遼寧紅沿河核電有限公司 王永新，張樹山，史紅亮，邳立鵬，金洪興

1 引言

RPN（堆外核儀表系統(tǒng)）用于測量核電站反應(yīng)堆外的中子通量，直接參與反應(yīng)堆的保護和控制，是完全與質(zhì)量和安全相關(guān)的系統(tǒng)。RPN系統(tǒng)包括三個量程，三個量程相互重疊，能夠監(jiān)測反應(yīng)堆從裝料到滿功率運行甚至LOCA（失水事故）的所有工況，RPN系統(tǒng)對核安全管控以及核電站的經(jīng)濟效益都有重要的意義[1]。RPN系統(tǒng)信號非常微弱，信號的傳輸路徑長且中間沒有信號放大環(huán)節(jié)，系統(tǒng)容易產(chǎn)生不穩(wěn)定性。RPN系統(tǒng)設(shè)備對運行環(huán)境的溫度、濕度及電磁環(huán)境的要求較高，因此，對核電站建設(shè)階段的RPN安裝及調(diào)試工作的質(zhì)量管控要求非常嚴(yán)格。本文就核電站建設(shè)階段RPN系統(tǒng)典型故障診斷以及質(zhì)量管控進行具體說明。

2 RPN典型故障診斷

2.1 電纜絕緣問題

2013年5月，某新建核電機組進行首次達臨界操作，在緩慢提升R棒的過程中，1RPN013MA的倍增時間產(chǎn)生大幅波動，最小跳變?yōu)?.9s，小于18s定值，觸發(fā)1RPN419KA（中間量程通道倍增時間小于設(shè)定值）報警，導(dǎo)致出現(xiàn)C1（閉鎖控制棒自動或手動提升）信號，達臨界操作被迫中止。經(jīng)現(xiàn)場排查，使用萬用表測量機柜側(cè)中間量程電纜屏蔽層與地間的絕緣阻值為0.44Ω，而正常標(biāo)準(zhǔn)要求此數(shù)值應(yīng)大于1MΩ。設(shè)備廠家聲明電纜屏地絕緣應(yīng)在標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)，但并無屏地絕緣低造成倍增時間異常案例，因此無法評估影響，給不出具體處理意見。

維修人員采取分段排查的方法，解開機柜側(cè)中間量程電纜，利用萬用表在核島外貫穿件側(cè)對1RPN013MA信號電纜進行屏地絕緣阻值檢查，確認(rèn)測量值0.44Ω，因此可確認(rèn)接地點在核島內(nèi)。進入核島檢查，對易于產(chǎn)生破損位置的電纜進行摸排，發(fā)現(xiàn)位于R440房間內(nèi)的電纜托盤與中間量程電纜之間發(fā)生磨損，導(dǎo)致中間量程電纜接地。經(jīng)過處理電纜外層絕緣，中間量程電纜屏地絕緣滿足要求，異常故障消失，機組順利達臨界。

此次故障的根本原因為中間量程電纜接地，信號電纜通路兩點接地引入地環(huán)流，如圖1所示，造成中間量程1RPN013MA倍增時間異常大幅波動。RPN系統(tǒng)中間量程核島內(nèi)電纜為鎧裝電纜，需要人工在電纜外纏繞上絕緣材料，這種電纜與核電站其他系統(tǒng)電纜存在很大不同，在電纜鋪設(shè)過程中不能簡單延續(xù)常規(guī)電纜的鋪設(shè)方法，脆弱的中間量程電纜絕緣層需要得到良好的保護，電纜安裝完成后需要對每段電纜進行檢查確保沒有接地風(fēng)險。

2.2 系統(tǒng)軟件問題

2013年6月，某新建核電機組中間量程中子通量測量儀表（功能位置為1RPN013MA）閃發(fā)尖峰電流導(dǎo)致中間量程停堆保護閾值觸發(fā)，反應(yīng)堆跳堆。經(jīng)分析，跳堆前1RPN013MA電流值穩(wěn)定沒有異常波動，1RPN013MA與執(zhí)行同樣功能的1RPN023MA變化趨勢一致，跳堆前1RPN013MA電流值為8.6×10-8A，判定該問題為電流異常閃發(fā)。中間量程信號處理分為模擬信號放大部分和數(shù)字信號運算部分，與信號處理相關(guān)的卡件連接方式如圖2所示。

