H2LQM01型監(jiān)測儀在秦山核電核能供暖首站的應(yīng)用

周宇聰

（中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

2021年，秦山核電核能供暖項目場首站輻射監(jiān)測設(shè)備開始安裝及調(diào)試，秦山核電維修三處儀表三班首次接觸并使用中國船舶集團有限公司719研究所生產(chǎn)的H2LQM01型離線活度監(jiān)測儀。本文就H2LQM01型離線低放液體活度監(jiān)測儀在秦山核電核能供暖首站現(xiàn)場安裝、調(diào)試、運行期間出現(xiàn)的問題及解決方案進(jìn)行闡述，并與秦二廠其他的離線低放液體活度監(jiān)測儀進(jìn)行橫向?qū)Ρ?。為H2LQM01型設(shè)備后續(xù)的故障檢修提供方案，同時論證同類型推廣的可行性。

1 安裝情況

由于對供暖回路向外供水的輻射監(jiān)測需求，需在首站安裝離線低放液體活度監(jiān)測儀對回路中液體進(jìn)行放射性活度的監(jiān)測。在監(jiān)測異常時發(fā)出報警送PLC控制機柜，及時提示值班人員，并在測量值超過既定的二級報警閾值時自動觸發(fā)報警，啟動聯(lián)鎖裝置阻斷回路中放射性物質(zhì)外泄。由于取樣口水溫高于探測器所能承受的最高溫度，故在設(shè)備安裝時在監(jiān)測儀前端取樣回路中安裝了風(fēng)冷箱，供取樣水降溫使用。

離線低放液體活度監(jiān)測儀取樣及監(jiān)測流程：取樣管路從主管道引水，取樣水通過風(fēng)冷箱降溫至探測器可接受溫度后進(jìn)入取樣泵，取樣泵后端為屏蔽鉛室，鉛室內(nèi)含取樣容器與探測器，探測器被半包裹于取樣容器之間，與被監(jiān)測介質(zhì)不直接接觸，取樣水通過鉛室內(nèi)取樣容器后，從后端管路返回至主管路。

2 設(shè)備介紹

H2LQM01型離線低放液體活度監(jiān)測儀用于對放射性液體進(jìn)行連續(xù)不間斷監(jiān)測，監(jiān)測儀分為監(jiān)測與取樣兩部分。監(jiān)測部分主要組成部件含電氣接線箱、H2GRM11/NaID探測器、LPDU和連接電纜，取樣回路主要組成部件含流量計、取樣泵、取樣泵控制箱、冷卻器和連接管道。

電氣接線箱為整個監(jiān)測通道提供AC220V電源，同時提供監(jiān)測通道的輸入輸出接口，例如RS485接口、模擬量0mA/4mA～20mA輸入輸出接口，故障、一級、二級開關(guān)量報警輸出接口等[1]。

H2GRM11/NaID型探測器將輻射信號轉(zhuǎn)換為電信號輸出到LPDU。NaI閃爍晶體能吸收外來射線能量使原子、分子電離和激發(fā)，在退激時會發(fā)射出熒光光子。光輻射通過光導(dǎo)照射至光電倍增管陰極時，由于光電效應(yīng)，陰極發(fā)射電子，把微弱的光輸入轉(zhuǎn)換成光電子。這些電子受到光電倍增管內(nèi)各電極間電場的加速作用，逐級倍增，陽極收集倍增后的電子流并輸出光電流信號，電流強度與入射的射線能量成正比[2,3]。

LPDU對探測器輸入的信號進(jìn)一步處理和分析，顯示屏實時顯示探測信息、多項設(shè)備參數(shù)、設(shè)備報警狀態(tài)等，LPDU的參數(shù)可以借助RS232接口通過KRTHelper2調(diào)試助手軟件進(jìn)行設(shè)置，LPDU處理后的信息通過電氣接線箱輸出到上層網(wǎng)絡(luò)或設(shè)備。

