AP1000堆外探測(cè)器安裝質(zhì)量提升及工程實(shí)踐

謝春華，胡 峰

(上海核工程研究設(shè)計(jì)院有限公司，上海200233)

AP1000堆外探測(cè)器屬于堆外核測(cè)量?jī)x表系統(tǒng)，該系統(tǒng)是保護(hù)和安全監(jiān)控系統(tǒng)(Protection and Safety Monitoring System，PMS)的子系統(tǒng)，系統(tǒng)由三個(gè)測(cè)量量程(源量程(Source Range，SR)、中間量程(Intermediate Range，IR)和功率量程(Power Range，PR))的中子探測(cè)器組成[1]。

堆外探測(cè)器安裝于反應(yīng)堆壓力容器四周一次屏蔽體內(nèi)的12個(gè)安裝豎井中。通過(guò)各量程通道配合，實(shí)現(xiàn)測(cè)量范圍覆蓋反應(yīng)堆停堆工況到120%滿功率工況，為保護(hù)和安全監(jiān)控系統(tǒng)(PMS)提供必要的數(shù)據(jù)，確保反應(yīng)堆安全可靠運(yùn)行。

堆外探測(cè)器安裝階段的質(zhì)量，將會(huì)影響到探測(cè)器的性能，如信號(hào)采集精度。若探測(cè)器在安裝階段因質(zhì)量問(wèn)題頻繁返工，將不利于后續(xù)調(diào)試階段數(shù)據(jù)分析。因此，前期對(duì)堆外探測(cè)器一次安裝合格率進(jìn)行控制不僅能夠節(jié)約工期成本，同時(shí)也有力保障了后續(xù)的各項(xiàng)調(diào)試工作的開(kāi)展。

由于AP1000堆外探測(cè)器采用了特殊的設(shè)計(jì)—分體式組件結(jié)構(gòu)，其安裝工藝相對(duì)復(fù)雜，而國(guó)內(nèi)首次安裝時(shí)由于缺乏可供參考的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)影響安裝質(zhì)量的因素沒(méi)有充分識(shí)別或者沒(méi)有進(jìn)行嚴(yán)格控制，在堆外探測(cè)器首次安裝時(shí)一次安裝合格率僅為37.5%，質(zhì)量問(wèn)題的處理一定程度延長(zhǎng)了工期，使得首次安裝時(shí)間比原定計(jì)劃超出了近10天，遺留多條移交包尾項(xiàng)，后續(xù)處理十分困難?；谑状伟惭b的實(shí)踐，針對(duì)出現(xiàn)的各個(gè)質(zhì)量問(wèn)題，逐一分析，通過(guò)模擬測(cè)試、制作簡(jiǎn)易工具等方法在實(shí)踐中將探測(cè)器一次安裝合格率提升至100%，并對(duì)后續(xù)AP1000及CAP系列類似堆外探測(cè)器的安裝提供了參考。

1 AP1000堆外探測(cè)器安裝難點(diǎn)與安裝工藝

1.1 堆外探測(cè)器結(jié)構(gòu)及安裝難點(diǎn)

國(guó)內(nèi)多數(shù)堆型如M310、“華龍一號(hào)”等堆外探測(cè)器組件為一體式的探測(cè)器[2，3]，安裝時(shí)只需將探測(cè)器組件從上往下吊運(yùn)即可[4]，便于安裝和維修。而AP1000堆外探測(cè)器受反應(yīng)堆壓力容器腔室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的限制，探測(cè)器組件設(shè)計(jì)為分節(jié)式(見(jiàn)圖1)，不同量程分節(jié)數(shù)不同。除了各自的功能組件還有延伸組件、基座組件(延伸組件和基座組件僅起到連接和支撐的作用)。堆外探測(cè)器自帶電纜為半鋼性電纜，平均長(zhǎng)度為14 m(不同量程探測(cè)器自帶電纜長(zhǎng)度不同)，電纜較為脆弱不可過(guò)度彎曲，不可施加過(guò)多應(yīng)力在電纜上，若保護(hù)不利易導(dǎo)致電纜外層金屬薄壁破裂，使石英隔離層內(nèi)部吸入水分，從而降低堆外探測(cè)器的工作性能(如絕緣電阻值很低)。

