的。雖然2套系統(tǒng)前端硬件的布置和選型基本類似，但是其參數(shù)存在本質(zhì)區(qū)別（見表2）。

表2 嶺澳核電站一期、二期KIR系統(tǒng)前端硬件參數(shù)對比Table2 The comparison of hardware characters of KIR system between Ling'AoⅠandⅡ

由表2可以看出，嶺澳核電站一期的KIR機(jī)柜前端的探測能力為0～1 000g，而嶺澳核電站二期的探測能力為0～100g?？赡軐?dǎo)致的后果是超過100g的撞擊響應(yīng)將使嶺澳核電站二期KIR產(chǎn)生信號過載報(bào)警。從KIR的出廠報(bào)告發(fā)現(xiàn)，廠家在進(jìn)行松動部件模擬試驗(yàn)期間也出現(xiàn)過信號過載現(xiàn)象，但廠方認(rèn)為這并不影響系統(tǒng)的監(jiān)測功能。

4.3 松動部件相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)研究

4.3.1 系統(tǒng)最大探測范圍研究

GB／T 11807—2008《探查松脫零件的聲學(xué)監(jiān)測系統(tǒng)的特性、設(shè)計(jì)和運(yùn)行程序》對于LPMS的要求是，能夠監(jiān)測松動部件以0.7J的動能撞擊反應(yīng)堆冷卻劑壓力邊界內(nèi)表面，撞擊點(diǎn)離開傳感器的距離小于1m，探測的質(zhì)量范圍約為0.1～15kg。

根據(jù)KIR的出廠報(bào)告，該系統(tǒng)在進(jìn)行松動部件模擬試驗(yàn)時(shí)，沒有使用10kg以上的大質(zhì)量物體進(jìn)行松動部件模擬撞擊試驗(yàn)，也沒有模擬一回路在高速、高溫流體中的沖擊試驗(yàn)，系統(tǒng)是否符合GB／T 11807—2008還有待商榷。進(jìn)一步的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，100g的響應(yīng)范圍來源于ASME OM－S／G—2007《核電廠運(yùn)行和維護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)和指導(dǎo)》。表2中嶺澳核電站二期KIR系統(tǒng)對電荷傳感器至機(jī)柜側(cè)輸出范圍的要求等效于加速度峰值為100g時(shí)電荷不超載，但KIR系統(tǒng)本身并不符合該標(biāo)準(zhǔn)對松動部件監(jiān)測探頭布置的要求，詳見4.3.4節(jié)中的描述。

4.3.2 系統(tǒng)頻率響應(yīng)范圍研究

LPMS除具備松動部件的發(fā)現(xiàn)、松動和脫落部件的區(qū)分及系統(tǒng)報(bào)警功能外，還應(yīng)該具備基本的松動部件定位和質(zhì)量評估功能，其理論基礎(chǔ)是赫茲碰撞理論：應(yīng)用了1個(gè)金屬球和1個(gè)金屬平板碰撞的模型，碰撞波的頻率與金屬球質(zhì)量和碰撞速度有關(guān)。松動部件在68g～14.5kg、碰撞速度在0.3～3m／s，產(chǎn)生的碰撞波頻率在1Hz～10kHz的范圍內(nèi)。

嶺澳核電站二期KIR系統(tǒng)信號調(diào)理設(shè)備的參數(shù)為帶通濾波1～10kHz，低通濾波1～100Hz。100Hz～1kHz信號沒有參與運(yùn)算和分析，這點(diǎn)與赫茲碰撞理論的模型相違背，降低了系統(tǒng)的探測范圍。相關(guān)規(guī)范為BS IEC 60988—2009《核電廠對安全性重要的儀器探測松動零件的聲音監(jiān)測系統(tǒng)性能設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和操作程序》：LPMS的基本要求頻率響應(yīng)范圍下界fL應(yīng)為0.5Hz～1kHz，上界fH應(yīng)為10～20kHz。嶺澳核電站二期LPMS僅能滿足頻率范圍要求的最低標(biāo)準(zhǔn)，但100Hz～1kHz信號的缺失對相對應(yīng)頻率松動部件信號記錄的影響不能忽略。

