張 泰，周建平，靳瀚博

（中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江嘉興 314300）

0 引言

秦山第三核電廠從加拿大引進(jìn)的70 萬(wàn)級(jí)重水堆機(jī)組，具有不停堆換料的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)該功能的核心部件為裝卸料機(jī)。通過(guò)Y 方向運(yùn)動(dòng)，橋架系統(tǒng)將裝卸料機(jī)定位到不同高度的反應(yīng)堆通道上完成換料操作。橋架位于不可達(dá)區(qū)域，其正常工作的條件之一是不能傾斜，因此在橋架上安裝了一個(gè)傾斜探頭來(lái)監(jiān)測(cè)其水平狀態(tài)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，單臺(tái)機(jī)組每年因探頭輸出信號(hào)漂移引起的維修工作超過(guò)10 次。探頭的測(cè)量?jī)A角范圍為±2°，對(duì)應(yīng)輸出電壓±2.0 VDC。輸出電壓通過(guò)主控室中的信號(hào)調(diào)整單元進(jìn)行處理計(jì)算，達(dá)到設(shè)定值即報(bào)警，進(jìn)而中斷橋架的運(yùn)行。橋架在完成水平測(cè)量調(diào)整后，探頭的輸出信號(hào)被設(shè)置為0 V。傾斜報(bào)警設(shè)定值為高報(bào)0.160 V，低報(bào)-0.160 V，報(bào)警值可通過(guò)信號(hào)調(diào)整單元進(jìn)行調(diào)整。為保證橋架傾斜監(jiān)測(cè)的可靠性，另有一套軸編碼器系統(tǒng)也可用于監(jiān)測(cè)橋架水平，兩套系統(tǒng)互為冗余。

1 故障分析

1.1 故障現(xiàn)象

6 月18 日上午，換料操縱員在進(jìn)行日常巡檢時(shí)發(fā)現(xiàn)A 側(cè)傾斜儀探頭的讀數(shù)達(dá)到0.197 V，聯(lián)系維修人員臨時(shí)修改了高報(bào)設(shè)定點(diǎn)，當(dāng)日換料未再出現(xiàn)橋架傾斜報(bào)警，當(dāng)天停役系統(tǒng)時(shí)發(fā)現(xiàn)A 側(cè)橋架傾斜儀探頭讀數(shù)為0.189 V。次日下午A 側(cè)橋架在換料期間再次發(fā)生橋架傾斜報(bào)警，檢查發(fā)現(xiàn)A 側(cè)橋架傾斜儀探頭讀數(shù)達(dá)到了+0.241 V。維修人員再次臨時(shí)修改了高報(bào)設(shè)定點(diǎn)，后三天未再出現(xiàn)傾斜報(bào)警，維修人員將高報(bào)設(shè)定點(diǎn)恢復(fù)，但1 周之后再次出現(xiàn)報(bào)警。

1.2 故障分析

自電站調(diào)試起，傾斜儀探頭在橋架靜止的工況下輸出信號(hào)漂移現(xiàn)象主要分為兩類：一是輸出信號(hào)在一段時(shí)間內(nèi)存在往返漂移，每天的漂移量在0.010 V 左右，最大時(shí)輸出信號(hào)漂移到0.1 V；二是輸出信號(hào)在短時(shí)間內(nèi)（約1 h）快速突變后恢復(fù)正常?？紤]到探頭工作在高輻射區(qū)域內(nèi)，最初分析認(rèn)為是由于長(zhǎng)期輻照使探頭性能老化而引起輸出信號(hào)緩慢漂移，國(guó)外同行及生產(chǎn)廠家在相關(guān)交流中也提出過(guò)類似觀點(diǎn)。但兩臺(tái)機(jī)組出現(xiàn)過(guò)多個(gè)探頭在運(yùn)行期間漂移，停堆后不漂移，起堆后再漂移的情況，說(shuō)明長(zhǎng)期輻照不是信號(hào)漂移的原因。

