核电厂蒸汽发生器松脱部件诊断分析

王岳辉，朱俊贤

(1.山东核电有限公司,山东 烟台 265116；2.烟台北方星空自控科技有限公司,山东 烟台 264670)

松脱部件监测系统(LPMS)是非安全相关系统，不执行安全相关功能，不执行执照申请相关功能，不执行非安全有关纵深防御功能。但近年来国内外核电厂多次发生异物进入一回路或者二回路事件，大部分后果都极其严重，造成巨大的经济损失，对核安全也形成巨大的挑战[1]。采用LPMS实时监测RCS中可能出现的松脱部件或者碎片，及时分析松脱部件大小、位置及系统设备异常等情况，能够有效避免或减轻RCS部件损失或失效。

一、LPMS功能简介

当松脱部件脱落后，会随着冷却剂流动而被冲至自然聚集区域，如蒸汽发生器热端下封头或者反应堆压力容器底部，并以相当大力量撞击反应堆内侧或者堆内构件，产生撞击声波信号。LPMS在松脱部件最易集中位置外侧安装加速度传感器，对金属松脱部件碰撞产生的瞬态声波信号进行监测、分析和评定，以实现金属松脱部件的报警、定位以及质量估计。

图1 松脱部件传感器安装位置

如图1所示，某核电站单台机组LPMS系统安装了16个加速度传感器，在反应堆压力容器上封头和下封头各安装3个，在每台蒸汽发生器上安装3个，在每台主泵上安装1个[2]。其中蒸汽发生器1上的三个传感器YE011/YE012/YE013按从下到上顺序安装，YE011/YE012分别安装在一次侧进口管板上下两侧垂直方向，YE013安装在管束顶端附近的外壳上。

LPMS连续监控16个通道的振动数据，如果同一个通道30秒内发生两次撞击事件，且其中一次撞击事件超过报警阈值，则系统将产生报警。

二、报警信号诊断分析

某核电厂当前处于100%功率运行阶段，以前未产生过报警和事件的SG1上三个探头(YE011 YE012 YE013)开始报警，而且报警数量呈逐渐上升趋势。典型时域波形如下图2所示。

图2 SG1上三个传感器典型时域波形

观察各通道撞击波波形到达时差发现，波形到达的时间顺序为YE013、YE012、YE011，触发时除触发通道外，同一监测区间其他通道均出现撞击波波形，并且各通道间幅值呈现一定的衰减趋势，触发时各通道波形存在一定的时差。结合YE013与YE012探头安装的实际距离以及撞击波传播速度，发现该特征与撞击特征相符合，判断该信号是真实的撞击信号[3]。

该信号加速度最大值范围为3g-5g，通道本底噪声最大值范围为2g-3g，属于较为微弱的波动信号。撞击波主频淹没在噪声频率中难以提取，而频率是分析疑似松脱部件的主要参数，故无法通过采集的信号对松脱部件质量进行准确估计[4]。

三、松脱件危害性评价

1.松脱件来源和位置分析

YE011/YE012/YE013三个传感器安装于蒸汽发生器外壁，相应区域外壁无刚性连接的管道及支架，保温层与蒸汽发生器也没有直接接触，保温层局部松动或在风力带动下的撞击信号响应频率与现场实际情况不符，故基本排除撞击信号来自蒸汽发生器外部的可能。

YE011 距离YE012约1.5 米，YE012 距离YE013 约9.3 米，假设该类信号是由驻留在蒸汽发生器内部的松脱部件引发，松脱件可能驻留的区域有：蒸汽发生器底部一回路水室、蒸汽发生器底部二次侧管板上方、蒸汽发生器传热管中部支撑板、蒸汽发生器主给水分配环上。

如果松脱件在蒸汽发生器底部一回路水室，撞击信号应最先传递到距离最近的YE011通道，不满足区间三个探头的时差表现，故第一种情况排除。如果松脱部件在蒸汽发生器底部二次侧管板上方，撞击信号最先传递到距离最近的YE012 通道，因为YE012 与YE013 有10 米以上的距离，YE013 不可能出现现在这个加速度水平的信号，故第二种可能排除。如果松脱部件在蒸汽发生器传热管中部支撑板上，这个位置到YE012、YE011 以及YE013 通道加速度传感器位置基本一致，不满足信号的时差表现，故第三种情况排除。如果松脱件在蒸汽发生器主给水分配环上，按照加速度传感器安装距离，信号会首先传递到YE013 通道，然后沿蒸汽发生器外壁依次传递到YE012 和YE011，信号时差表现与现场触发数据特征基本一致。

