回路监测系统AC4通道频繁报警分析及维修

陈 勇 孙仁贵 万平生

（大亚湾核电运营管理有限责任公司 广东惠州）

一、引言

核反应堆压力容器内部包括堆内构件和燃料组件，堆内构件主要由压紧组件、吊篮组件、堆芯下支承组件等组成，各组件中的部件和零件大部分通过螺钉、销钉连接。尽管这些连接件在设计中采取了防松、防脱措施，但在堆长期连续运行条件下，因水流冲击和流致振动的影响，可能会使某些零件产生松动甚至脱落，从而在一回路中形成松脱部件。另外，在施工、换料或维修时，也有在一回路系统内遗留金属件的可能性。

大型商用压水堆核电厂，自调试商运以来出现诸多问题。功率运行期间系统发生频繁报警和通道故障现象，结合该系统检修期间的工作及存在问题进行分析，提出解决方案。

二、LPMS系统作用及原理

监测结构件中的松动部件；监测结构件中落下的脱落部件；监测安装中遗留的外来部件。当一个外来物件或者系统松脱部件在流体冲刷下，对压力容器底部产生撞击，通过安装在压力容器底部的加速度传感器进行信号拾取，电荷信号经过电荷转换器转化成电压信号，得到加速度计算公式（图1）。系统松动部件探测范围 100 g～15 kg；加速度～100 g；能量 0.7 J；滤波 1 kHz～10 kHz。

图1 松动部件探测

式中a——加速度，g

V——电压，V

S——加速度计灵敏度，pC/g

C——电荷转换器转换系数，mV/pC

A——调理放大倍数

三、VMS系统作用及原理

监测核电厂一回路冷却剂的流动和主泵的运转，会激励核反应堆内构件发生复杂振动。如吊篮、燃料组件、控制棒、热屏蔽及连接件振动。堆内构件的振动在一定程度内是允许的，但异常振动则可能导致故障甚至事故的发生。美国Palisades核电厂就曾出现过压紧弹簧功能失效问题。

堆内构件振动的监测方法通常有2种，一是通过KIR系统安装在压力容器顶盖和下封头仪表穿透管上的4个加速度传感器，监测压力壳的振动；二是从核仪表系统（RPN）的堆外中子探测器取得信号，用中子噪声分析方法，监测堆内构件的振动行为。根据中子探测器产生的电流信号与中子通量成正比，可有式（2）。通过电流信号的变化，可得到吊篮与压力壳之间的距离变化。

式中i——中子探测器产生的电流信号

Φ——堆外中子探测器探测到的中子通量

h——水的阻尼系数

dx——为堆芯吊篮和压力容器间的水隙厚度变化量

1998年，国内某核电站曾发生吊篮下部防断支承组件螺栓松脱，压力容器底部和下部组件严重受损。2007年，国内某核电机组曾发生主泵叶轮片松脱和导流罩螺栓脱落。法国某核电厂曾发生吊篮环与连接螺钉疲劳断裂，使吊篮的完整性受到破坏；美国Rock-Point和Yankee-I压水堆，在20世纪70年代初，吊篮热屏蔽由于螺栓连接损坏，造成热屏蔽脱落。现如今松动部件监测，已成为核电厂运行取照的必备系统。

四、AC4通道频繁报警分析

核电厂一回路松动部件与振动监测系统，主要利用现场的13个加速度传感器，将传感器产生的电荷信号经过电荷转换器转换成电压信号，再通过信号分析与调理模块，进行处理与甄别报警信息，产生相应的事件报警或者故障报警。其中 SG1、SG2、SG3、RPV 区域的安装示意如图2所示，AC4位于反应堆压力容器顶盖上。

国内某核电机组KIR系统在日常运行中发现AC4通道频繁产生报警，AC4通道位于压力容器顶盖上，主要用于监测堆芯上部构件的振动情况，对控制棒驱动机构动作、通风罩工作状况等比较敏感。根据该系统运行经验，当控制棒动作时，KIR系统的AC4通道容易受到干扰产生报警，通道信号也会有所变化。该机组KIR系统日常期间频繁报警，系统记录大量声音文件数据。为了避免频繁报警的产生，首先想到的是通过人为调整RPV区域通道背景噪声水平，自然也就提高了该RPV区域系统报警触发阈值。该办法是否科学合理呢？假想如果压力容器底部有小质量的松动部件，加速度信号水平较低，系统RPV区域探头能否产生报警信号？

