王志明，李西安，王江洪，翟巴菁，王　磊，王昭強，白　旋，徐教珅，周亮亮

（中廣核工程有限公司，廣東 深圳 518124）

基于CPR1000+核電機組的異物查找及控制方法的分析

王志明，李西安，王江洪，翟巴菁，王磊，王昭強，白旋，徐教珅，周亮亮

（中廣核工程有限公司，廣東 深圳 518124）

某CPR1000+型核電機組在執(zhí)行試驗期間，KIR（松動部件和振動監(jiān)測系統(tǒng)）出現(xiàn)報警，經(jīng)分析認(rèn)為一回路存在異物，為保證機組安全，機組停運下行，歷時4個月完成異物查找及設(shè)備修復(fù)。文章著眼于一回路及其輔助管線、設(shè)備的結(jié)構(gòu)特征，提出較為全面的異物查找分析方法和預(yù)防措施，確保整個系統(tǒng)內(nèi)部完整地實現(xiàn)異物查找及清除，促使機組重新啟動。

CPR1000+；核電機組；異物查找

CPR1000+型壓水堆機組的核島部分由一回路主系統(tǒng)、專設(shè)安全設(shè)施、核輔助系統(tǒng)及三廢處理系統(tǒng)組成［1］。機組處于運行狀態(tài)時，一回路主系統(tǒng)的反應(yīng)堆產(chǎn)生熱量，主泵通過循環(huán)冷卻方式，將一回路熱量通過蒸汽發(fā)生器傳遞至二回路，穩(wěn)壓器用于熱量傳遞過程中一回路壓力及溫度的保持［2］。

CPR1000+型壓水堆核島系統(tǒng)運行時，如果核島系統(tǒng)內(nèi)存在異物，異物會向核島一回路聚集，并且與反應(yīng)堆設(shè)備發(fā)生碰撞，導(dǎo)致設(shè)備故障或損壞，對一回路保護層及結(jié)構(gòu)造成破壞［3］。某核電廠機組試驗時，KIR系統(tǒng)出現(xiàn)報警且異物現(xiàn)象明顯，為保證設(shè)備安全對試驗進行中止。文章結(jié)合機組試驗停止后核島系統(tǒng)異物處理的過程，對CPR1000+型核電機組異物查找及控制方法進行了細(xì)致的討論和研究。

1　事故機組的基本試驗情況及KIR報警問題

某核電機組在執(zhí)行熱態(tài)功能試驗（簡稱熱試，熱試是核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)首次在無核燃料裝載的情況下，升溫升壓至熱停平臺，隨后又降溫降壓過程中進行各項試驗的總和，并在各個壓力溫度平臺上對NSSS及其輔助系統(tǒng)的有關(guān)設(shè)備和系統(tǒng)功能進行全范圍驗證，以確定機組能夠按照設(shè)計要求運行）期間，熱停堆平臺3臺主泵運行，KIR系統(tǒng)在反應(yīng)堆壓力容器和3個蒸汽發(fā)生器上的加速度傳感器出現(xiàn)多次報警。KIR系統(tǒng)顯示一回路多點出現(xiàn)異物，經(jīng)現(xiàn)場聽音檢查確認(rèn)，異物存在于系統(tǒng)流質(zhì)中。為了保證整個機組的安全，試驗中止，機組下行。

2　異物檢查的方式及范圍

機組停運下行后，結(jié)合一回路設(shè)備及輔助管線的投運情況，為確保異物被完全攔截收集，采取了排水?dāng)r截的方式進行異物收集，并根據(jù)實際情況確定了異物查找方案。

2.1排水方式及異物攔截方案

異物在一回路隨流質(zhì)轉(zhuǎn)移，存在于一回路及輔助管線的各個位置，為保證排水期間異物查找全面，采用濾網(wǎng)過濾排水方式。例如，一回路初始排水通過下泄管線排水，使用RCV001FI對異物進行過濾；對于無正式過濾器部位的排水，采用臨時濾網(wǎng)，如U形管段以及RRA系統(tǒng)的內(nèi)部殘水。