連接電纜包括：測量電纜、通訊電纜和電源電纜。測量電纜用于連接探測器和LPDU，為探測器提供探測器所需的高壓和低壓電源并接收探測器脈沖信號；通訊電纜用于連接LPDU和接線箱，將LPDU接收并處理后的測量信息經(jīng)接線箱上傳到上層網(wǎng)絡(luò)；電源電纜用于連接電氣接線箱和LPDU，為LPDU進(jìn)行供電。

取樣泵抽取待測液體；電氣控制箱用于取樣泵的供電和自動控制分為開、關(guān)、自動三檔；閥門包括截止閥和調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)流量和設(shè)備檢修時使用。

監(jiān)測儀取樣管路安裝流量計，用于監(jiān)測取樣流量信息，LPDU通過讀取流量計信號來判斷監(jiān)測系統(tǒng)是否運轉(zhuǎn)正常。當(dāng)流量異常時LPDU會給出報警信號，對于使用取樣泵的監(jiān)測通道，LPDU通過流量計測量結(jié)果選擇是否關(guān)閉取樣泵，以保護(hù)取樣泵。

3 設(shè)備安裝及試驗方法

在上述各設(shè)備按照圖紙安裝完成以后，對設(shè)備進(jìn)行上電試驗及校準(zhǔn)調(diào)試。在上電之前，先檢查各設(shè)備安裝位置正確，外觀完好無損，電纜連接牢固且連接正確。均檢查完畢無誤后，對設(shè)備進(jìn)行上電。

3.1 設(shè)備上電及各級報警機制的確定方法

設(shè)備上電注意事項：測量電氣接線箱內(nèi)輸入電壓，需在193.6V～242V有效范圍內(nèi)。將熔斷器閉合，使用LPDU鑰匙將電源開關(guān)打至開狀態(tài)，啟動LPDU后，檢查確認(rèn)LPDU無異常報警。

對蜂鳴器、狀態(tài)指示燈、繼電器與LPDU報警狀態(tài)進(jìn)行測試，確保在通道正常運行情況下，分別模擬LPDU的“正?！薄肮收蠄缶薄耙患増缶薄岸増缶睜顟B(tài)，最后將LPDU進(jìn)行斷電，模擬失電狀態(tài)，檢查蜂鳴器、狀態(tài)指示燈、繼電器狀態(tài)并記錄，詳見表1。

表1 各元器件狀態(tài)Table 1 Status of each component

通過以上試驗得出儀表工作機理：該儀表繼電器為閉合時輸出報警信號。在二級報警時報警邏輯為觸發(fā)一二級報警，在設(shè)備失電時故障報警繼電器閉合輸出故障報警。即在設(shè)備突然掉電時，值班室可收到輻射監(jiān)測儀表故障通知。由此判定：該設(shè)備報警機制及各級報警時對應(yīng)輸出狀態(tài)。

3.2 LPDU模擬量輸出特性試驗方法

完成繼電器及報警燈狀態(tài)測試后對儀表進(jìn)行模擬量試驗，選擇輸出電流為4mA～20mA，通過KRT helper2軟件連接LPDU，對LPDU分別輸入模擬測量值3.70E+3Bq/m3、1.17E+5Bq/m3、3.70E+6Bq/m3、1.17E+8Bq/m3、3.70E+9Bq/m3，對應(yīng)模擬量輸出電流為4.0mA、8.0mA、12.0mA、16.0mA、20.0mA。

通過理論電流計算公式：4+（16/測量范圍跨越量級數(shù)）×lg（測量值/測量下限）。結(jié)合H2LQM01設(shè)備測量范圍（3.70E+3Bq/m3～3.70E+9Bq/m3)，得模擬量輸出特性均完好，符合要求。在實際試驗過程中，可選擇五點法或七點法進(jìn)行輸出特性的試驗。