6 月18 日上午出現(xiàn)的情況與以往缺陷不同。該側(cè)設(shè)備在故障發(fā)生前已停運(yùn)兩天，期間設(shè)備無(wú)任何動(dòng)作，漂移量應(yīng)該不會(huì)太大。但實(shí)際上探頭的輸出信號(hào)在本身系統(tǒng)未動(dòng)作的情況下兩天內(nèi)漂移了0.170 V。因此猜測(cè)傾斜儀探頭讀數(shù)的漂移，是由其所在外部條件的改變而引起。19 日發(fā)生的故障也存在疑問(wèn)，在早上的日常巡檢中其讀數(shù)為0 V，在換料期間突然快速漂移到0.214 V，而當(dāng)天除換料以外，橋架系統(tǒng)之前一直未動(dòng)作過(guò)。通過(guò)查詢運(yùn)行日志發(fā)現(xiàn)，18 日當(dāng)天有多次風(fēng)機(jī)切換操作。在端面風(fēng)機(jī)進(jìn)行切換操作后的較短時(shí)間內(nèi)，傾斜儀探頭的輸出信號(hào)出現(xiàn)了大幅度的漂移情況。傾斜儀探頭輸出信號(hào)漂移與風(fēng)機(jī)的切換操作符合時(shí)間上的邏輯關(guān)系，存在因果的可能性較大。探頭所在區(qū)域有4 臺(tái)風(fēng)機(jī)，其所在位置正對(duì)有一臺(tái)風(fēng)機(jī)?？紤]到風(fēng)機(jī)對(duì)探頭環(huán)境溫度的影響，懷疑探頭存在溫漂。

由于機(jī)組運(yùn)行期間，反應(yīng)堆端面的溫度并不是平均分布的。為進(jìn)一步驗(yàn)證猜想，將橋架上升到不同位置并停留1 h，測(cè)量探頭的輸出電壓及其環(huán)境溫度。16 個(gè)通道中有6 個(gè)出現(xiàn)輸出漂移現(xiàn)象，且環(huán)境溫度均高于45 ℃。在整個(gè)換料過(guò)程中，探頭隨橋架上下運(yùn)動(dòng)的時(shí)間約在10 min 以內(nèi)，而停留在所換料通道的時(shí)間約為60 min。由于上升和下降時(shí)間較短，傾斜儀探頭本體的溫度改變不大；而當(dāng)橋架到達(dá)指定通道后，環(huán)境溫度有足夠的時(shí)間來(lái)改變探頭的環(huán)境溫度。

2 故障點(diǎn)確認(rèn)

該傾斜儀探頭在電站設(shè)計(jì)階段就存在，但探頭的生產(chǎn)廠家并未提供該探頭關(guān)于溫漂的測(cè)試報(bào)告。為了確認(rèn)新探頭是否存在溫漂，將兩個(gè)全新的傾斜儀探頭送至蘇州熱工所進(jìn)行不同溫度下信號(hào)漂移測(cè)試，結(jié)果如圖1 所示。由圖1 可知，當(dāng)溫度從15 ℃上升至40 ℃時(shí)，兩個(gè)傾斜儀探頭的輸出信號(hào)最大漂移量分別達(dá)到0.15 V 和0.16 V；而當(dāng)溫度達(dá)到60 ℃時(shí)，兩個(gè)傾斜儀探頭的輸出信號(hào)最大漂移量分別達(dá)到0.15 V 和0.9V。測(cè)試結(jié)果表明，現(xiàn)有型號(hào)的探頭輸出信號(hào)確實(shí)受溫度的影響。由于兩個(gè)探頭的輸出漂移量、變化趨勢(shì)均不一致，考慮不同探頭的性能存在差異的可能。

圖1 傾斜儀探頭輸出信號(hào)在不同溫度下的漂移測(cè)試

3 國(guó)外經(jīng)驗(yàn)