2.2異物檢查范圍及步驟

基于KIR系統(tǒng)報警的發(fā)出位置及頻率，采取三階段進行查找：

第一階段為出現(xiàn)報警較多的位置，較容易檢查的一回路主管道。例如蒸汽發(fā)生器一次側(cè)水室，熱管段及過渡段。

第二階段為報警出現(xiàn)頻率較少的一回路，難于檢查的壓力容器。例如壓力容器，上、下部堆內(nèi)構(gòu)件，冷管段及穩(wěn)壓器等。

第三階段為與一回路相連的輔助系統(tǒng)管線及設(shè)備。

針對堆芯設(shè)備及壓力容器部分，由于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，主要有壓力容器頂蓋，CRDM組件，上部堆內(nèi)構(gòu)件，下部堆內(nèi)構(gòu)件及RIC導(dǎo)向管等。這些堆芯結(jié)構(gòu)間隙較小，流道變化大，是異物檢查的重點部位。

3　異物查找結(jié)果及分析

3.1第一階段、第二階段異物排查結(jié)果

異物排查第一階段、第二階段完成主回路相關(guān)3個蒸汽發(fā)生器冷側(cè)、熱側(cè)水室，主管道冷段、熱段、過渡段，反應(yīng)堆壓力容器頂蓋，上部堆內(nèi)構(gòu)件，下部堆內(nèi)構(gòu)件，反應(yīng)堆壓力容器底部，穩(wěn)壓器等設(shè)備的檢查。本階段檢查共發(fā)現(xiàn)體積較大的異物7個：2個來自SG3熱側(cè)水室，3個來自SG1熱側(cè)水室，2個來自上部堆內(nèi)構(gòu)件控制棒導(dǎo)向筒，同時也發(fā)現(xiàn)一系列體積較小的金屬碎片，典型異物照片見圖1。

3.2第三階段異物排查結(jié)果

異物排查第三階段，主要完成了一回路相連的輔助系統(tǒng)管線及設(shè)備檢查，包括卸壓箱、壓力容器底部RIC管道、RCV過濾器及換熱器、與一回路相連接管線的逆止閥等。此階段發(fā)現(xiàn)的異物比較細(xì)小，多為金屬碎屑或碎片，質(zhì)量也較小。

圖1　異物排查樣品圖Fig.1　Sample of foreign matter inspection

3.3異物排查結(jié)果分析

通過各階段查找的異物，對異物進行匯總稱重，并結(jié)合異物發(fā)現(xiàn)的位置，將存在于一回路相關(guān)管線的異物進行統(tǒng)計（見圖2、圖3）。

圖2　一回路相關(guān)設(shè)備異物分布概率柱狀圖（按重量分布）Fig.2　The probability histogram of foreign matter distribution inside the primary loop related equipment (by weight)

圖3　一回路相關(guān)設(shè)備異物分布概率柱狀圖（按數(shù)量分布）Fig.3　The probability histogram of foreign matter distribution inside the primary loop related equipment (by quantity)

從圖2、圖3中可以發(fā)現(xiàn)，一回路存在異物及破損后的碎片主要集中在SG1、SG3熱側(cè)水室及結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的上部堆內(nèi)構(gòu)件中，此部位的異物體積和質(zhì)量都較大，其他區(qū)域為細(xì)小的金屬碎片或碎屑；從數(shù)量上看，上部堆內(nèi)構(gòu)件異物數(shù)量最多，由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，縫隙及死角較多，異物在一回路循環(huán)過程中形成匯集，并卡在上部堆內(nèi)構(gòu)件的縫隙或流質(zhì)死角區(qū)域里；另外，堆腔底部區(qū)域及SG冷側(cè)水室由于流質(zhì)渦流的原因，易形成細(xì)小異物的匯集。同時，細(xì)小的金屬碎片或碎屑會隨著下泄等管線向輔助系統(tǒng)擴散，從收集的異物分布可以得到證實。

3.4異物來源分析

整個過程收集到的異物，基本分為三種：第一種，體積較大，有較規(guī)則的幾何形狀金屬，質(zhì)量也較大；第二種，體積較小的金屬碎屑或碎片；第三種為非金屬的碎屑。