3.3 探測器能量刻度和校準(zhǔn)方法

完成模擬量輸出試驗后需對探測器進(jìn)行現(xiàn)場校準(zhǔn)，現(xiàn)場校準(zhǔn)分為能量刻度和指示值準(zhǔn)確度校準(zhǔn)兩部分。能量刻度使用Cs-137放射源1枚（活度約為3.7×105Bq）、Co-60放射源1枚（活度約為4.0×104Bq）及源架，利用能譜采集軟件，進(jìn)行能譜采集。觀察Am-241峰位道址，當(dāng)Am-241峰位在900±5道時，表明監(jiān)測儀已經(jīng)完成穩(wěn)峰操作。若不在此范圍內(nèi)，則需進(jìn)行高壓調(diào)節(jié)。對數(shù)據(jù)清除以后重新采集能譜，檢查放射源Cs-137峰位是否在662±10keV，Co-60峰位是否在1173±20keV，1332±20keV。不在此范圍時，找到Cs-137和Co-60的參考峰道址，并填入到能量刻度框進(jìn)行重新刻度。直至峰位滿足要求，結(jié)束能量刻度[4]。

完成能量刻度以后，對探測器進(jìn)行指示值精確度校準(zhǔn)。開機預(yù)熱后，對探測器進(jìn)行本底記錄，記錄10個測量值，取平均值Xb。將放射源固定在源架底部，待儀器主顯示界面讀數(shù)穩(wěn)定后，連續(xù)工作10min后讀取監(jiān)測儀歷史記錄中的10min平均值Xt。計算現(xiàn)場測試值：XT=Xt- Xb，計算現(xiàn)場校準(zhǔn)效率值：E=XT/A。其中，A為刻度放射源校準(zhǔn)時活度。監(jiān)測儀現(xiàn)場校準(zhǔn)試驗結(jié)果數(shù)據(jù)記錄見表2。

表2 指示值精確度校準(zhǔn)記錄表Table 2 Calibration record of indication value accuracy

以上數(shù)據(jù)XT將作為首次能量響應(yīng)值，為該儀表后續(xù)維護(hù)和校準(zhǔn)提供參考值。設(shè)后續(xù)進(jìn)行校準(zhǔn)試驗時所得為X，則需與XT計算偏差Δ=（X-XT）/XT，在工作中一般取-20%≤Δ≤20%

將LPDU內(nèi)參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測儀實際情況完成設(shè)置，錄入一級報警、二級報警閾值，進(jìn)行LPDU與PLC控制機柜通訊試驗，完成調(diào)試工作，將泵切換至“自動”檔，設(shè)備完成報警功能試驗、模擬量輸出試驗、能譜能量刻度試驗和指示值精確度校準(zhǔn)試驗后，投入運行。

4 設(shè)備問題及處理措施

4.1 取樣流量異常降低故障

取樣流量異常下降可能原因包括：①取樣管路堵塞；②流量計指示異常；③LPDU對應(yīng)處理板故障；④取樣泵故障。

在設(shè)備安裝完成后試運行期間，設(shè)備發(fā)生過多次低流量故障報警。通過調(diào)節(jié)流量調(diào)節(jié)閥對流量調(diào)節(jié)，作用甚微。經(jīng)分析LPDU未顯示板卡故障，只顯示流量低故障，排除板卡問題。排查流量計為電磁流量計，故障率較低。故懷疑為取樣管路堵塞，通過對取樣管路進(jìn)行分析，過濾網(wǎng)堵塞導(dǎo)致管路通過能力降低進(jìn)而致使流量低可能性較大。對過濾網(wǎng)拆卸清潔發(fā)現(xiàn)內(nèi)部含有較多泥沙，如圖1所示。由圖1中可以看出過濾網(wǎng)濾孔較小，極易造成管路堵塞，導(dǎo)致流量減小。

圖1 過濾網(wǎng)Fig.1 Filter screen

將過濾網(wǎng)清洗完回裝后發(fā)現(xiàn)濾網(wǎng)外端蓋子小孔處有小水滴滲漏，懷疑為濾網(wǎng)拆裝過程中濾網(wǎng)變形導(dǎo)致密封性不完全。漏水點如圖2所示。后將濾網(wǎng)取出進(jìn)行形狀復(fù)原，重新進(jìn)行緊固，滲漏問題解決。

