盧 建，黃 靖，蔡昊廷，朱鵬飛

（中核核電運行管理有限公司 維修三處，浙江 海鹽 314300）

1 系統(tǒng)概述

堆外核功率測量系統(tǒng)（以下簡稱RPN 系統(tǒng)）是壓水堆核電站最核心的儀控系統(tǒng)之一，其作用是向操縱員提供反應(yīng)堆在裝料、啟動、功率提升和停堆等狀態(tài)下，在主控室給出相應(yīng)的信號，以便操作員隨時了解反應(yīng)堆的狀態(tài)及其變化，并且產(chǎn)生代表中子計數(shù)率的音響信號分別送到反應(yīng)堆廠房、主控室和就地機柜，通過其頻率的變化提醒人員堆芯中子注量率的變化；同時也要向反應(yīng)堆保護系統(tǒng)RPR提供多個緊急停堆信號和允許信號，RPN 系統(tǒng)不僅能在中子注量率高及中子注量率變化高時向保護系統(tǒng)發(fā)出停堆信號，而且在中子注量率高時發(fā)出控制棒閉鎖信號以及允許信號[1]。

1.1 設(shè)備組成

RPN 系統(tǒng)設(shè)備包括了壓力容器、中子探測器、測量儀表機柜、指示儀和記錄儀等顯示設(shè)備。RPN 系統(tǒng)是通過測量中子通量密度來得出反應(yīng)堆的功率，利用這種方法來測量反應(yīng)堆功率，響應(yīng)快、量程寬，還可以方便地測得功率的變化速度。

秦山二期RPN 系統(tǒng)由安裝在堆芯周圍的探測器、儀表柜、控制柜、自動（MTC）、可視化參數(shù)修改終端（VDU）及外圍設(shè)備組成，儀表控制部分采用基于SPINLINE3（反應(yīng)堆核安全級模塊化、數(shù)字化軟件）的數(shù)字化技術(shù)，與模擬式的RPN 系統(tǒng)相比，數(shù)字化RPN 系統(tǒng)實現(xiàn)的功能更為全面、操作更方便、可視程度更高[2]。

1.2 探測器

1.2.1 源量程探測器

RPN 系統(tǒng)源量程通道使用10B 嬗變工作的硼襯基正比計數(shù)管、鋰離子及α 射線在氣體中產(chǎn)生相當大的電離，因而即使存在強的γ 場時也允許進行中子探測。

1.2.2 中間量程探測器

RPN 系統(tǒng)中間量程通道使用硼襯基γ 補償電離室，使用γ 補償電離室的原因是：γ 貢獻的電流與中子引起的電流相比占大的份額，γ 輻射的影響由在個別情況下使用兩個電離室來補償：一個為硼襯基電離室，它對中子和γ 都敏感；另一個是非硼襯基的，它僅僅對γ 敏感。收集極為兩電離室共用，正和負高壓供給高壓極，在中心極產(chǎn)生相反的電極。第一室提供一個電流i1=in+i，第二室提供電流i2。調(diào)整負高壓以得到i2=i，這樣在中心極僅獲得電流i=in。

1.2.3 功率量程探測器

RPN 系統(tǒng)功率量程探測器安裝在鋁包殼的環(huán)繞物中，金屬鎘包住探測器后面靈敏區(qū)，提供120°扇形正對堆芯，環(huán)繞物其他部分填充聚乙烯。CBL26 探測器只計算堆芯直接發(fā)出的快中子，金屬鎘阻斷熱中子，對快中子通過無影響，聚乙烯將快中子慢化為熱中子。

在同時供給六段電離室的600V 高壓作用下，鋰離子在氣體中產(chǎn)生的離子對被電極收集，形成功率量程電流信號。CBL26 探測器應(yīng)用在中子通量較高階段，γ 射線電離的貢獻相對較小，可以忽略不記。每個探測器用7 根一體化同軸電纜與安裝在探測井頂部的連接板相連，從連接板通過安全殼貫穿件與功率量程儀表機箱相連，傳送6 段電流信號和探測器所用高壓信號[3]。

2 近15年重要檢修事件

2.1 源量程探測器故障原因分析及處理

圖1 2RPN014MA甄別閾曲線Fig.1 2RPN014MA Screening threshold curve

甄別閾曲線是指當堆芯的中子計數(shù)率（中子通量）穩(wěn)定在某個值和高壓參數(shù)確定時，探測器所采集中子計數(shù)率與甄別閾值之間的關(guān)系曲線，該曲線能靈敏地反映放大系數(shù)的減小并能解釋其減小的原因。甄別閾曲線的具體繪制過程為：在機組緊急停堆或正常換料停堆后，反應(yīng)堆工況穩(wěn)定且通量水平大于100/s 時，在額定的電壓下（秦山二期為850V），甄別值從0V ～2V 每隔0.1V 取樣一次，根據(jù)記數(shù)率變量隨甄別值變化的關(guān)系畫出甄別閾曲線。