針對第一種體積較大異物，可采用金相分析、光譜分析及形狀比對等方式對其來源進行分析。圖1異物均屬于第一種，經(jīng)過金相分析，其材質(zhì)與下部堆內(nèi)構(gòu)件小格架板的螺栓材質(zhì)相同，因此可以確定該異物來自下部堆內(nèi)構(gòu)件小格架板的緊固螺栓。這些異物無法從外觀判斷是否為螺栓，原因在于這些螺栓從下部堆內(nèi)構(gòu)件脫落后，跟隨一回路流質(zhì)進入蒸汽發(fā)生器熱管段，以約15 m/s的速度撞擊蒸汽發(fā)生器下管板，同時由于其體積較大不能隨流質(zhì)流過換熱管，被反彈后，再次對蒸汽發(fā)生器下管板形成撞擊，此種撞擊1分鐘將進行幾十次，直至螺栓形狀不斷發(fā)生變化。撞擊后的SG水室的照片可參見圖4。

圖4　撞擊后的SG水室Fig.4　The SG water chamber after impact

針對第二類金屬碎屑類異物，屬于金屬殘片，由于其體積較小，要找到其屬于哪些設(shè)備脫落，也需要采用金相分析的方法。另外，由于螺栓碰撞會變形，對于其碰撞比較嚴(yán)重的部位同樣進行金相分析，并將兩種分析結(jié)果進行比對。結(jié)果證明，這些通體黑色或亮灰色的小金屬碎片來自脫落的螺栓，如圖5所示。

導(dǎo)致產(chǎn)生這種結(jié)果的原因有：脫落的螺栓不停地在蒸汽發(fā)生器水室內(nèi)碰撞，猛烈的撞擊造成金屬表面變形并逐漸出現(xiàn)褶皺邊，褶皺邊發(fā)生疲勞斷裂并逐漸與螺栓本體分離。異物撞擊導(dǎo)致材料表面冷作硬化會影響材料的抗腐蝕性能，脫落的螺栓及金屬褶皺片處高溫高壓的環(huán)境，并且流質(zhì)中添加了LiOH及聯(lián)氨用于化學(xué)鈍化，在這樣的液體環(huán)境中，螺栓及金屬碎片的表層由于鈍化的原因逐漸變?yōu)楹谏?。金屬碎片脫落的時間有先后，故個別金屬碎屑還呈現(xiàn)出亮灰色的特征。

針對第三種異物，數(shù)量很少，其材質(zhì)基本上為非金屬碎屑，為設(shè)備拆檢過程中引入，比如排水水管內(nèi)壁的殘留物，排水過程中排水管下游的過濾網(wǎng)可將這些微小異物匯集。從這一點可以看出，異物查找過程中工器具本身的潔凈程度必須予以考慮。

4　CPR1000+核電機組異物控制

綜合以上分析可以看出，異物有來自系統(tǒng)內(nèi)部的螺栓及螺栓鎖緊帽，也有來自系統(tǒng)外部的金屬條及非金屬物質(zhì)。螺帽、螺栓的設(shè)計制造質(zhì)量，安裝人員的技能及方法，現(xiàn)場的安裝環(huán)境，安裝工具是否合適等因素都有可能導(dǎo)致事件的發(fā)生。那么，可以從“人、機、料、法、環(huán)”等5個維度［4］對異物來源進行分析，如圖6所示。

4.1人員管理方面

經(jīng)過調(diào)查取證， 螺栓安裝活動相關(guān)的施工人員經(jīng)驗不足，比如原安裝技術(shù)員在下部堆內(nèi)構(gòu)件儀表柱安裝前3個月離職，實際承擔(dān)該機組堆內(nèi)構(gòu)件安裝的另外的技術(shù)員沒有相關(guān)工作經(jīng)驗，屬于第一次參加該類活動。人員的素質(zhì)和管理成為了此次事件誘因，可以用如下的方式進行提高。

1）針對培訓(xùn)管理：培訓(xùn)要制度化，工作授權(quán)需要經(jīng)過培訓(xùn)取得，人員不經(jīng)培訓(xùn)不得開展工作；另外還需要加強施工規(guī)章的教育、宣傳力度，加強班前會、工前會自查。