圖1 堆外探測(cè)器組件分節(jié)示意圖Fig.1 Schematic diagram of ex-core detector assembly in sections

根據(jù)廠房結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，安裝時(shí)組件需要逐節(jié)從廠房三層人工運(yùn)送至一層腔室。在狹小的腔室空間里利用專用工具逐節(jié)頂升安裝探測(cè)器以及進(jìn)行自帶電纜敷設(shè)等相關(guān)工作。在探測(cè)器運(yùn)送時(shí)，由于運(yùn)送通道環(huán)境復(fù)雜，探測(cè)器組件本體上沒(méi)有直接的著力點(diǎn)，極易在運(yùn)送過(guò)程中對(duì)組件造成磕碰或者使自帶電纜承受應(yīng)力而損傷。

1.2 探測(cè)器安裝工藝

AP1000堆外探測(cè)器安裝工藝較為復(fù)雜，其主要安裝流程，如圖2所示。在探測(cè)安裝前、后需進(jìn)行相關(guān)電氣測(cè)試以驗(yàn)證安裝階段探測(cè)器的性能，輔助檢查安裝質(zhì)量，及時(shí)發(fā)現(xiàn)安裝缺陷。測(cè)試合格的探測(cè)器需要分節(jié)依照對(duì)應(yīng)的探測(cè)器安裝井逐節(jié)頂升。頂升結(jié)束后對(duì)自帶電纜進(jìn)行敷設(shè)，需將平均長(zhǎng)度約14 m的自帶電纜從一層腔室穿拉至二層接線箱，此過(guò)程中自帶電纜外層玻璃纖維絕緣護(hù)套易被預(yù)埋導(dǎo)管內(nèi)的毛刺劃傷，對(duì)絕緣性能造成影響且此問(wèn)題在安裝階段不易被發(fā)現(xiàn)。敷設(shè)完成后依序完成相關(guān)測(cè)試、密封蓋板、陶瓷夾片等鎖緊工作。

圖2 堆外探測(cè)器安裝流程圖Fig.2 Ex-core detector installation procedure

2 安裝階段質(zhì)量問(wèn)題與原因分析

堆外探測(cè)器首次安裝過(guò)程中其一次安裝合格率僅為37.5%(見(jiàn)表1)，安裝過(guò)程中出現(xiàn)較多質(zhì)量問(wèn)題如探測(cè)器安裝豎井滲水、電氣絕緣測(cè)試不合格等問(wèn)題(見(jiàn)表1、表2)。從圖3可以明顯看出安裝豎井滲水和電氣試驗(yàn)缺陷所占比例較高，分別為26.67%和53.35%。針對(duì)缺陷頻次高的影響因素現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了重點(diǎn)排查。

表1 堆外探測(cè)器安裝缺陷統(tǒng)計(jì)表

表2 堆外探測(cè)器一次安裝合格統(tǒng)計(jì)表

圖3 堆外探測(cè)器安裝缺陷統(tǒng)計(jì)圖Fig.3 Statistical diagram of installation defect

2.1 安裝豎井滲水與電氣導(dǎo)管滲水

堆外探測(cè)器安裝豎井在反應(yīng)堆容器腔室和冷卻劑疏水箱模塊之間。通過(guò)排查，安裝豎井滲水是由于冷卻劑疏水箱模塊設(shè)計(jì)缺陷造成的，使得部分水分通過(guò)模塊與安裝豎井之間的縫隙處滲漏，但此安裝問(wèn)題在探測(cè)器安裝前沒(méi)有及時(shí)發(fā)現(xiàn)，不僅間接影響了堆外探測(cè)器的電氣試驗(yàn)結(jié)果，同時(shí)土建模塊專業(yè)不得不在堆外探測(cè)器安裝之后，對(duì)縫隙進(jìn)行焊接封堵，對(duì)已安裝的堆外探測(cè)器成品保護(hù)提出了挑戰(zhàn)。

