王璟增

（國(guó)核示范電站有限責(zé)任公司，威海 264300）

核電廠反應(yīng)堆中，振動(dòng)和磨損是導(dǎo)致核級(jí)設(shè)備失效的重要原因，而且失效常發(fā)生在應(yīng)力集中部位，在引起核級(jí)設(shè)備失效的原因中，微動(dòng)是導(dǎo)致提前損傷失效的直接原因。隨著堆齡的增加，微動(dòng)損傷使核級(jí)設(shè)備損傷失效的事例越來(lái)越多，本文對(duì)設(shè)備微動(dòng)損傷的預(yù)防進(jìn)行研究。

振動(dòng)引起微動(dòng)，微動(dòng)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)磨損失效，并加速其疲勞、腐蝕損傷，這是核電工程中的疑難問(wèn)題。雖然目前的研究針對(duì)單個(gè)因素形成了一定的理論，但距離真正在實(shí)際應(yīng)用中加以解決仍有差距[1]。

燃料棒、控制棒、蒸汽發(fā)生器是一回路磨損的多發(fā)部位，其損傷對(duì)反應(yīng)堆的安全運(yùn)行構(gòu)成了威脅，甚至導(dǎo)致核電廠壽命縮短。因此，研究吊籃、燃料棒、控制棒、蒸汽發(fā)生器的磨損形式，構(gòu)建一套在線(xiàn)監(jiān)測(cè)模型，對(duì)事故預(yù)警具有重要意義。

1 核級(jí)設(shè)備的磨損原理

1.1 燃料棒的磨損

核電廠運(yùn)行時(shí)，燃料棒難免要發(fā)生微動(dòng)，并且以流致微動(dòng)為主。包殼與定位格架及堆芯圍板存在微動(dòng)損傷，包殼破裂會(huì)導(dǎo)致高放射性的物質(zhì)泄漏。早期水冷堆燃料棒的破損狀況顯示，因各種微動(dòng)造成的破損率約為0.1%[2]。早期的水冷堆燃料元件磨蝕破損狀況見(jiàn)表1[1]。

表1早期水冷堆燃料元件腐蝕破損狀況Table1 Corrosion damageof fuel componentsin early water cooled reactors

由于外界原因引起的燃料棒破損主要有以下幾種情況：（1）堆芯圍板間隙內(nèi)的水流噴射使燃料包殼與定位架摩擦，導(dǎo)致包殼產(chǎn)生磨蝕；（2）包殼與圍板相摩擦，導(dǎo)致包殼管軸向開(kāi)裂或開(kāi)口；（3）在反應(yīng)堆檢修過(guò)程中掉入的金屬碎片、小螺栓螺母、鋼刷絲毛等異物隨冷卻劑流動(dòng)而進(jìn)入堆芯，并被截留在定位架處的燃料棒之間，在冷卻劑流動(dòng)的影響下，碎片夾在包殼間會(huì)改變整體的振動(dòng)參數(shù)，如頻率振幅等，由此加劇振動(dòng)而引起包殼的微動(dòng)磨蝕[3]。

1.2 控制棒組件的磨損

法國(guó)某核電廠曾出現(xiàn)過(guò)控制棒磨斷并跌落到導(dǎo)向管底部的情況，我國(guó)核電站大修期間也曾發(fā)現(xiàn)控制棒組件出現(xiàn)磨損的現(xiàn)象。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，磨蝕均發(fā)生在長(zhǎng)期提起位置上的控制棒，其部位集中于導(dǎo)向筒內(nèi)與導(dǎo)向孔板接觸的位置[2]如圖1所示。

圖1控制棒組件磨損部位Fig.1 Control rod assembly wear position

流致振動(dòng)造成的控制棒磨蝕使控制棒的壽命平均縮短了50%。經(jīng)分析得知，從導(dǎo)向筒下段的出水孔流出的橫向水流引起控制棒的振動(dòng)，導(dǎo)致控制棒與周?chē)鷺?gòu)件摩擦，從而產(chǎn)生磨蝕。表2為國(guó)外對(duì)22座反應(yīng)堆控制棒組件檢查情況。

1.3 蒸汽發(fā)生器傳熱管的磨損

對(duì)于蒸汽發(fā)生器，一次側(cè)應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂（Stress Corrosion Cracking，SCC）、二次側(cè)晶間腐蝕以及磨損都集中在微動(dòng)損傷的高發(fā)部位。在蒸汽發(fā)生器中，由于傳熱管與防振條之間存在間隙，在高速流體的沖擊下，管子與防振條之間產(chǎn)生振動(dòng)磨損而使管子損壞[2]。同時(shí)，微動(dòng)磨蝕造成的失效也是造成傳熱管損傷的一個(gè)原因。