2.1.1 故障現(xiàn)象

2017 年7 月27 日凌晨，儀控人員在執(zhí)行預(yù)大修項目RPN 源量程高壓坪特性和甄別電壓坪曲線繪制時，發(fā)現(xiàn)2RPN024MA 甄別電壓曲線斜率為49%，已經(jīng)接近60%的上限標準，經(jīng)研究交流，分析判斷2RPN024MA 探測器有老化趨勢。

◇ 原因分析

2 號機024MA&023MA 源量程探測器裝機使用15 年之久，甄別閾坪曲線的坪斜一直穩(wěn)定在30%左右，212 大修中通過檢測甄別閾曲線坪斜達到49%，對比211 大修及以往大修檢測結(jié)果有較大變化。秦山二期核電站2#源量程探頭為硼襯基正比計數(shù)器測量探頭，其腔內(nèi)填充有氣體，在高電壓情況下會產(chǎn)生增殖現(xiàn)象，而且增殖系數(shù)對氣體的質(zhì)量特別敏感。隨著探測器的堆內(nèi)工作，填充的氣體會逐漸摻雜氧氣、水蒸氣等雜質(zhì)，就會產(chǎn)生大量的負離子使增殖現(xiàn)象終止，結(jié)果增殖系數(shù)大大降低，探頭特性逐步變壞，對此：推測2# 024MA&023MA 源量程探測器中正比計數(shù)管對中子的計數(shù)功能有下降趨勢。

ΔC 的限定值接近或大于60%時，如果探頭的老化與歷史數(shù)據(jù)比較有加快的趨勢，則應(yīng)該繪制高壓坪曲線并檢查證實。

高壓坪曲線是指當堆芯的中子通量保持在某個穩(wěn)定值并且甄別閾值固定時，計數(shù)率與高壓之間的關(guān)系曲線。具體繪制過程為：當甄別閾調(diào)整到曲線拐點之后（該調(diào)整可以保證獲得正確的信號），如果源量程通道中的各個部件（探測器、電纜接頭、連接電纜、電氣單元等）均正常，以50V 為單位，在甄別值額定的基礎(chǔ)上繪制出計數(shù)率隨高壓（600V ～950V）變化而變化的高壓坪曲線（見圖2）。在采樣前，信號必須穩(wěn)定，且高壓絕對不能超過950V。

圖2 2RPN014MA高壓坪曲線Fig.2 2RPN014MA High pressure flat curve

024MA 高壓曲線顯示通道在電壓747V 之前均無讀數(shù)，與廠家EOMM 上所給出的探測器損壞典型曲線相類似。

結(jié)論：2RPN024MA 高壓飽和曲線和甄別閾電壓曲線均顯示出該探測器的老化曲線。

◇ 處理方法

212 大修更換2RPN014MA&013MA 探測器。

2.1.2 故障現(xiàn)象

2017 年7 月27 日凌晨，儀控人員在執(zhí)行預(yù)大修項目RPN 源量程高壓坪特性和甄別電壓坪曲線繪制時，發(fā)現(xiàn)2RPN014MA 甄別電壓曲線斜率為629%，遠超于60%的上限標準。

◇ 原因分析

2 號機014MA&013MA 源量程探測器裝機使用15 年之久，甄別閾坪曲線的坪斜一直穩(wěn)定在15%左右，212 大修中通過檢測甄別閾曲線坪斜達到649%。根據(jù)法國同類機組的經(jīng)驗反饋，如果探頭故障是由于SAITB 通道測量數(shù)值的漂移引起的，則不能用監(jiān)測曲線作為更換探頭的依據(jù)。懷疑此次甄別閾曲線超限制可能由于電氣單元卡件不穩(wěn)定所致，但不排除計數(shù)器探頭發(fā)生突變故障的可能。

高壓飽和曲線顯示探測器功能正常，其表征的特性屬正常運行范疇：計數(shù)率累計始于650V 并在725V 左右開始出現(xiàn)坪區(qū)，也說明這是一個比較新的探測器；同時在650V ～700V 之間出現(xiàn)了連續(xù)的拐點，證明電氣單元卡件不穩(wěn)定輸出導(dǎo)致。