根據(jù)對(duì)國(guó)外電廠信息的咨詢結(jié)果確認(rèn)，秦山核電三廠兩臺(tái)機(jī)組使用的傾斜儀探頭與Pickering 電站使用的探頭型號(hào)相同，后者在2000—2002 年期間安裝了傾斜儀設(shè)備，在運(yùn)行過(guò)程中也存在信號(hào)漂移問(wèn)題，在2006 年發(fā)現(xiàn)與秦山核電三廠兩臺(tái)機(jī)組類似的信號(hào)漂移問(wèn)題，由于無(wú)法解決該問(wèn)題，在2010 年變更拆除了傾斜儀回路。在與Pickering 電站對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行交流時(shí)，對(duì)方得出的結(jié)論是輻照累積可能導(dǎo)致傾斜儀探頭的輸出信號(hào)漂移。AECL 與廠家經(jīng)過(guò)分析給出的結(jié)論也基本與Pickering 電站的結(jié)論一致，而對(duì)溫度是否可能對(duì)輸出產(chǎn)生影響未有明確的論證。但根據(jù)前文的分析，實(shí)際上輻照累積并不對(duì)探頭功能造成影響。

4 解決方案及實(shí)施

4.1 探頭換型的可行性

根據(jù)分析結(jié)論，可以確定的是環(huán)境溫度變化是探頭輸出信號(hào)失效的主要誘因，而故障原因是探頭的溫漂問(wèn)題。在無(wú)法消除環(huán)境溫度變化這個(gè)誘因的情況下，只能考慮更換傾斜儀探頭的型號(hào)。

通過(guò)AECL了解到加拿大Pt.Lepreau 電站、Wolsong 電站2 號(hào)、3 號(hào)、4 號(hào)機(jī)組和羅馬尼亞Cernavoda 電站使用的是由Honeywell供貨的設(shè)備，到目前為止沒(méi)有設(shè)備故障報(bào)告。AECL 針對(duì)傾斜儀探頭輸出漂移的建議是更換由Honeywell 提供的探頭。但由于Honeywell 供貨的探頭受出口限制，只能選擇其他廠家的探頭。根據(jù)換型可行性調(diào)研結(jié)果，確認(rèn)國(guó)內(nèi)有北京興華機(jī)械廠可以制造相似功能的產(chǎn)品。進(jìn)一步溝通確認(rèn)該廠也有供貨意向，且其價(jià)格優(yōu)勢(shì)明顯（包括研發(fā)成本在內(nèi)，單臺(tái)價(jià)格僅為原型號(hào)產(chǎn)品的10%），基于此，確認(rèn)裝卸料橋架傾斜儀探頭具備嘗試進(jìn)行國(guó)產(chǎn)替代的必要。根據(jù)對(duì)方提供的產(chǎn)品技術(shù)規(guī)格書(shū)發(fā)現(xiàn)，與原型號(hào)探頭相比較：功能接口與原探頭相同，完全可互換；安裝接口及接線不做任何改變，與原探頭完全相容；供電電壓，信號(hào)范圍，精度指標(biāo)等均相同，完全相容?？紤]到傾斜儀探頭工作在高輻射環(huán)境中，結(jié)合舊型號(hào)探頭失效原因（溫漂），根據(jù)核電廠保守決策的原則，需要將廠家已經(jīng)測(cè)試好的探頭進(jìn)行額外的測(cè)試。