圖2 中間量程信號流程圖

通過現(xiàn)場試驗的方式，利用微電流源模擬探測器信號，找出中間量程電流各量程的切換點，發(fā)現(xiàn)異常閃發(fā)時的電流值接近量程4到量程3的切換點，可判斷故障原因為量程切換時軟硬件不匹配造成電流值的波動。通過大量針對性試驗使故障得以復(fù)現(xiàn)，證明了中間量程在量程切換的時候會隨機閃發(fā)尖峰電流，大約有1/30的概率會產(chǎn)生尖峰電流，并超過中間量程停堆保護閾值。

根據(jù)試驗現(xiàn)象進行定性分析，確定導(dǎo)致該故障的根本原因是RPN中間量程軟件存在缺陷，軟硬件不匹配造成中間量程在量程切換時產(chǎn)生了尖峰電流，通過修改延時參數(shù)（見表1），避免了量程切換時，軟硬件不匹配造成輸出電流發(fā)生階躍變化，確保中間量程在量程切換時電流平穩(wěn)，不會因量程切換引起虛假波動。

表1 Additional Delay參數(shù)修改前后對照

2.3 設(shè)備問題

2013年10月，某建設(shè)期核電機組核島廠房內(nèi)出現(xiàn)大量冷凝水，導(dǎo)致RPN功率量程電纜屏地絕緣不合格，后確認(rèn)為功率量程套筒內(nèi)外壁絕緣不合格導(dǎo)致。在更換功率量程過程中發(fā)現(xiàn)新的套筒頂部存在一些金屬屑，在RX廠房20m平臺測量套筒內(nèi)外壁絕緣大于10MΩ，符合要求，經(jīng)過簡單清理后，將套筒安裝就位，就位后測量發(fā)現(xiàn)探測器套筒的內(nèi)外壁絕緣不合格。

RPN功率量程探測器套筒（準(zhǔn)直器）的主要作用是：

（1）確保探測器接收的是來自堆芯特定范圍內(nèi)的熱中子，原理是利用熱中子無法通過鎘層的特性，將其濾除。來自堆芯的快中子穿過鎘層后，經(jīng)過聚乙烯的慢化，變?yōu)闊嶂凶幼罱K被探測器俘獲；

（2）確保探測器屏地絕緣合格，探測器傳輸電流為0～120μA，信號較弱，屏地絕緣不合格會導(dǎo)致信號波動，影響功率量程平均核功率顯示，有保護誤動的風(fēng)險，如圖3所示。

圖3 套筒鎘層作用的示意圖

通過現(xiàn)場模擬分析，套筒頂部安有兩個吊耳，用于探測器整體吊裝，廠家在吊耳攻絲過程中，未及時將產(chǎn)生的金屬碎屑清理，同時在現(xiàn)場安裝過程中，吊耳旋入螺紋孔時再次產(chǎn)生碎屑，仍未及時清理。探測器套筒未正式吊裝前一直為平放狀態(tài)，產(chǎn)生的金屬屑落入套筒的幾率較小，測試時不易發(fā)現(xiàn)，在吊裝過程中套筒由水平狀態(tài)變?yōu)榇怪睜顟B(tài)，金屬碎屑落入套筒內(nèi)外壁之間，導(dǎo)致絕緣不合格。RPN設(shè)備廠家在現(xiàn)場對有金屬屑的套筒進行拆解檢查處理，將金屬碎屑清理干凈，套筒拆解處理完成后測量絕緣滿足要求，現(xiàn)場安裝就位后絕緣測量合格。