類似的，探測(cè)器自帶電纜的敷設(shè)通道是預(yù)埋在混凝土中的導(dǎo)管，在敷設(shè)前檢查發(fā)現(xiàn)有水從預(yù)埋管中滲出，用布對(duì)通道進(jìn)行擦拭一段時(shí)間后仍存在滲水現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)滲水成分化驗(yàn)分析以及對(duì)電氣導(dǎo)管內(nèi)窺檢查。最終確定是由于導(dǎo)管接頭防水性不良，在多雨的時(shí)節(jié)里雨水長(zhǎng)期滲透到混凝土中進(jìn)而從導(dǎo)管螺紋接頭處流入導(dǎo)管內(nèi)造成的滲水。

2.2 電氣測(cè)試不合格

在堆外探測(cè)器首次安裝中，電氣測(cè)試不合格缺陷頻次比達(dá)53.35%，是影響堆外探測(cè)器一次安裝合格率的一個(gè)主要因素。堆外探測(cè)器安裝前、安裝后的電氣測(cè)試是驗(yàn)證探測(cè)器安裝質(zhì)量、排查環(huán)境干擾因素的重要環(huán)節(jié)。如表3所示，列出了堆外探測(cè)器電氣測(cè)試涉及的主要試驗(yàn)項(xiàng)目(不同量程的測(cè)試順序、試驗(yàn)項(xiàng)目以及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)不同，這里未詳細(xì)列舉)。

表3 堆外探測(cè)器安裝前、后電氣測(cè)試一覽表

在現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜的測(cè)試環(huán)境中，測(cè)試結(jié)果易受環(huán)境、試驗(yàn)設(shè)備接地等因素的干擾，測(cè)試的結(jié)果一定程度上影響探測(cè)器的移交和后續(xù)的調(diào)試工作。在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試過(guò)程中出現(xiàn)頻次最高的測(cè)試問(wèn)題是絕緣測(cè)試泄露電流過(guò)大問(wèn)題(測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表4)和隔離測(cè)試不合格問(wèn)題(測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表5)。

表4 堆外探測(cè)器絕緣測(cè)試數(shù)據(jù)表

Table 4 NIS detector insulation test

探測(cè)器名稱①實(shí)驗(yàn)給定電壓/②V實(shí)驗(yàn)絕緣電阻參考標(biāo)準(zhǔn)值/GΩ措施采取前測(cè)量泄露電流值/nA措施采取前絕緣電阻計(jì)算值/③GΩ電纜接頭清潔后試驗(yàn)測(cè)量泄露電流值(nA)措施采取后絕緣電阻計(jì)算值/GΩ功率量程探測(cè)器1100≥2901.1289.280.191523.56功率量程探測(cè)器2100≥2901.1785.470.159628.93

注：①這里探測(cè)器名稱僅為具體探測(cè)器位號(hào)與序列的代稱，不是實(shí)際名稱。

②不同量程探測(cè)器，給定電壓、實(shí)驗(yàn)參考標(biāo)準(zhǔn)值不一樣。

表5 堆外探測(cè)器隔離測(cè)試數(shù)據(jù)表

注：①這里探測(cè)器名稱僅為具體探測(cè)器位號(hào)與序列的代稱，不是實(shí)際名稱。

②不同量程探測(cè)器實(shí)驗(yàn)參考標(biāo)準(zhǔn)值不一樣。

③依照測(cè)試手冊(cè)，實(shí)驗(yàn)使用的測(cè)試工具是量程為50 MΩ的數(shù)字萬(wàn)用表,OL為超出量程，即≥50 MΩ。