4.3.3 系統(tǒng)探測能力研究

在GB／T 11807—2008中要求的監(jiān)測范圍內(nèi)，對松動部件碰撞引發(fā)的加速度值進(jìn)行估算。為方便估算，對碰撞過程和物理參數(shù)取值進(jìn)行簡化和保守處理，碰撞模型如圖2所示。對能監(jiān)測到的松動部件質(zhì)量m的范圍，取標(biāo)準(zhǔn)的上限值m為15kg；一回路單環(huán)路的流量約為24 000m3／h，環(huán)路管道內(nèi)徑φ為790mm，則平均流速為13.6m／s，取隨水流流動的松動部件速度值V約為13.6m／s；取碰撞產(chǎn)生的陣發(fā)波頻率標(biāo)準(zhǔn)的上限值f為20kHz；由此可知奧氏體不銹鋼在350℃時(shí)的楊氏模量B約為1.1×1011N／m2；陣發(fā)波在鋼板中的傳播速度Cb約為0.59×104m／s。將上述參數(shù)輸入公式中，可以估算出一回路中質(zhì)量約為15kg的松動部件隨冷卻劑流動正面撞擊加速度傳感器附件的壁面時(shí)引發(fā)的碰撞陣發(fā)波加速度幅值的數(shù)量級。

由赫茲碰撞理論可知，陣發(fā)波的加速度幅值a與鋼板碰撞處形變剪切力F之間的關(guān)系為[1］：

式中，j為修正系數(shù)（一般小于1）；k為波數(shù)，k＝ω／Cb。

剪切力Fmax與碰撞物之間的關(guān)系為：

式中，th與頻率f的關(guān)系為f＝0.8／th。

代入數(shù)值，可估算出加速度幅值的數(shù)量級約為103。從估算的結(jié)果可看出，加速度值超出100g的情況是有理論支持的，同時(shí)也驗(yàn)證了在實(shí)際監(jiān)測中發(fā)現(xiàn)的信號過載現(xiàn)象的客觀性。

圖2 Hoppmann碰撞模型示意圖Fig.2 Hoppmann collision model

4.3.4 傳感器數(shù)量和布置研究

根據(jù)4.3.1節(jié)所述，系統(tǒng)的探測范圍滿足ASME OM－S／G—2007要求，那么系統(tǒng)的其他部分也應(yīng)該符合該規(guī)范。在規(guī)范第12章第4.2.4節(jié)中，要求壓水堆3臺蒸汽發(fā)生器的測量通道為18個(gè)，同時(shí)該標(biāo)準(zhǔn)對傳感器的位置也提出了詳細(xì)的要求（見圖3）。目前嶺澳核電站二期KIR系統(tǒng)傳感器的數(shù)量和位置都不符合該規(guī)范建議的要求。

圖3 壓水堆核電廠傳感器建議布置示意圖Fig.3 The suggested arrangement of KIR transducers of PWR NPP

如圖1所示，嶺澳核電站二期現(xiàn)有的傳感器布置及數(shù)量與ASME OM－S／G—2007的要求相比，其KIR系統(tǒng)的設(shè)計(jì)存在一些缺陷，雖然滿足了BS IEC 60998—2009、GB／T 10807—2008、ASME OM－S／G—2007第12章等一些規(guī)范以及參考電廠KIR系統(tǒng)的部分要求，但功能上尚需完善。參考電廠的LPMS系統(tǒng)雖然只設(shè)13個(gè)通道，但從技術(shù)參數(shù)上來看，其測量的能力很強(qiáng)（1 000g），能覆蓋更廣的范圍；雖然ASME標(biāo)準(zhǔn)要求其測量能力是100g，但其在可能發(fā)生松動部件的區(qū)域布置的通道更密集，如果強(qiáng)沖擊區(qū)有通道信號過載，其臨近的通道亦能收到完整的信號，保證了測量范圍的全面性。目前國內(nèi)田灣核電站的LPMS系統(tǒng)是采用ASME OM－S／G—2007標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)例。

4.4 系統(tǒng)缺陷對信號過載的影響

根據(jù)調(diào)試期間的數(shù)據(jù)記錄和理論分析，嶺澳核電站二期KIR系統(tǒng)現(xiàn)有的設(shè)計(jì)在今后的現(xiàn)場實(shí)踐中會面臨以下困難：壓力容器頂蓋只有1個(gè)測量通道，而底部的3個(gè)通道安裝在伸出壓力容器的指套管上。當(dāng)?shù)趸@內(nèi)存在松動部件撞擊且松動部件的質(zhì)量大到能引起信號過載時(shí)，陣發(fā)波經(jīng)過壓力容器壁后衰減，再從壓力容器壁傳播到與其垂直連接的指套管上的加速度測量通道，其信號極有可能被背景噪聲掩蓋。此時(shí)，僅從1個(gè)被削平的波形信息中辨別原因（松動部件、電氣異常、逆止閥動作或其他功能部件動作），無論是為技術(shù)人員提供判斷依據(jù)還是為領(lǐng)導(dǎo)決策提供信息都具有較大風(fēng)險(xiǎn)。并非所有松動部件產(chǎn)生的全部過程信息都能被完整地收集。對于不可預(yù)料的事件，遵循最保守的技術(shù)手段應(yīng)是基本要求。