一回路在该区域的传热管内不会驻留松脱件，所以松脱件应是由二回路给水系统游动过来的。主给水分配环出水孔孔径约为7.3毫米，体积较大的金属部件难以通过出水孔。而经计算底部管板上方的水流速度较低，平均流速约为0.7 米/秒，在这样的流速中金属松脱件应驻留于主给水分配环中。

排查现场消缺和运维工作，1号蒸汽发生器主给水测温元件SGS-TE066因端口漏气并滴水，刚安装完堵头，计划大修期间更换套管与温度元件。现场巡检发现出现渗漏的热电阻附近可清晰听到金属碰磨声，但该位置距离1号蒸汽发生器较远，碰撞声不足以传递这么远的距离触发LPMS系统报警，即使能触发报警，产生的数据波形也与系统采集的记录特征不吻合，判断该TE066碰磨与前期松脱报警没有直接联系，但热电阻仪表套管在持续撞击中可能脱落并进入蒸汽发生器，并游动到蒸汽发生器主给水环中。

2.游动路径分析

图3 TE066安装示意图

如图3所示，TE066热电阻插入套管内部以测量流体温度，套管采用承插式焊接，带内螺纹的一头垂直焊接在管道BOSS 头内，另外一头伸入管道内部，总重量为1 152.1g。焊接缺陷或者腐蚀作用可能会在套管外表面形成初始缺陷，在水环境介质和振动载荷共同作用下裂纹出现扩展，最终导致断裂。

水流对物体的拖曳力计算经验公式如下：

其中：

ρ为水的密度

CD为拖曳力系数

A1为物体垂直于流向的投影面积

U为流速

CD是与物体形状有关的系数，按照经验取值范围1.05-2.05 选取。

假定断裂部分为杆状，径向和轴向投影面积分别为0.002 27m2和0.000 285m2，满功率主给水流速约7.77m/s，代入上式，可得拖曳力约为7.54N-117.4N。水流拖曳力有可能托起断裂部分，向下游移动。

图4 TE066可能流动路径

如图4所示，SGS-TE066位于主给水管线上，与SGS-TE060对称安装。分析SGS-TE066 在系统中位置，以及仪表套管尺寸、系统流程及运行情况，在水流拖拽下可能去向有：(1)阀门SGS-V057A、V058A 内;(2)主给水管道内;(3)主给水管道分支管内，以及最终至(4)蒸汽发生器内。

(1)主给水隔离阀V057A 为通流直径为508.8mm(20 英寸)的闸阀，主给水逆止阀V058A 为通流直径为508.8mm(20 英寸)的逆止阀，两个阀门本体内部均无特殊结构。在机组满功率运行工况下，阀门均处于全开状态，考虑管道内径、主给水流量以及套管尺寸，断裂部件存在于阀门内部的可能性较小。

(2)分析主给水管道走向，主给水管道在核岛厂房内最低点至最高点的高度差为30英尺，约为9.144m，断裂件停留在管道最低点拐点处的可能性较大。

(3)主给水管道分支管疏水管SGS-L082A、排气管SGS-L086A 以及引压管L045A均为1英寸的小支管，管径尺寸较小，不能完全排除该断裂部件卡在阀门或其他部件中的可能性。

疏水管SGS-L082A 由主给水管向下引出，正常为滞留状态。如果松脱件位于该疏水管内，由于重力作用松脱件会驻留在疏水管内，这种情况下该松脱件不会影响主给水管道运行，只会在疏排水时降低疏水速率。但如果通过该疏水管进行充水或充气操作，引入自下而上的流体，则有可能将该松脱件冲回主给水管道中，这种情况下有可能影响后续运行。因此，在后续运行中须避免通过该管线进行充水或充气操作。