(1)絕緣測(cè)試泄露電流過(guò)大問(wèn)題

絕緣測(cè)試是電氣測(cè)試中最為基礎(chǔ)的測(cè)試，區(qū)別于傳統(tǒng)的絕緣電阻測(cè)試方法—兆歐表測(cè)量法，堆外探測(cè)器絕緣測(cè)試采用歐姆定律測(cè)試法，使用高壓電源和靜電計(jì)，由高壓電源提供測(cè)試電壓，靜電計(jì)測(cè)量回路電流，進(jìn)而通過(guò)歐姆定律R=U/I計(jì)算得到絕緣電阻值。采用此種測(cè)試方法的原因有兩個(gè)方面，一是被測(cè)設(shè)備接口為三同軸，且測(cè)試時(shí)屏蔽層、中心導(dǎo)體等需要進(jìn)行短接處理，使用傳統(tǒng)兆歐表達(dá)不到良好的接觸效果；另一方面測(cè)試時(shí)需要連續(xù)可調(diào)的電壓，且泄露電流的測(cè)量要達(dá)到0.1 pA的分辨率。因此歐姆測(cè)試法優(yōu)于兆歐表測(cè)量法。

造成絕緣測(cè)試泄露電流過(guò)大的原因主要有三個(gè)方面：①測(cè)試設(shè)備本身泄露電流大；②自帶電纜絕緣層損壞；③探測(cè)器受潮?，F(xiàn)場(chǎng)針對(duì)這三方面逐一進(jìn)行排查，通過(guò)對(duì)測(cè)試設(shè)備進(jìn)行空載試驗(yàn)，測(cè)得泄露電流不到0.01 pA，而試驗(yàn)中驗(yàn)收的泄漏電流標(biāo)準(zhǔn)單位為安培，從數(shù)量級(jí)上可見(jiàn)設(shè)備本體對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響是微乎其微的；其次，設(shè)備自帶電纜是半剛性的合金材料，對(duì)于安裝試驗(yàn)裕量相對(duì)較大，考慮到堆外探測(cè)器自帶電纜的特殊性，在安裝階段使用PVC護(hù)套可靠保護(hù)了自帶電纜在穿拉過(guò)程劃傷破損的可能性。經(jīng)過(guò)綜合分析，探測(cè)器本體或者相關(guān)絕緣連接部件受潮、沾污對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生影響的可能性最大。探測(cè)器本身是全封閉的，探測(cè)器接頭也有保護(hù)塞及塑料包裹保護(hù)因損傷造成絕緣低的可能性較小。使用無(wú)水酒精、無(wú)毛白布對(duì)電纜接頭進(jìn)行清潔后，白布上有一定的污漬，干燥處理后再次試驗(yàn)，結(jié)果達(dá)標(biāo)。通過(guò)排查可以確定探測(cè)器自帶電纜接頭沾污是影響測(cè)試的主要因素。

(2)隔離測(cè)試不合格

隔離測(cè)試用于檢驗(yàn)電氣功能組件與大地的電氣隔離性能。探測(cè)器各個(gè)連接部件或者探測(cè)器本體局部隔離性能降低是造成隔離測(cè)試不合格的主要因素，具體體現(xiàn)在三個(gè)方面：①探測(cè)器功能組件與支撐組件之間絕緣陶瓷受潮、破裂；②探測(cè)器與探測(cè)器安裝豎井之間絕緣陶瓷夾片受潮、破裂；③探測(cè)器自帶電纜玻璃纖維層損傷受潮。依照上述三個(gè)方面，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)各個(gè)絕緣陶瓷進(jìn)行檢查，陶瓷表面無(wú)明顯沾污與裂痕，利用無(wú)水酒精清潔干燥后，部分探測(cè)器測(cè)試數(shù)據(jù)恢復(fù)正常，但仍有不合格探測(cè)器。檢查測(cè)試腔室溫濕度，發(fā)現(xiàn)由于腔室通風(fēng)系統(tǒng)故障，腔室環(huán)境溫濕度依靠?jī)膳_(tái)溫濕度機(jī)控制，測(cè)試環(huán)境濕度偏向于濕度控制上限有增高趨勢(shì)。由此推測(cè)，測(cè)試不合格的探測(cè)器可能出現(xiàn)本體或者電氣導(dǎo)管內(nèi)部電纜局部受潮的情況，增加除濕機(jī)并對(duì)測(cè)試不合格的探測(cè)器電氣導(dǎo)管單獨(dú)送風(fēng)、干燥，最終測(cè)試結(jié)果正常。通過(guò)排查可以確定環(huán)境溫濕度控制不到位與絕緣陶瓷受潮、沾污是影響試驗(yàn)讀數(shù)的主要因素。