表2國(guó)外對(duì)22座反應(yīng)堆控制棒組件檢查情況Table 2 Foreign inspection of 22 reactor control rod assemblies

近年來(lái)，由于傳熱管破損而造成的堵管數(shù)占堵管總數(shù)的80%～92%，而且發(fā)生破損的部位主要集中在易形成微動(dòng)損傷的部位。表3是1987—1991年蒸汽發(fā)生器中堵管總數(shù)及各類(lèi)破損的分布部位所占的百分比[4]。

表3堵管總數(shù)及各類(lèi)破損的分布部位所占百分比Table 3 The total number of blocked pipesand the percentage of variousdamaged parts

2 監(jiān)測(cè)原理與模型

2.1 堆芯吊籃的振動(dòng)監(jiān)測(cè)

首先，工作人員在反應(yīng)堆堆芯吊籃上布置圍繞堆芯的4個(gè)中子噪聲探測(cè)器，夾角互為90°，同時(shí)，在吊籃不同高度上分別安裝4個(gè)加速度計(jì)，夾角互為90°。由于正常工作時(shí)堆芯吊籃的振動(dòng)模式相對(duì)恒定，因此，中子噪聲信號(hào)與加速度信號(hào)應(yīng)呈現(xiàn)周期性[5]。當(dāng)兩種信號(hào)發(fā)生異常，不再呈現(xiàn)周期性時(shí)，峰值、頻率等參數(shù)發(fā)生明顯變化時(shí)，說(shuō)明吊籃的振動(dòng)模式發(fā)生了改變，如圖2所示。

圖2堆芯吊籃磨損監(jiān)測(cè)方法Fig.2 Monitoring method for corehanging basket wear

其次，工作人員在吊籃內(nèi)部的結(jié)構(gòu)通路上用壓力表測(cè)量冷卻劑的壓力波動(dòng)，結(jié)合上述異常的中子噪聲信號(hào)與加速度信號(hào)，可以判斷吊籃振動(dòng)原因是否來(lái)源于堆芯內(nèi)部。如果壓力表的數(shù)據(jù)沒(méi)有明顯變化，說(shuō)明吊籃內(nèi)的冷卻劑并無(wú)較大的波動(dòng)，則判斷吊籃異常振動(dòng)源于堆外部件。反之，吊籃異常振動(dòng)與堆芯內(nèi)部構(gòu)件有關(guān)，此時(shí)應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)堆內(nèi)的燃料棒和控制棒。

最后，中子噪聲信號(hào)容易受堆內(nèi)輻照的影響，而加速度信號(hào)受控制棒移動(dòng)的影響也可能出現(xiàn)信號(hào)不穩(wěn)定的情況。因此，兩種監(jiān)測(cè)方式相結(jié)合，可以相互彌補(bǔ)各自的信號(hào)弱點(diǎn)，并且冗余對(duì)比可提高信息的準(zhǔn)確性，更好地監(jiān)測(cè)吊籃的振動(dòng)情況。壓力表能夠較精確地反映冷卻劑的波動(dòng)情況，但為防止壓力表的損壞或機(jī)械故障，可在結(jié)構(gòu)通路上布置備用的壓力表。

2.2 控制棒的磨損監(jiān)測(cè)

控制棒的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)可通過(guò)超聲檢測(cè)系統(tǒng)和渦流檢測(cè)系統(tǒng)共同實(shí)現(xiàn)。

現(xiàn)有的技術(shù)已允許超聲波探頭在堆芯內(nèi)部高溫高壓的水環(huán)境中工作，可以使用水下旋轉(zhuǎn)超聲聚焦探頭監(jiān)測(cè)從上端塞焊縫到下端塞焊縫之間的包殼管壁厚和直徑，以此判斷控制棒包殼的磨損程度及腐蝕程度[6]。超聲波探頭的數(shù)量可以根據(jù)控制棒數(shù)量以及使用頻率來(lái)確定，如圖3所示。

圖3控制棒組件磨損監(jiān)測(cè)方法Fig.3 Monitoring method for control rod assembly wear

在水下通過(guò)超聲波探頭獲取控制棒的振動(dòng)信號(hào)的實(shí)質(zhì)是液浸法的超聲波探測(cè)過(guò)程。由于探頭與控制棒不直接接觸，探頭發(fā)射的聲波需經(jīng)過(guò)冷卻劑射到控制棒，因此，聲波的發(fā)射和接受都比較穩(wěn)定。但水層的厚度會(huì)引起超聲波聲能的損失，因此，需要選用聚焦探頭以集中聲能。同時(shí)，在探頭的壓電晶片前覆蓋一層與水匹配的介質(zhì)，可以提高水浸探頭發(fā)射到水中的聲能。