1.信号分析对比

调查KIR系统噪声趋势曲线，分析发现该核电机组自商运以来，AC4通道信号明显偏大，约0.3 V，而其他各通道则均在0.1 V以下。对比同类型其他机组，发现正常情况下所有通道均在0.05 V以下，没有出现AC4通道偏大的情况，各通道噪声信号趋势图如图3、图4。

图2 KIR系统传感器安装示意

图3 机组通道噪声趋势分析

为调查该核电机组KIR系统AC4通道异常的原因，采用模拟现场振动测量的方法，在KIR系统终端机柜的信号端子牌处取信号进行通道振动测量，如图5所示。从传感器信号端子排引信号，测量时根据现场传感器和电荷转换器的系数，算出实际的输出电压与振动幅值之比。B&K8324-S-0型号传感器的灵敏度为10 pC/g，B&K2647B型号的电荷转换器灵敏度为10 mV/pC，故得实际灵敏度（输出电压与振动幅值之比）为100 mV/g。

2.信号频谱分析

采用美国罗克韦尔公司生产的Enpac 2500数据采集器对该机组KIR系统的通道信号进行采集分析，通过快速傅里叶变换，分析得到AC4通道信号频谱主要集中在50 Hz和5000 Hz处。分析认为50 Hz的产生，主要是因为信号干扰，以及滤波器设置对该频率的干扰未完全滤除所致。而5000 Hz则具有明显的碰磨特征，频率高且存在25 Hz边带。

图4 其他同类型机组系统通道噪声趋势分析

图5 传感器信号端子

通过对比，分析该机组KIR系统的AC4通道异常，主要因在50 Hz与5000 Hz处振动信号较大所致：AC4通道的50 Hz幅值为 21 g，而 AC1～AC3通道的 50 Hz幅值仅为 4 g；AC4通道的5000 Hz幅值为8 g左右，而AC1～AC3通道的5000 Hz幅值为4 g左右。进一步将该机组AC4通道与其他同类型机组通道对比，明确5000 Hz信号幅值8 g基本属于现场真实振动反应，而50 Hz处的21 g振动则属于异常电源频率干扰。

核电机组的KIR系统AC4通道50 Hz处的信号干扰过大，一方面与AC4通道的信号屏蔽不良有关，另一方面，也与系统的滤波设置有关。KIR系统的信号调理的参数为带通滤波1 kHz～10 kHz，低通滤波 1～100 Hz，即并未对 50 Hz的信号干扰进行滤波，这是导致50 Hz信号电源频率干扰过大的重要原因，该机组KIR系统AC4通道信号频谱结构如图6、图7所示。

图6 机组KIR系统AC4通道频谱

核电机组KIR系统AC4通道信号偏大，导致该通道的松动部件监测数值偏大。当AC4的噪声水平为3 g，峰值因子为8时，计算得到只有振动值＞24 g的事件才会被记录。如果振动加速度值＜24 g，系统将无法自动产生报警信号。

3.建立模型论证

按照松动部件监测的标准，该通道的信号干扰已导致KIR系统不满足对LPMS监测的相关要求。GB/T 11807-2008《探查松脱零件的声学监测系统的特性、设计和运行程序》对LPMS的要求是：能够监测松动部件以0.7 J的动能撞击反应堆冷却剂压力边界内表面，撞击点离开传感器的距离＜1 m，探测的质量范围约为0.1～15 kg。根据该要求，对松动部件碰撞引发的加速度值进行估算。计算过程中按照图8模型进行简化处理。

图7 机组KIR系统AC1/AC2/AC3通道典型频谱

图8 Hoppmann碰撞模型图

计算取最小碰撞质量0.1 kg，计算一回路中的流体流速为13.6 m/s，忽略松动部件自身的重力产生的碰撞速度，仅按该流速作为松动部件随流体运动的速度。取奥氏体不锈钢在350℃的杨氏模量B约为1.1×1011N/m2，阵发波在压力容器表面的传播速度Cb为0.59×104 m/s。由赫兹碰撞理论，阵发波的加速度幅值a与钢板碰撞处形变剪切力F之间的关系，见式（3）。