排气管SGS-L086A 由主给水管竖直向上引出，正常为滞留状态，运行期间未进行排气操作，所以松脱件进入该管段的可能性基本排除。如果松脱件意外卡在该排气管内，在运行期间有可能因为振动或压力波动松动，并在重力作用下落回主给水管道内，这种情况下有可能影响后续运行。

引压管L045A 由主给水管水平引出，正常为滞留状态。如果松脱件滞留在该排气管内，在运行期间有可能因为振动或压力波动松动，并在重力作用下滑落回主给水管道内，这种情况下有可能影响后续运行。

(4)根据受力分析，松脱件还可能在水流拖曳力作用下向下游移动，并进入给水分配环。如图5所示，给水分配环上安装有分配喷嘴，喷嘴直径7.3mm。鉴于套管的最大直径为19.05mm，最小直径12.7mm，因此套管断裂部分很有可能留在给水环中。

图5 给水分配环

如果给水环及喷嘴结构完整且不存在磨损，表明套管断裂部分没有通过给水分配环进入SG 二次侧；如果给水环及喷嘴结构完整，但存在磨损痕迹，则表明套管断裂部分可能以碎片的形式进入了蒸汽发生器内；如果给水环及喷嘴结构不完整有损坏，那进入SG 的套管断裂部分可能是整段的大尺寸；如果套管断裂部分进入了SG 内，则将进入二次侧管束上方的泥渣收集器，并可能会在此区域沉积，需对泥渣收集器进行检查。

3.危害性评价

综合上述分析，该松脱件可能滞留区域包括主给水管道及疏水管、排气管、引压管，也有可能已破碎并经排污管排出。

如果该松脱件仍在主给水管线内，运行期间该松脱件在水力作用下，可能进入主给水隔离阀SGS-V057阀体凹槽内或进入蒸汽发生器。在长期稳定运行情况下，预期该松脱件不会在主给水管道或阀门内往复运动造成管磨损或者划痕。如果该松脱件意外滞留在主给水隔离阀SGS-V0057阀体凹槽内，且大幅往复运动，可通过现场监测及时发现处理。

该松脱件可能会进入蒸汽发生器主给水环并滞留在主给水环内，但不影响蒸汽发生器运行。

可能进入二次侧管束区域，将会损伤传热管，但可通过传热管涡流检查和停堆期间二次侧目视检查发现。

温度计SGS-TE066为非安全相关元件，不直接用于电厂控制，TE066不可用不影响系统功能。

四、异物排查和处理情况

电厂大修期间，维修人员将TE066套管焊点磨开，取出温度元件，确认套管已发生断裂，约90mm 长套管部件进入蒸汽发生器系统。

使用内窥镜检查蒸汽发生器主给水分配环内部，发现长度约90mm 的一段套管，如图6所示。主给水分配环喷嘴结构完整性检查后，未发现管嘴破损或磨损，说明套管部分一直驻留在主给水分配环，未被打碎，也没有碎片进入SG二次侧。

图6 蒸汽发生器主给水分配环内发现的断裂套管

现场对阀门SGS-V057A、V058A 进行了解体，对主给水隔离阀阀座底部卡槽进行了检查，阀门内未发现有擦痕、磨损、减薄等情况。使用管道机器人对主给水止回阀V058A(阀芯抽出后)下游主给水管道进行排查，使用内窥镜对相关小支管进行了检查，在打开主给水隔离阀V058A 后，使用内窥镜对止回阀和主给水隔离阀之间的管道进行了检查，检查发现管道内壁无划痕、凹坑情况[5]。

五、结语

1.分析SG1上三个传感器报警信号，结合探头实际安装距离以及撞击波传播速度，信号特征与撞击特征相符合，判断该信号是真实的撞击信号。因撞击波主频淹没在噪声频率中难以提取，无法通过采集的信号对松脱部件质量进行准确估计。

2.经排查现场消缺和运维工作， SGS-TE066热电阻仪表套管在持续撞击中可能脱落并进入蒸汽发生器，并游动到蒸汽发生器主给水环中。

3.TE066热电阻仪表套管脱落，不影响蒸汽发生器系统，不影响系统功能。

4.异物排查发现TE066套管已发生断裂，约90mm 长套管部件主给水分配环，未对管道设备造成损坏，现场排查情况和理论分析一致。