KIR系統(tǒng)只收集松動部件理論上最終停留概率大的區(qū)域的信息，當(dāng)同一區(qū)域的通道全部過載時(shí)，技術(shù)人員要從這些近似階變的信號中辨別原因（松動部件、電氣故障、逆止閥動作等）有一定難度。因系統(tǒng)信號調(diào)理設(shè)備濾波沒有處理100Hz～1kHz的波形數(shù)據(jù)，現(xiàn)場該頻段的信號丟失，為松動部件的后期數(shù)據(jù)處理設(shè)置了不可預(yù)知的障礙陷阱。

5 改進(jìn)建議

嶺澳核電站二期KIR系統(tǒng)的不足主要集中在系統(tǒng)探測能力上，改善系統(tǒng)的探測能力主要有2種方案：加寬探測范圍和增加測量通道。

（1）加寬探測范圍。在現(xiàn)有硬件條件下，將電荷轉(zhuǎn)換器更換為輸出響應(yīng)更寬的型號，使探測的信號能夠達(dá)到0～1 000g，同時(shí)修改相應(yīng)的機(jī)柜后卡件，采用參考電廠KIR系統(tǒng)的方案。該方案的弊端是KIR系統(tǒng)的另一個(gè)組成部分VMS的功能將受到影響，因?yàn)閂MS系統(tǒng)是基于弱晃動及低頻信號等型號的分析，增加測量范圍會導(dǎo)致壓力容器內(nèi)部構(gòu)件振動的分析能力受到影響。

（2）增加測量通道。在現(xiàn)有的硬件條件下，根 據(jù) ASME OM－S／G—2007 第 12 章 第4.2.4節(jié)的建議，增加測量通道，增加區(qū)域內(nèi)冗余，既可以保證過載現(xiàn)象不會影響系統(tǒng)功能，也可以完善壓力容器頂部區(qū)域松動部件定位估算能力。查看壓力容器的設(shè)計(jì)圖紙和考察嶺澳核電站二期的現(xiàn)場安裝情況，壓力容器頂蓋上設(shè)計(jì)有可以安裝4處探頭的位置。

綜上所述，嶺澳核電站二期和一期現(xiàn)有KIR系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是有缺陷的，可以考慮結(jié)合以上2種方案并優(yōu)化機(jī)柜硬件以達(dá)到最優(yōu)的效果：蒸汽發(fā)生器側(cè)的測量通道探測范圍增加至0～1 000g，根據(jù)松動部件在蒸汽發(fā)生器內(nèi)的可能分布，現(xiàn)在的探頭布置是可以接受的；壓力容器探頭布置可根據(jù)ASME OM－S／G—2007第12章建議進(jìn)行調(diào)整，增加壓力容器頂部探頭。

壓力容器側(cè)6個(gè)通道的探測范圍依然為0～100g，因?yàn)閴毫θ萜魈筋^分別分布在底部和頂部，不像蒸汽發(fā)生器那樣分布集中，即使某一區(qū)域造成局部信號過載的撞擊存在，另一區(qū)域的探頭的探測結(jié)果依然可以為技術(shù)人員提供區(qū)分真實(shí)信號、電氣異常、外部影響和部件動作的依據(jù)，同時(shí)還滿足VMS系統(tǒng)的監(jiān)測需要。改進(jìn)系統(tǒng)機(jī)柜信號調(diào)理模塊的濾波范圍，至少要包含赫茲碰撞理論1Hz～10kHz的撞擊信號。參照ASME OM－S／G—2007第12章及田灣核電站KIR系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及主泵葉輪損壞的反饋，建議增設(shè)主泵底部探頭。這樣的設(shè)計(jì)既從前端保證了探測范圍，也從后端保證了信息不會丟失，同時(shí)還完善了壓力容器頂部松動部件定位評估的能力，可以有效地解決現(xiàn)有系統(tǒng)的局限性。

[1]楊修周 .壓水堆一回路系統(tǒng)松脫部件故障的噪聲分析及模擬試驗(yàn)[J］.核動力工程，1994，15（2）：109－114.