2）針對疲勞作業(yè)：合理安排施工人員工作量和工作時間，確保現(xiàn)場人員狀態(tài)良好。

3）針對質(zhì)量意識：細(xì)化質(zhì)量計劃并設(shè)點檢查，同時還需要組織人員不定期巡查。

4）關(guān)于經(jīng)驗反饋方面［5］：定期反饋學(xué)習(xí)并建立跟蹤機制，對于重要操作及關(guān)鍵步驟，制訂經(jīng)驗反饋跟蹤單，并在實際工作中予以落實。

從以上4個維度進行改進，可以彌補人為導(dǎo)致的技能、經(jīng)驗上的欠缺及監(jiān)管失控問題，并減小異物產(chǎn)生的風(fēng)險。

圖5　脫落螺栓邊緣金相分析圖Fig.5　The metallurgical analysis for the shedding screw edge

圖6　異物引入的途徑及方式Fig.6　Ways and approaches of introducing foreign matter

4.2設(shè)備方面

針對設(shè)備自身，檢查了螺栓圖紙與參考電廠的符合性，安裝設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，螺栓、鎖緊帽制造質(zhì)量符合性驗證，筒體與法蘭焊接熱處理驗證及制造廠組裝質(zhì)量驗證等，均未發(fā)現(xiàn)異常，此次事件設(shè)備本身導(dǎo)致的誘因排除。

4.3材料方面

經(jīng)檢查組件的預(yù)裝、清潔和包裝質(zhì)量，焊接材料的性能，以及使用的工器具，僅發(fā)現(xiàn)部分螺栓有磨損現(xiàn)象，此方面因素導(dǎo)致異物產(chǎn)生的原因較小。

4.4方法方面

方法方面可以分為兩個層面，一個是管理層面，一個是具體操作層面。管理層面有施工質(zhì)量管理，四會三單，工作票等方面；具體操作層面有試驗超工況，巡檢、維護不到位，現(xiàn)場風(fēng)險分析不到位等方面。而本次事件，管理層面、具體操作方法都出現(xiàn)了問題。具體有：

1）施工質(zhì)量管理存在缺失，本次事件調(diào)查取證，整個螺栓的安裝質(zhì)量文件雖有簽字，但是整個簽字確認(rèn)過程失效，監(jiān)管失效。工前會、班前會等流于形式，沒有在開工前準(zhǔn)備充足預(yù)案，工前會、班前會等記錄單缺失或不完善，并且工作人員對需要執(zhí)行的工作認(rèn)識有偏差，螺栓的識別，焊接方式的確認(rèn)都未能在工作交底前完成。工作票有超期問題，致使監(jiān)管失控。以上3種管理方法的缺陷，導(dǎo)致了安裝質(zhì)量的缺陷，引發(fā)螺栓脫落的原因最多。

2）實際操作方面，熱試超基準(zhǔn)運行的工況不存在，一回路流體按正常工況運行，方法正確。但安裝使用的程序文件中螺栓緊固順序和力矩要求不明確導(dǎo)致現(xiàn)場打力矩的方法存在錯誤；實際執(zhí)行的螺栓緊固順序與設(shè)計要求有偏差，導(dǎo)致緊固方法錯誤，這些原因直接就導(dǎo)致了螺栓連接失效，成了本次事件的直接誘因。

由于管理及實際操作方法上的失誤，糾正措施就必須對癥下藥，要針對性地加強過程質(zhì)量控制。第一，要完善技術(shù)交底環(huán)節(jié)，QC人員必須參加施工單位組織的技術(shù)交底，并給予必要的澄清支持。第二，過程QC必須核實作業(yè)活動相關(guān)的上游設(shè)計要求是否正確；質(zhì)量計劃中的監(jiān)督檢查，涉及現(xiàn)場作業(yè)活動的見證，必須到現(xiàn)場見證作業(yè)過程，并確保作業(yè)符合性。

4.5外部環(huán)境方面

外部環(huán)境因素也會導(dǎo)致一回路引入異物事件的發(fā)生，如交叉作業(yè)、照明不足、物料堆放不規(guī)范、廢棄雜物清理不及時、照明不足等。可以采取的改進措施有：

1）合理安排施工邏輯，盡力避免同一施工點交叉作業(yè)，如不可避免，務(wù)必做好交叉施工風(fēng)險評估，協(xié)調(diào)各作業(yè)方負(fù)責(zé)人做好監(jiān)督，并加強防異物意識。