圖2 濾網(wǎng)回裝后漏水點Fig.2 Water leakage points after reinstallation of the filter screen

總結(jié)：由于該取樣管路存在過濾網(wǎng)，且過濾網(wǎng)濾孔較細(xì)，在設(shè)備報流量低故障時，可優(yōu)先定位過濾網(wǎng)堵塞，且該過濾網(wǎng)在拆取時極易變形，操作時需注意。

4.2 取樣泵軸封漏水故障

設(shè)備正常運行一段時間后，出現(xiàn)再次流量低故障報警。核實情況為：取樣泵處于“自動”檔且一直處于啟泵狀態(tài)，流量仍然無法提升。啟動取樣泵至“手動”狀態(tài)，取樣流量仍無變化。取樣泵聯(lián)軸器軸封處發(fā)生漏水現(xiàn)象。對取樣泵解體進(jìn)行維護(hù)，發(fā)現(xiàn)泵中泥沙含量較高且已產(chǎn)生沉淀。如圖3所示，軸封轉(zhuǎn)動時與內(nèi)部雜質(zhì)碰撞，導(dǎo)致塑料軸封損壞，泵產(chǎn)生漏水。后對取樣泵軸封進(jìn)行更換以后回裝，漏水問題解決。

圖3 已損壞的取樣泵軸封Fig.3 Damaged sampling pump shaft seal

總結(jié)：該取樣泵較為精密，在正常啟停下不會產(chǎn)生滴漏現(xiàn)象。通過對該取樣泵拆解維護(hù)，發(fā)現(xiàn)該泵對取樣水質(zhì)要求較高，強制手動模式可能會導(dǎo)致內(nèi)部雜志打破軸封進(jìn)而產(chǎn)生漏水現(xiàn)象。

4.3 改進(jìn)措施及建議

結(jié)合調(diào)試及運行期間出現(xiàn)的問題，針對H2LQM01型離線低放液體活度監(jiān)測儀取樣管路提出以下優(yōu)化建議。

1）取樣管路過濾網(wǎng)過濾孔極易堵塞，且過濾網(wǎng)材質(zhì)硬度較低，易變形。建議采取安裝、清潔方式更為簡便的過濾裝置，或在探測儀取樣回路前端增加過濾沉淀裝置，對進(jìn)入取樣管路的取樣水進(jìn)行提前過濾清潔。

2）根據(jù)實際運行時觀察，發(fā)現(xiàn)主管路的流量滿足2L/min～15L/min的探測流量要求，即在正式運行時，無需取樣泵的投入，取樣管路的靠壓差產(chǎn)生的流量也可滿足要求，所以取樣泵只是在啟動和調(diào)試時使用。結(jié)合取樣泵精度較高，極易被管路內(nèi)雜質(zhì)干擾的實際情況，可以在取樣泵旁邊另作一條支路，供設(shè)備正常運行時取樣使用，取樣泵只做調(diào)試和初始投運階段時使用。

3）在離線低放液體活度監(jiān)測儀投入運行前，需確保整個回路已過濾多次或已用高壓除鹽水反沖洗多次。內(nèi)部泥沙含量較低后再將取樣管路閥門打開，進(jìn)行設(shè)備取樣監(jiān)測，防止回路內(nèi)泥沙進(jìn)入取樣管路損壞取樣泵和過濾網(wǎng)。

5 同類型設(shè)備對比

H2LQM01型離線低放液體活度監(jiān)測儀在核能供暖首站正式投入使用后，定期調(diào)取設(shè)備運行歷史事件，設(shè)備運行穩(wěn)定未出現(xiàn)預(yù)期外非正常報警。調(diào)取測量值歷史值，測量數(shù)據(jù)平穩(wěn)未見明顯波動，探測器穩(wěn)定性高。秦山核電二廠目前使用的其余離線低放液體活度監(jiān)測儀有XH-3120型探測器和XH-3120Q2型探測器。下面就3種類型儀表進(jìn)行對比說明。