2.3 螺栓咬死與陶瓷夾片破裂

在堆外探測(cè)器首次安裝過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，在按照設(shè)計(jì)要求力矩緊固用于固定絕緣陶瓷夾片的螺栓時(shí)，陶瓷絕緣夾片發(fā)生破裂。經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)，此問(wèn)題是由于設(shè)計(jì)力矩要求過(guò)大，設(shè)計(jì)適當(dāng)調(diào)整了緊固力矩值。同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)在施工過(guò)程中也存在單次施加力矩值過(guò)大，半剛性電纜未完全與夾片貼合造成夾片受力不均勻的現(xiàn)象。類似的螺栓咬死問(wèn)題也是在施工中力矩施加不均勻?qū)е侣菟ň植孔冃卧斐傻摹?/p>

3 解決方案與效果對(duì)比

3.1 優(yōu)化施工邏輯、細(xì)化工前交底

針對(duì)安裝豎井滲水以及腔室通風(fēng)系統(tǒng)故障影響探測(cè)器測(cè)試的問(wèn)題是施工邏輯不合理造成的，在前期的施工準(zhǔn)備中沒(méi)有充分識(shí)別影響探測(cè)器安裝的因素。

根據(jù)探測(cè)器首次安裝的經(jīng)驗(yàn)反饋，優(yōu)化了施工邏輯并在探測(cè)器安裝前確認(rèn)通風(fēng)系統(tǒng)可良好運(yùn)行，土建專業(yè)提前對(duì)冷卻劑疏水箱模塊焊縫質(zhì)量進(jìn)行檢查，對(duì)于存在的縫隙或者漏水的物項(xiàng)提前處理，提前增加隔離軟管隔離漏水電氣導(dǎo)管。在后續(xù)實(shí)踐中探測(cè)器安裝未受同類問(wèn)題影響安裝進(jìn)度。同時(shí)，在后續(xù)電氣導(dǎo)管設(shè)計(jì)時(shí)將考慮把預(yù)埋電氣導(dǎo)管螺紋連接改為密封性良好的焊縫連接增強(qiáng)電氣導(dǎo)管的密封性與防水的可靠性。

為了避免在力矩執(zhí)行不規(guī)范對(duì)物項(xiàng)造成不必要的損傷，現(xiàn)場(chǎng)細(xì)化了交底卡。依據(jù)模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)規(guī)定每次單次施加的力矩值，避免陶瓷夾片、螺栓因受力不均損壞。

3.2 制作簡(jiǎn)易運(yùn)送保護(hù)工具

考慮到探測(cè)器運(yùn)送的特殊性，為了避免探測(cè)器本體與自帶電纜在運(yùn)送期間發(fā)生損傷、沾污進(jìn)而降低絕緣性能等現(xiàn)象的發(fā)生。現(xiàn)場(chǎng)制作了擔(dān)架式運(yùn)送工具(見(jiàn)圖4)，運(yùn)送工具使探測(cè)器免受周圍物項(xiàng)的磕碰、沾污，凸出的手持柄除了提供托舉的著力點(diǎn)，還可以支撐自帶電纜使其保持自然彎曲，不受應(yīng)力，提高運(yùn)送效率的同時(shí)又可靠保護(hù)了堆外探測(cè)器組件。在電纜穿拉的過(guò)程中使用一種PVC材質(zhì)的套管，套在自帶電纜上用于保護(hù)自帶電纜的玻璃纖維保護(hù)套，避免電器導(dǎo)管內(nèi)銳利凸起劃傷玻璃纖維絕緣保護(hù)套從而確保探測(cè)器的絕緣性能，上述實(shí)踐在安裝過(guò)程中取得了良好效果。

圖4 堆外探測(cè)器運(yùn)送工具示意圖Fig.4 Schematic diagram of ex-core detector delivery vehicle