从而得a=FCb2/（8jB）

式中a(ω）——阵发波的加速度幅值

D（ω）——阵法波位移幅值

F——碰撞处形变剪切力

J——修正系数，一般＜1

k——波数，k=ω/Cb

Cb——阵发波在压力容器表面的传播速度

剪切力F与碰撞物之间的关系，见式（4）。

计算得F=2.95 mV。式中th——碰撞时间，与频率f之间的关系为f=0.8/th。代入数值进行计算，估算出质量为0.1 kg的小球产生的加速度幅值约为7 g。

因此，AC4通道的信号干扰导致无法对RPV范围的松动部件进行有效监测。对于其他通道，计算得监测最小振动为4 g，可以进行有效监测。该通道信号干扰问题也向厂家进行了反馈，经过对该通道进行屏蔽检查，分析50 Hz主要由于软电缆接头制作时存在松动或者屏蔽不良所导致，通过对电缆接头重新修复，减小电源频率干扰，从而保证系统对一回来松动部件的有效监测。

五、常见检修故障及系统维修策略

核电机组的KIR系统从硬件到软件均与法国EDF直接供货的KIR系统存在差异。硬件上包括传感器选型结构以及其安装方式，硬电缆材质及电缆接头形式，硬电缆与软电缆的接头形式，以及通道电荷转换器的选型及结构，如图9所示。终端软件上面也是完全不同的，由于差异的存在，使得每次换料大修系统检修方式也不完全相同。

图9 加速度传感器连接图

1.传感器通道故障

L303大修后系统重新启动阶段，发现AC2及AG12通道信号异常，异常现象主要表现为软件界面显示灯“failure”显示紫色。

L402大修后循环中期，AG31通道出现了断路（软件界面显示）；L403大修前一个月出现AG32通道故障，显示“sensor”过载。具体故障模式显示如图10。

经过分析并咨询厂家人员，检修界面出现响应的故障模式，是一种系统自发的检查方式，表示电荷转换器（图11）及其后端出现了故障。经检查系统机柜处并无异常，怀疑电荷转换器或者软电缆存在故障，更换新的电荷转换器后，发现通道信号恢复正常，检修界面故障模式消除。

2.系统维修优化策略

图10 系统检修界面显示的故障模式

图11 电荷转换器

核电机组的KIR系统与传统存在一定的差异性，传感器与硬电缆的连接接头里面有陶瓷绝缘，如果安装方式不当很容易导致陶瓷接头损坏。由于位置所限，每次拆除和回装硬电缆时人员无法直接触及到传感器，工作人员主要依靠经验和手感来操作，每次大修拆装人员不一样，致使该系统传感器与硬电缆频繁损坏。一旦损坏，就必须得重新更换新的传感器和硬电缆，更换起来也比较麻烦，且AG13/23/33位置环境剂量通常较高，工作人员存在比较大的外照射风险。经过前几轮大修的经验积累，技术人员反复与服务部门沟通，最终形成了一套完整的检修方案，减少不必要的反复拆卸，可避免人为的误损。减少了不必要的外照射风险，系统稳定性提高，大大降低系统故障维修率。

六、结论及建议

核电机组KIR系统AC4通道信号干扰问题，经过反复的分析验证，通过对连接软电缆的接头进行了重点修复，通道信号干扰基本消除，频繁报警问题解决。

图12 维修流程优化策略

大修中电荷转换器故障频繁发生，目前已经有初步分析，需要对电荷转换器进行转换系数检测。为了保证大修中电荷转换器故障时能够及时更换，建议日常期间留足备件。维修策略的优化（图12）进一步提高了系统的可靠性，系统故障维修率降低。

KIR主要对一回路松动部件和堆芯吊篮振动进行监测，对于堆芯及一回来边界的安全具有重要作用。外部电站曾发生一回路存在松动部件，导致压力边界损坏的严重事故。正确有效的监测，对于尽早发现潜在危害，防止严重事故的发生，具有重要意义。