4.2 輻照性能測(cè)試

由于對(duì)部件進(jìn)行輻照試驗(yàn)價(jià)格成本昂貴，即使可以進(jìn)行輻照試驗(yàn)，輻照試驗(yàn)的劑量和劑量率也無(wú)法與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況完全吻合?；诖?，決定將已完成制造和測(cè)試的探頭安裝到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)離線輻射試驗(yàn)確認(rèn)。為了找到符合現(xiàn)場(chǎng)工況的劑量率，領(lǐng)取兩個(gè)電子劑量計(jì)，分別安裝在裝卸料機(jī)推桿的尾部和滑車(chē)的頂部。在通道換料期間進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)劑量率的測(cè)量。當(dāng)次換料，裝卸料機(jī)在堆時(shí)間80 min，乏燃料在裝卸料機(jī)的時(shí)間65 min。推桿尾部的電子劑量計(jì)累積達(dá)到1.57 Sv，滑車(chē)上的電子劑量計(jì)由于滑車(chē)不銹鋼的屏蔽僅有0.3 Sv 的累積劑量。因此，決定將用于測(cè)試的新探頭放在劑量較高的推桿尾部進(jìn)行2 個(gè)月的輻照測(cè)試。

經(jīng)過(guò)輻照測(cè)試后的兩個(gè)探頭送回廠家進(jìn)行功能測(cè)試，確認(rèn)復(fù)測(cè)結(jié)果與輻照前的測(cè)試結(jié)果沒(méi)有明顯差別，且均滿足技術(shù)規(guī)格書(shū)對(duì)參數(shù)的性能要求。探頭在送往廠家進(jìn)行功能檢測(cè)時(shí)，重點(diǎn)關(guān)注了探頭的溫漂性能?？紤]到原探頭所處的工作溫度在50 ℃左右，要求廠方在50 ℃的環(huán)境下測(cè)量，每小時(shí)記錄一次輸出電壓，持續(xù)24 h。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)工作溫度存在變化的問(wèn)題，在測(cè)試中也進(jìn)行了考慮，檢驗(yàn)方法如下：探頭置于40 ℃的環(huán)境下，每3 min升溫1 ℃，升溫至60 ℃；達(dá)到60 ℃后每3 min 溫度下降1 ℃，降溫至40 ℃，記錄每個(gè)溫度下的輸出電壓。驗(yàn)證結(jié)果顯示：經(jīng)過(guò)2 個(gè)月輻照的探頭在不同的溫度變化環(huán)境下，輸出信號(hào)很穩(wěn)定，最大漂移量0.002 V，溫漂很小。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，確定新型號(hào)的探頭輸出穩(wěn)定性很高。為進(jìn)一步確認(rèn)新型號(hào)的探頭能否適用于現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜的工作環(huán)境，決定在1 號(hào)機(jī)組大修期間將新型號(hào)探頭安裝到系統(tǒng)中進(jìn)行檢驗(yàn)。

5 現(xiàn)場(chǎng)安裝測(cè)試

2015 年5 月，在OT108 大修中，1 號(hào)機(jī)組A/C 兩側(cè)橋架傾斜儀探頭均更換為國(guó)產(chǎn)探頭。整個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)，未再出現(xiàn)傾斜儀探頭輸出信號(hào)漂移的現(xiàn)象。由于1 號(hào)機(jī)組更換的新型號(hào)探頭在整個(gè)周期內(nèi)均未出現(xiàn)輸出信號(hào)漂移的問(wèn)題，決定在OT208 大修期間將2 號(hào)機(jī)組C 兩側(cè)的傾斜儀探頭更換為新型號(hào)探頭。目前2 號(hào)機(jī)組新型號(hào)探頭已服役近3 個(gè)月，期間未發(fā)生輸出信號(hào)漂移的問(wèn)題。

6 總結(jié)

本文針對(duì)傾斜儀探頭輸出信號(hào)頻繁漂移問(wèn)題，通過(guò)長(zhǎng)期、大量的試驗(yàn)，找出了溫度是影響傾斜儀探頭輸出信號(hào)頻繁漂移的原因，經(jīng)過(guò)深入分析后確認(rèn)原探頭存在嚴(yán)重的溫漂現(xiàn)象。根據(jù)電站自身情況，通過(guò)大量的試驗(yàn)找到了功能更加穩(wěn)定的替代產(chǎn)品并應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)，成功解決了關(guān)鍵設(shè)備的難題。