3 RPN建設(shè)階段質(zhì)量管控措施

核電機組工程建設(shè)期間，RPN系統(tǒng)各階段質(zhì)量管控分布在設(shè)備采購、制造、安裝及調(diào)試階段，業(yè)主有必要全程參與工程的安裝及調(diào)試項目。通過深入?yún)⑴c，能夠發(fā)現(xiàn)RPN設(shè)備及軟件缺陷，既鍛煉了隊伍，又保障了設(shè)備商運后的穩(wěn)定運行。結(jié)合國內(nèi)核電站建設(shè)階段RPN質(zhì)量監(jiān)管過程，主要質(zhì)量管控措施如下：

3.1 招標(biāo)采購階段

在招標(biāo)及合同采購階段，不能單單考慮系統(tǒng)單價，需要全面考慮系統(tǒng)是否能夠穩(wěn)定運行、技術(shù)指標(biāo)是否先進、后期運營維護的成本。以Rolls-Royce供貨的RPN系統(tǒng)為例，由于RPN系統(tǒng)故障導(dǎo)致的工期延誤折算成的經(jīng)濟損失已經(jīng)遠遠超出合同的價格，且由于法國與中國在語言、文化等諸多方面的差異，新建核電機組在RPN系統(tǒng)故障排查、問題澄清、備件采購及現(xiàn)場服務(wù)等方面遇到了很大的困難，后續(xù)新建機組可適當(dāng)考慮采購國產(chǎn)化核儀表設(shè)備。

3.2 設(shè)計制造階段

經(jīng)統(tǒng)計，核電機組建設(shè)階段RPN出現(xiàn)問題的諸多原因都出現(xiàn)在廠家設(shè)計及制造環(huán)節(jié)，有設(shè)計制造缺陷的設(shè)備一旦用于現(xiàn)場將造成嚴(yán)重的后果，產(chǎn)生顯性和隱性的缺陷。由于廠家設(shè)計人員與核電站業(yè)主維護人員看問題的角度不同以及信息不對稱等因素，廠家人員不能完全了解現(xiàn)場需求甚至出現(xiàn)偏差。而系統(tǒng)工程師對系統(tǒng)及機組狀態(tài)有詳細了解，能夠明確提出系統(tǒng)的功能要求，同時能夠?qū)⒏骱穗姀S經(jīng)驗反饋及時落實到系統(tǒng)設(shè)計階段。因此，業(yè)主人員參與系統(tǒng)的最初設(shè)計，并參加系統(tǒng)的全面測試，可以及時挖掘出系統(tǒng)本身存在的設(shè)計缺陷。

3.3 安裝調(diào)試階段

RPN系統(tǒng)由于其測量信號的特殊性，對于安裝環(huán)境、安裝質(zhì)量有較高的要求，國內(nèi)已運營核電站和在建工程有大量安裝問題經(jīng)驗反饋。在安裝和調(diào)試前，業(yè)主單位有必要對安裝及調(diào)試文件的完整性進行審核，審查程序中存在的錯誤，同安裝及調(diào)試工作人員對系統(tǒng)安裝、調(diào)試過程的風(fēng)險進行討論，并全面參加系統(tǒng)的安裝及調(diào)試工作，同時實現(xiàn)對設(shè)備安裝及調(diào)試過程進行有效監(jiān)督。

4 結(jié)語

RPN系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題已經(jīng)成為國內(nèi)外核電站共同面對的問題，目前RPN系統(tǒng)可能發(fā)生的問題大部分已經(jīng)暴露出來，但由于國產(chǎn)化程度低、廠家設(shè)置技術(shù)壁壘等因素，仍有部分核心問題需要繼續(xù)探索。本文對核儀表系統(tǒng)在建設(shè)階段典型故障診斷方法的分析以及質(zhì)量管控措施方面的探討對后續(xù)核電機組建設(shè)過程有較高的參考價值。工程技術(shù)人員只有對RPN進行全過程的質(zhì)量管控，才能在工程建設(shè)過程中少走彎路，并充分保證核安全。

[1] 張英, 陳智, 王殳, 孫劍. 核電廠核儀表系統(tǒng)功率量程中子注量率變化率校正系數(shù)的仿真研究[J]. 核動力工程, 2012, 33(6): 42 - 45.