超聲波所獲得的信號(hào)可能會(huì)受到水環(huán)境的本底影響。堆芯中不同處的水流量存在差異，會(huì)對(duì)聲波的發(fā)射及接受產(chǎn)生一定的影響。本監(jiān)測(cè)先通過(guò)計(jì)算得到在正常工作時(shí)水環(huán)境下的信號(hào)誤差范圍，再比較波形圖與信號(hào)誤差范圍，判斷收集的信號(hào)是否正常，尤其注意峰值的比較。

超聲波信號(hào)還可能受到吊籃振動(dòng)的影響。為了消除此影響，檢測(cè)人員可以使用另外的超聲波探頭提取吊籃的振動(dòng)信號(hào)（此超聲波探頭需靠近上支承板附近的控制棒導(dǎo)向管），將控制棒的信號(hào)與吊籃的信號(hào)反向疊加，以去除吊籃振動(dòng)的影響。

渦流檢測(cè)系統(tǒng)可檢測(cè)到超聲波檢測(cè)不到的細(xì)小缺陷（如裂紋）。探頭位置設(shè)計(jì)在上部支承板的定位銷(xiāo)上方，探頭的數(shù)量根據(jù)控制棒的數(shù)量而定。因?yàn)榭刂瓢羯咸釙r(shí)會(huì)離開(kāi)定位銷(xiāo)，所以，選用包含有穿過(guò)式線(xiàn)圈的渦流探頭對(duì)活動(dòng)的控制棒進(jìn)行檢測(cè)。在每次控制棒下插和上提的過(guò)程中，可以進(jìn)行完整的兩次檢測(cè)。雖然這種方法在控制棒不移動(dòng)時(shí)無(wú)效，但控制棒從開(kāi)始磨損到失效通常需要一定的時(shí)間，如果控制棒在下降的過(guò)程中未檢測(cè)到嚴(yán)重磨損，那么可以認(rèn)為控制棒在重新提起之前不會(huì)因?yàn)槟p而失效。反之，如果控制棒在下降過(guò)程中檢測(cè)到嚴(yán)重磨損，則應(yīng)立刻提起可能失效的控制棒。

由于渦流探測(cè)器的位置靠近定位銷(xiāo)，所獲取的信號(hào)可能受到其他干擾，因此，通過(guò)濾波器設(shè)定一個(gè)可信的信號(hào)頻率來(lái)濾除雜波，這一可信的頻率應(yīng)當(dāng)是控制棒正常升降時(shí)的允許頻率。然后將測(cè)量信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行比較，辨別振動(dòng)是否異常，并在偏差過(guò)大時(shí)發(fā)出警報(bào)。

超聲波與渦流的雙重監(jiān)測(cè)可以做到相互驗(yàn)證，提高監(jiān)測(cè)結(jié)果的可靠性，避免了信號(hào)干擾的誤差。此外，為了避免監(jiān)測(cè)時(shí)產(chǎn)生誤差，每次監(jiān)測(cè)可以重復(fù)2～3次，以增加可靠性。

2.3 燃料棒的磨損監(jiān)測(cè)

燃料棒與控制棒類(lèi)似，同樣采用棒狀體的外置監(jiān)測(cè)方法，超聲波檢測(cè)系統(tǒng)和渦流檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)于燃料棒也適用。

通過(guò)超聲波探頭收集的信號(hào)可以判斷燃料棒包殼的厚度及直徑情況，并判斷棒微動(dòng)磨損和微動(dòng)磨蝕的程度。由于堆芯內(nèi)部下降的控制棒與燃料組件均在吊籃裝置中[6]，因此，監(jiān)測(cè)二者所用的超聲波系統(tǒng)可以合二為一，即水下超聲旋轉(zhuǎn)聚焦探頭既可以應(yīng)用于監(jiān)測(cè)控制棒的磨損情況，又可以應(yīng)用于監(jiān)測(cè)燃料棒的磨損情況（實(shí)際探頭的總數(shù)根據(jù)控制棒和燃料棒的情況而定，并合理分配各區(qū)域內(nèi)的探頭數(shù)）。需要注意的是，與控制棒一樣，在監(jiān)測(cè)燃料棒時(shí)也需要疊加燃料棒的信號(hào)和背景干擾信號(hào)來(lái)獲得最終的信號(hào)[7]，并與允許范圍比較（注意峰峰值），判斷信號(hào)異常與否，如圖4所示。