2）工作結(jié)束后及時清理廢棄物，物料需要辦理臨時存放證，堆放整齊規(guī)范，并定期巡查、清點物質(zhì)，確認(rèn)物資不遺失。

5　結(jié)論

通過此次CPR1000+核電機組一回路異物事件的研究，分析出了如下結(jié)論。第一，若一回路相關(guān)設(shè)備異物出現(xiàn)異物并進入一回路，重點地檢查區(qū)域和范圍在SG水室、上部堆內(nèi)構(gòu)件及壓力容器底部；第二，金屬異物會對一回路的設(shè)備造成破壞，并隨著破壞的進行自身也會逐步分解變化，直至演變?yōu)榻饘偎樾蓟蛩槠?，并且異物需要盡早取出，否則影響的范圍會逐漸擴大并加劇。對于異物控制方面，“人、機、料、法、環(huán)”等5個維度都可以進行控制，并進行相應(yīng)提高。但是對于此次事件本身，人的因素和施工方法方面是導(dǎo)致本次事件產(chǎn)生的原因，只有加強人員培訓(xùn)及管理，加強QC的過程控制，嚴(yán)格按程序及規(guī)程辦事，使所有的安裝質(zhì)量及步驟滿足設(shè)計要求，才能有效地提高核電廠的安裝質(zhì)量，達到更高的核安全標(biāo)準(zhǔn)。

［1］ 核電廠系統(tǒng)及設(shè)備（第2版） ［M］. 北京：清華大學(xué)出版社，2010.（Systems and Components of Nuclear Power Plant （Version 2） ［M］. Beijing： Tsinghua University Press， 2010. ）

［2］ 壓水堆核電廠調(diào)試與運行［M］. 北京：中國電力出版社，2008. （Commissioning and Operation of PWR NPP［M］. Beijing： China Electric Power Press， 2008. ）

［3］ 核電廠事故分析［M］. 北京：清華大學(xué)出版社，2012.（Nuclear Power Plant Accident Analysis ［M］. Beijing： Tsinghua University Press， 2012. ）

［4］ 淺談“人機料法環(huán)”五因素對施工質(zhì)量管理成果的影響［J］. 內(nèi)蒙古水利，2008， 6：121-122. （Brief Introduction to the Influence of Five Factors（“man， machine， material， method and cycle”）on the Construction Quality Control［J］. Water Conservancy in Inner Mongolia， June 2008： 121-122. ）

［5］ 江振標(biāo)，劉志成，李冠英. 壓水堆核電廠主管道靜態(tài)鑄造質(zhì)量控制措施的研究［J］. 中國核電，2013，6（4）：343-347.（Study on the Static Casting Quality Control Measures for the Primary Pipe of PWR NPP［J］. China Nuclear Power， 2013，6（4）：343-347. ）

Analysis of Foreign Matter Searching and Controll Method Based on CPR1000+ Nuclear Power Plant

WANG Zhi-ming， LI Xi-an， WANG Jiang-hong， ZHAI Ba-jing， WANG Lei，WANG Zhao-qiang， BAI Xuan， XU Jiao-shen， ZHOU Liang-liang
（China Nuclear Power Engineering Co.， Ltd.， Shenzhen， Guangdong Prov. 518124，China）

During the test of a CPR1000 + nuclear power plant in 2014， the KIR system （loosen parts and vibration monitoring system） alarmed. The alarm analysis indicated the presence of some foreign matter inside the primary loop. For safety， the unit was shut down to search foreign matter and fix damaged equipment， which lasted for four months. This paper focuses on the structural features of the primary loop and its auxiliary pipelines and equipment. On this basis， a more comprehensive method and preventive measure for foreign matter analysis is proposed， which can ensure complete implementation of foreign matter searching inside the entire system.

CPR 1000+； nuclear power unit； foreign matter searching

TM623 Article character：A Article ID：1674-1617（2016）03-0208-06

TM623

A

1674-1617（2016）03-0208-06

2016-04-14

王志明（1982—），男，山東曲阜人，高工，學(xué)士，主要從事核設(shè)備及相關(guān)系統(tǒng)的調(diào)試及研究工作。