3.3 嚴(yán)控腔室環(huán)境及探測(cè)器清潔度

結(jié)合電氣測(cè)試原因分析結(jié)果和經(jīng)驗(yàn)反饋，優(yōu)化施工邏輯從而降低了探測(cè)器風(fēng)險(xiǎn)管理的難度、方便管理人員在探測(cè)器安裝期間對(duì)腔室環(huán)境進(jìn)行管控，使測(cè)試環(huán)境的溫濕度、探測(cè)器連接部件及本體清潔度保持在良好狀態(tài)；通過(guò)簡(jiǎn)易工具的制作，可靠保護(hù)了探測(cè)器本體及自帶電纜，有效避免了探測(cè)器因損傷、沾污而產(chǎn)生的絕緣不合格的現(xiàn)象，在實(shí)踐中未出現(xiàn)電氣測(cè)試不合格問(wèn)題。

3.4 措施實(shí)施效果檢查

通過(guò)以上措施的實(shí)施，使得后續(xù)探測(cè)器安裝過(guò)程中未出現(xiàn)首次安裝中遇到的一系列質(zhì)量問(wèn)題，一次安裝合格率達(dá)100%，各項(xiàng)安裝環(huán)節(jié)順利開(kāi)展，在提升堆外探測(cè)器一次安裝合格率的同時(shí)使安裝工期同計(jì)劃相比提前了10天，并實(shí)現(xiàn)了移交包的零尾項(xiàng)移交，取得良好的實(shí)踐效果。

4 結(jié)論

本文總結(jié)了AP1000堆外探測(cè)器安裝階段遇到的質(zhì)量問(wèn)題及解決方案，并對(duì)各個(gè)影響堆外探測(cè)器一次安裝合格率的主要因素進(jìn)行原因分析。對(duì)比解決方案實(shí)施前后堆外探測(cè)器一次安裝合格率，說(shuō)明解決方案可以較為有效地提升堆外探測(cè)安裝質(zhì)量，可供后續(xù)AP1000以及CAP系列核電項(xiàng)目堆外探測(cè)器安裝參考：

(1)控制堆外探測(cè)器安裝質(zhì)量除了加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)管、技術(shù)交底等管理措施外，可以借助研發(fā)專用工具來(lái)提高工作可靠性，如采取“擔(dān)架式”運(yùn)送方式保護(hù)探測(cè)器及其自帶電纜；增加PVC保護(hù)套保護(hù)玻璃纖維絕緣護(hù)套，降低因玻璃纖維護(hù)套破損造成絕緣性能降低的風(fēng)險(xiǎn)；

(2)安裝前、后探測(cè)器絕緣性能易受測(cè)試環(huán)境溫濕度、自帶電纜接頭處以及探測(cè)器本體表面清潔度、絕緣陶瓷夾片清潔度等因素的影響，特別是清潔度因素極易在排查過(guò)程中忽視，目視檢查也不易發(fā)現(xiàn)。在電纜敷設(shè)階段玻璃纖維保護(hù)套的磨損也有可能會(huì)影響探測(cè)器的絕緣性能。因此，在安裝階段應(yīng)采取可靠措施避免電纜損傷、確保探測(cè)器本體、接頭等相關(guān)連接件的清潔度，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件，采取相關(guān)措施嚴(yán)格控制測(cè)試環(huán)境溫濕度，確保測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。

(3)反應(yīng)堆壓力容器腔室空間較為狹小，進(jìn)出腔室人員極易對(duì)堆外探測(cè)器自帶電纜造成損傷，應(yīng)避免交叉作業(yè)，在施工邏輯上應(yīng)在其他專業(yè)物項(xiàng)施工完成后進(jìn)行安裝工作，探測(cè)器安裝完成后應(yīng)及時(shí)建立管控，便于探測(cè)器成品保護(hù)。

(4)在后續(xù)電氣導(dǎo)管設(shè)計(jì)階段，對(duì)預(yù)埋電氣導(dǎo)管應(yīng)充分考慮導(dǎo)管的防水性能，盡量減少螺紋接頭設(shè)計(jì)，采用密封性良好的焊縫連接以增強(qiáng)電氣導(dǎo)管的密封性與防水性。