圖4燃料組件磨損監(jiān)測(cè)方法Fig.4 Monitoring method for fuel assembly wear

因?yàn)槿剂习粼诜磻?yīng)堆正常工作時(shí)一直處在堆芯吊籃的內(nèi)部，不像控制棒會(huì)經(jīng)常被提起和下降，所以，應(yīng)對(duì)用于監(jiān)測(cè)控制棒的渦流系統(tǒng)做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，即不在儀表導(dǎo)管或燃料棒導(dǎo)向管附近布置擁有穿過(guò)式線(xiàn)圈的探頭。此時(shí)，渦流探頭安排在反應(yīng)堆堆芯吊籃內(nèi)部，和超聲波探頭一同直接對(duì)在水中工作的燃料棒進(jìn)行監(jiān)測(cè)，這與升降控制棒時(shí)對(duì)控制棒進(jìn)行渦流監(jiān)測(cè)的方法不同。此時(shí)，選用放置式線(xiàn)圈對(duì)燃料棒進(jìn)行監(jiān)測(cè)，一是因?yàn)榇┻^(guò)式線(xiàn)圈無(wú)法在此處使用；二是因?yàn)榉胖檬骄€(xiàn)圈能提高探測(cè)的靈敏度。

此外，為了使反應(yīng)堆繼續(xù)運(yùn)行，即便監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)燃料棒因磨損而瀕臨失效，燃料棒也不能及時(shí)被更換。因此，燃料棒磨損監(jiān)測(cè)并不能防止燃料組件失效的發(fā)生，但可記錄瀕臨失效的燃料棒位置，便于在大修期間更換和清理。

另外，燃料棒包殼的失效可能產(chǎn)生碎片，這些碎片可能留在堆芯圍板或支承板上，影響燃料棒在失效后監(jiān)測(cè)的信號(hào)數(shù)據(jù)。所以，失效發(fā)生后，工作人員要調(diào)整與實(shí)測(cè)信號(hào)比較的基準(zhǔn)信號(hào)及誤差范圍[8]。若失效的燃料棒碎片對(duì)反應(yīng)堆正常運(yùn)行造成嚴(yán)重影響或巨大的安全隱患，則需執(zhí)行計(jì)劃外的停堆檢修。

2.4 蒸汽發(fā)生器傳熱管的磨損監(jiān)測(cè)

傳熱管可能的磨損形式主要有微動(dòng)磨損和點(diǎn)蝕，而主要失效形式是裂縫和點(diǎn)狀微孔[9]，這些都會(huì)將含有中子的水帶入蒸汽發(fā)生器的二回路水中。因此，通過(guò)測(cè)量二回路水的中子濃度的變化可以判斷傳熱管是否破損。中子探測(cè)器的具體數(shù)量視蒸汽發(fā)生器的大小及傳熱管數(shù)量而定，探測(cè)器安置在傳熱管排布的不同區(qū)域，同一區(qū)域的不同方向均安置探測(cè)器，以提高監(jiān)測(cè)的可靠性和有效性，如圖5所示。

圖5蒸汽發(fā)生器傳熱管磨損監(jiān)測(cè)方法Fig.5 Monitoring method for steam generator tubewear

當(dāng)有傳熱管因磨損而逐漸失效時(shí)，中子將進(jìn)入二回路水中，中子探測(cè)器可以給出每個(gè)區(qū)域中子通量的信息，并確定濃度最高的區(qū)域?yàn)閭鳠峁苁У膮^(qū)域，但這只是按區(qū)域粗略定位?？梢允褂贸暡z測(cè)系統(tǒng)較精確地定位失效的傳熱管，工作人員在每個(gè)區(qū)域內(nèi)布置旋轉(zhuǎn)扁平超聲探頭，除了檢測(cè)傳熱管的裂縫，還可以檢測(cè)傳熱管的點(diǎn)蝕程度和高周疲勞程度。

由于傳熱管失效后二回路水中的中子濃度會(huì)有略微變化，因此，需要根據(jù)重新平衡后的蒸汽發(fā)生器二回路的中子濃度調(diào)整失效后監(jiān)測(cè)的基準(zhǔn)值。另外，蒸汽發(fā)生器本身的振動(dòng)會(huì)成為超聲波信號(hào)的背景干擾信號(hào)，可以安排探頭獲取蒸汽發(fā)生器的振動(dòng)信號(hào)，并與測(cè)得傳熱管的信號(hào)進(jìn)行反向疊加得到最終信號(hào)。