圖3 2RPN014MA甄別閾曲線Fig.3 2RPN014MA Screening threshold curve

圖4 2RPN014MA高壓曲線Fig.4 2RPN014MA High pressure flat curve

結(jié)論：甄別閾電壓曲線所表現(xiàn)出來的異常很可能由通道電子板件（如AIMP5 等）波動所引起，因為可以很明顯地看到在0.104V ～0.502V 區(qū)間內(nèi)計數(shù)率出現(xiàn)了忽大忽小，較為劇烈的上下波動情況。

◇ 處理方法

212大修調(diào)整甄別閾值坪區(qū)范圍，由0.4V～0.6V～0.8V調(diào)整為0.5V ～0.7V ～0.9V，使得坪區(qū)坪斜滿足要求，調(diào)整完一個周期內(nèi)，源量程功能正常，后續(xù)大修繼續(xù)跟蹤。

2.2 中間量程探測器故障原因分析及處理

相對于（源量程）硼襯基正比計數(shù)器，（中間量程/功率量程）電離室不存在增殖現(xiàn)象。因此，填充氣體的質(zhì)量對其特性影響較小。硼襯基對電離室特性影響較大，一般情況下，硼的消耗（約為每10 年4%）不是影響電離室壽命的主要因素；在金屬、襯硼層以及氣體接觸面存在的物理和化學(xué)反應(yīng)（介質(zhì)接觸表面可能形成的氮化硼和氧化硼）導(dǎo)致了介質(zhì)電導(dǎo)率的下降，進一步影響了電離室的特性。但是這些反應(yīng)的速度很慢，短期的數(shù)據(jù)不容易被鑒別。由于中間量程和功率量程中子測量探頭的特性曲線是一條飽和曲線，而高壓飽和曲線能辨別電導(dǎo)率的減小。因此，曲線的原點斜率變化可以反映出電導(dǎo)率的變化。

圖5 1RPN023MA中間量程高壓坪曲線（異常曲線）Fig.5 1RPN023MA Intermediate range high pressure flat curve (abnormal curve)

圖6 1RPN功率量程歷年坪斜記錄Fig.6 1RPN Power range calendar year sloping record

圖7 2RPN功率量程歷年坪斜記錄Fig.7 2RPN Power range calendar year sloping record

2.2.1 故障現(xiàn)象

2015 年5 月25 日上午，112 大修儀控人員在執(zhí)行預(yù)大修項目RPN 中間量程坪特性繪制時，發(fā)現(xiàn)1RPN023MA 坪曲線發(fā)散、坪特性不好。下午更換了相關(guān)的高壓卡件后再次試驗，坪特性無改善，判定為1RPN023MA 島內(nèi)探測器故障導(dǎo)致。

◇ 原因分析

1 號機024MA&023MA 中間量程探測器裝機使用10 年之久，高壓坪曲線的坪斜一直有老化趨勢，對比111 大修坪斜5.19%已接近技術(shù)規(guī)格書6%合格要求，112 大修中間量程高壓曲線坪斜直接到達44.8%，坪區(qū)發(fā)散，探測器老化現(xiàn)象明顯。

結(jié)論：RPN023MA 坪曲線發(fā)散，探測器電離室老化失效。

◇ 處理方法

112 大修更換1RPN024MA&023MA 中間量程探測器。

2.2.2 故障現(xiàn)象

2012 年4 月和6 月兩次大修，坪曲線合格，大修期間探測器被水淋，導(dǎo)致絕緣不合格。

◇ 原因分析

大修期間由于池底凝結(jié)水流入探測器坑道，導(dǎo)致探測器淋水，023MA&024MA 中間量程探測器電纜芯對屏的絕緣不合格，屏蔽對地的絕緣不合格。

◇ 處理方法

大修期間更換023MA&024MA 中間量程探測器，更換后絕緣合格，起堆后功能正常。

2.3 功率量程探測器故障原因分析及處理

功率量程探測器性能較為穩(wěn)定，除調(diào)試階段探測器信號不穩(wěn)定和大修期間意外淋水外，性能參數(shù)多年來基本未發(fā)現(xiàn)明顯老化和故障現(xiàn)象。

秦山二期1#、2#機組功率量程性能曲線坪斜一直處于合格狀態(tài)，遠低于1.5%的技術(shù)要求。

功率量程探頭的老化是通過確定V0（V0 是額定電壓Vn 對應(yīng)飽和電流的20%所對應(yīng)的電壓值）和系數(shù)P 曲線（平坦區(qū)斜率）來表征的。當曲線變形較為嚴重或V0 ＞30V 時，意味著探頭開始老化，建議每3 個月繪制一次曲線；如果曲線繼續(xù)變形或V0 ＞60V、P ＞1.5%，需更換探頭。