5.1 探測器性能試驗

模擬量輸入輸出試驗對比。H2LQM01型離線低放液體活度監(jiān)測儀在進(jìn)行模擬量試驗時可用維護(hù)軟件連接LPDU，直接輸入并發(fā)送所需模擬的測量值，設(shè)備響應(yīng)快，操作方便，在測量其輸出電流時與理論電流誤差較小。XH-3120型與XH-3120Q2型離線液體活度監(jiān)測儀需采用信號發(fā)生器在端子排模擬輸入探測器所測赫茲值，在不同量級測量值間切換時，設(shè)備響應(yīng)較慢。在現(xiàn)場進(jìn)行模擬量輸出試驗時受外界影響較大，需在測量模擬電流輸出時對端子排進(jìn)行外接電路挑線后測量。

探測器抗干擾能力對比。H2LQM01型離線低放液體活度監(jiān)測儀探測器至LPDU間連接電纜兩端使用的均為預(yù)制的快插式航空插頭，連接穩(wěn)定可靠且插接便捷。LPDU與電氣箱之間通訊電纜為預(yù)制電纜與快插式航空插頭，通訊穩(wěn)定，抗干擾能力強。XH-3120型與XH-3120Q2型離線液體活度監(jiān)測儀探測器側(cè)使用航空插接頭，端子箱（XH-3120）或LPDU（XH-3120Q2）側(cè)則使用電纜芯線與端子排端接方式，在連接時流程復(fù)雜程度上升且降低了電纜抗通訊干擾能力[5]。

綜上，H2LQM01型離線低放液體活度監(jiān)測儀生產(chǎn)設(shè)計時間較XH-3120型與XH-3120Q2型離線液體活度監(jiān)測儀更晚，故在探測器測量范圍、響應(yīng)時間、通訊穩(wěn)定性等方面均有了一定程度的提升。

5.2 探測器安裝條件

H2LQM01型離線低放液體活度監(jiān)測儀的安裝鉛室采用合頁式鉛室，鉛室開啟關(guān)閉方便，且內(nèi)部便于清潔。XH-3120型與XH-3120Q2型離線液體活度監(jiān)測儀的安裝鉛室需將上層打開取下鉛室蓋子后，方可對內(nèi)部進(jìn)行操作，工作復(fù)雜程度較高。

H2LQM01型離線低放液體活度監(jiān)測儀LPDU為鋁錠壓制而成，設(shè)備尺寸小巧，內(nèi)部各模塊均為插裝式電路板，在單塊電路板故障時更換方便。XH-3120Q2型離線低放液體活度監(jiān)測儀LPDU尺寸較大且設(shè)備沉重，內(nèi)部分為多個模塊，集成化程度較H2LQM01型監(jiān)測儀低，不利于日常維護(hù)和故障維修。

綜上，H2LQM01型離線低放液體活度監(jiān)測儀設(shè)備安裝方式、內(nèi)部布局和集成化程度更符合用戶需求。

通過5.1與5.2節(jié)，H2LQM01型設(shè)備與其余設(shè)備的比較，H2LQM01型設(shè)備無論是在探測器性能、探測器安裝條件、設(shè)備使用便利性、故障率、穩(wěn)定性上均優(yōu)于現(xiàn)場使用的XH-3120與XH-3120Q2型探測器，故可推廣。

6 結(jié)論

總體來看，H2LQM01型離線液體活度監(jiān)測儀性能穩(wěn)定，操作方便且配套鉛室使用簡便，是一款已經(jīng)成熟的產(chǎn)品，較秦山核電二廠目前使用的離線低放液體活度監(jiān)測儀更為先進(jìn)。但在取樣泵和過濾網(wǎng)方面需對設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，使設(shè)備能兼容更惡劣的取樣環(huán)境。同時，監(jiān)測儀用戶在設(shè)備投用前也需考慮取樣水的狀況及環(huán)境影響，防止損壞取樣回路和探測部分設(shè)備。

通過上述對H2LQM01型離線液體活度監(jiān)測儀調(diào)試方法、故障處理方法的描述和分析，為后續(xù)同類型設(shè)備安裝及檢修提供了有效的幫助。