因此，蒸汽發(fā)生器傳熱管的磨損監(jiān)測(cè)由兩部分組成。先利用中子探測(cè)器粗略確定傳熱管發(fā)生磨損失效的大致范圍，再利用超聲波系統(tǒng)更精確地定位發(fā)生過(guò)度磨損的傳熱管。傳熱管在反應(yīng)堆工作時(shí)也無(wú)法進(jìn)行及時(shí)更換，因此，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)并無(wú)法預(yù)防和防止傳熱管失效，但能在停堆或大修時(shí)幫助工作人員更好地進(jìn)行維修工作。

3 監(jiān)測(cè)模型

為了解決核電廠主要部件的磨損監(jiān)測(cè)，本文開(kāi)發(fā)了壓水反應(yīng)堆堆芯部件的磨損監(jiān)測(cè)系統(tǒng)模型，其中對(duì)堆芯的燃料棒、控制棒、蒸汽發(fā)生器的傳熱管的磨損問(wèn)題予以了重點(diǎn)關(guān)注。圖6為壓水堆堆芯部件磨損的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)模型。

（1）先監(jiān)測(cè)吊籃的振動(dòng)，再監(jiān)測(cè)燃料棒、控制棒的磨損。由于吊籃的振動(dòng)會(huì)改變堆芯流道中的水流量，進(jìn)而影響中子探測(cè)器和超聲波探測(cè)器的本底信號(hào)，因此，應(yīng)優(yōu)先監(jiān)測(cè)吊籃的振動(dòng)。另外，包殼失效產(chǎn)生的碎片可能留在堆芯圍板或支承板上，影響吊籃監(jiān)測(cè)的信號(hào)數(shù)據(jù)[5]。

（2）通過(guò)中子噪聲和在壓力容器內(nèi)部安裝加速度計(jì)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可同時(shí)探測(cè)到多種類(lèi)的異常振動(dòng)信號(hào)，包括堆內(nèi)吊籃、控制棒、燃料棒等的振動(dòng)情況，并輔助以壓力計(jì)探測(cè)，可更有效地判斷堆芯吊籃振動(dòng)信號(hào)的來(lái)源。

（3）采用超聲波系統(tǒng)和渦流系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要監(jiān)測(cè)燃料棒的包殼完整性、包殼與圍板間的磨損，控制棒與上堆芯板及導(dǎo)向管的磨損。

（4）在控制棒的末端安裝加速度計(jì)，監(jiān)測(cè)控制棒的振動(dòng)情況。為了防止安裝加速度計(jì)給控制棒帶來(lái)的影響，安裝位置應(yīng)呈對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)。

（5）監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)中子探測(cè)器和超聲波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)蒸汽發(fā)生器中的傳熱管磨損情況，兩種手段配合使用能更快捷地定位發(fā)生磨損失效的傳熱管的位置。

圖6壓水堆堆芯部件磨損的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)模型Fig.6 Monitoring system model for wear of corecomponentsof pressurized water reactor

另外，對(duì)于核電廠的往復(fù)式機(jī)械設(shè)備的磨損監(jiān)測(cè)，如主泵、控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)械等，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可采用磨粒識(shí)別技術(shù)[10]。

由于從磨損到失效需要一定的時(shí)間，以上監(jiān)測(cè)方法可以在發(fā)生明顯后果之前檢測(cè)到磨損狀況，從而起到預(yù)警的作用。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)壓水堆主要磨損問(wèn)題的分析，針對(duì)不同的磨損情況，對(duì)反應(yīng)堆內(nèi)主要部件設(shè)計(jì)了一套完整的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)各種部件以及工況的監(jiān)測(cè)進(jìn)行統(tǒng)一的控制，形成了壓水反應(yīng)堆磨損監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的模型。該模型中對(duì)于易發(fā)生磨損問(wèn)題的主要部件均通過(guò)至少兩種監(jiān)測(cè)手段加以監(jiān)測(cè)，以保證監(jiān)測(cè)的有效性，同時(shí)通過(guò)不同程度的定位方法以更快找到磨損發(fā)生的位置[11]，并發(fā)出警報(bào)。綜合來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)理論上能夠從全局監(jiān)測(cè)堆芯部件的磨損問(wèn)題，反映反應(yīng)堆內(nèi)的磨損程度，并預(yù)防反應(yīng)堆事故發(fā)生的系統(tǒng)。