2.3.1 故障現(xiàn)象

2005.6 功率量程010MA，020MA 絕緣不合格。

◇ 原因分析

大修期間測量絕緣發(fā)現(xiàn)六段電離室同軸電纜芯-屏蔽和屏蔽-低絕緣不合格，結(jié)合日常期間缺陷（RPN 記錄儀顯示波動較大），判斷探測器故障，后續(xù)返廠檢修確定是設(shè)備制造質(zhì)量問題。

結(jié)論：功率量程010MA、020MA 設(shè)備故障。

◇ 處理方法

大修更換2RPN010MA 和2RPN020MA 功率量程探測器。

2.3.2 故障現(xiàn)象

2012 年4 月和6 月1#、2#機組大修期間均發(fā)生淋水事件，導(dǎo)致探測器的絕緣均不合格。

◇ 原因分析

大修期間由于池底凝結(jié)水流入探測器坑道，導(dǎo)致探測器淋水，所有探測器絕緣均不合格。

◇ 處理方法

1）先對各個探測器進行風(fēng)干（加熱通風(fēng)干燥處理），由于淋水嚴重程度不同，部分探測器絕緣合格，各方面性能參數(shù)合格。

2）由 于1RPN020MA、1RPN040MA、2RPN040MA 淋水嚴重，風(fēng)干后絕緣仍然不合格，大修期間將功率量程1RPN020MA、1RPN040MA、2RPN040MA 三個探測器的外套筒進行了更換，結(jié)果合格。

3 結(jié)束語

堆外核功率測量系統(tǒng)探測器對精度的要求較高，同時設(shè)備一體化程度很高，難以在日常和大修中進行預(yù)防性解體檢查維修，出廠狀況即決定了其性能情況和使用年限。日常和大修通過針對其各類參數(shù)來判斷探測器功能是否正常，同時要密切關(guān)注其他檢修任務(wù)是否會對探測器造成意外損傷（淋水、碰撞、接觸），但是隨著系統(tǒng)運行年限的增加，設(shè)備中部分元器件如電容、電阻、電離室，電纜絕緣等，出現(xiàn)了不同程度的性能下降甚至失效的老化跡象。在今后的工作中，對這些設(shè)備要重點關(guān)注，必要時進行老化處理。

針對秦山二廠1#、2#機組RPN 探測器以往經(jīng)驗，提出以下建議：

1）停堆期間，繪制源量程探測器甄別曲線時，確保計數(shù)率穩(wěn)定1500（與各電廠現(xiàn)場需求決定）左右，計數(shù)率的不穩(wěn)定對探測器坪曲線的繪制造成極大的干擾，往往會導(dǎo)致坪斜意外增大，使得合格的探測器參數(shù)達不到標準。

2）大修期間，安排人員關(guān)注池底是否有凝結(jié)水，防止凝結(jié)水或其他檢修漏水情況導(dǎo)致淋水事件。大修經(jīng)常會出現(xiàn)絕緣不合格情況，除了淋水潮濕外要仔細檢查電纜絕緣層破損情況，除了大規(guī)模淋水導(dǎo)致絕緣不合格外，正常的絕緣層能夠保證在微量淋水和潮濕狀況下的絕緣，尤其是電纜接頭位置、貫穿件電纜支架和對地絕緣、電纜與支架的石墨絕緣、電纜與支架之間的固定絕緣等，秦山核電二期出現(xiàn)過電纜與支架之間的探測器電纜固定處不絕緣，原因是墊片凹型將絕緣層擠破導(dǎo)致絕緣層失效，前期做過絕緣層二次加固，常年震動，導(dǎo)致二次加固的輻射專用膠帶破損，原有絕緣層破損造成大修絕緣不合格情況。

3）起堆期間，安排人員在升溫升壓的各個節(jié)點到探測器電纜房間進行查漏。漏水問題是導(dǎo)致RPN 探測器故障的主流原因之一。

4）對探測器的各類數(shù)據(jù)進行收集、整理、匯總，以便于大數(shù)據(jù)分析探測器性能指標，加強技術(shù)人員對探測器的檢修能力。

5）源量程探測器島內(nèi)壽命約為10 年左右，源量程和中間量程壽命預(yù)計30 年甚至全壽期（無意外淋水、撞擊故障），由于源量程探測器和中間量程探測器一體化設(shè)計，導(dǎo)致更換老化源量程探測器必然要更換性能很好的中間量程探測器，造成較大的經(jīng)濟損失，后期設(shè)計考慮可結(jié)合此情況分析兩者分離設(shè)計。