海洋条件对一回路松脱部件监测系统的影响分析

鞠燕娜，叶 亮，韩万富，刘青松，李权彰，冯 勇，张 超

(中广核研究院有限公司，广东 深圳 518005)

0 引言

随着我国海洋强国战略的实施，国家大力发展海洋经济，海洋资源开发需要强有力的能源支撑。核能既能够为船舶远洋航行作业提供环保动力，又能广泛应用于海水淡化、供热、供电等领域，被认为是理想的海上能源供给方式。

海洋核能源通常通过船舶或平台搭载核动力装置实现，目前国际在运、国内在研海洋运行核动力装置主要采用小型压水反应堆[1]。为保障反应堆安全、避免一回路松脱件对反应堆一回路各设备部件造成损伤，在运行过程中，需要通过松脱件监测系统进行实时监测。

1 系统介绍

松脱部件监测系统的功能是探测与定位反应堆正常运行工况下一回路系统冷却剂的松脱部件。具体原理为，布置在主设备冷却剂压力边界外壁面的加速度传感器测量到松脱部件撞击器壁产生的高频振动信号，产生与振动加速度成比例的电荷信号，并通过电荷转换器转换成电压信号。电压信号通过安装在机柜中的信号调理器进行调理和放大。系统机柜通过特定算法对采样数据进行处理，以寻找表征金属表面撞击的数据特性。当在一个通道探测到一次金属撞击时，所有通道的数据写入压缩文件，存储到系统硬盘。当撞击事件超过报警阈值时，系统报警。

国内现役核电站的松脱部件监测系统大多从国外进口。例如，秦山核电一期为美国西屋供货，秦山核电二期核电厂、大亚湾和岭澳核电站为法国供货,田湾核电厂为俄罗斯供货[2]。当前，国内相关单位也正在开展常规陆上核电站松脱部件监测系统的开发与应用，尚未针对海洋运行环境进行适应性研究。

2 海洋运行环境特征

海洋环境使用的设备，需要考虑海洋条件带来的气候环境和机械环境的共同影响，当前国家已经制定了相应的标准法规。根据GB/T 14092.4机械产品环境条件的要求[3]，海洋气候环境主要包括低温、高温、空气压力、湿度、风、凝露、结霜等。机械振动环境主要包括稳态振动、非稳态振动引起的冲击、倾斜、摇摆、绕轴回转、恒加速度等。

针对海上核动力装置，国家核安全局也印发了浮动核动力装置在海上作业海域外部事件确定功能设计基准的要求[4]。其详细说明了包括波浪、风、风浪流组合、极端水温、极端气温、海生物、海冰、极端雪、海啸、龙卷风等外部自然事件，以及包括船舶碰撞、飞机坠毁、爆炸、油污、火灾、危险化学品释放等外部人为事件。

3 系统设计要求与设计难点

根据海洋核动力装置特点及海洋运行条件要求，一回路松脱部件监测系统的设计主要受到海洋机械振动环境以及外部人为事件(如船舶碰撞)的影响。为确保系统可以按功能要求承受所有作业工况、自存工况和极限工况下的动、静载荷，对松脱部件监测系统设计提出了更高的要求，也为系统设计带来一系列难题。

①本底噪声复杂。海洋条件下运行的核动力装置的本底噪声主要为两类噪声叠加:一类为反应堆运行时主泵、汽轮机、螺旋桨等旋转机械设备产生的强背景噪声，为多种成分组成的非平稳非线性信号；另一类为海洋环境噪声信号，是普遍的宽带随机信号，不同频段、不同海域环境噪声差异很大。两类噪声的叠加使本底噪声信号强烈[5]。在松脱部件实时监测过程中，强噪声信号可能淹没小质量松脱部件跌落所产生的冲击信号，造成冲击信号提取困难，影响松脱部件定位及质量估计，甚至导致系统发生误报或者漏报。

②探测灵敏度要求高。根据国内松脱部件监测相关规范要求，系统应能监测到松脱零件以0.7 J的动能撞击反应堆冷却剂压力边界内表面，撞击点距离传感器小于1 m，探测质量范围约为0.1～15 kg[6-7]。海洋核动力装置整体尺寸较小，一回路内部易松脱零部件质量普遍较小，系统对可探测质量精度提出更高要求。

③前端仪表性能要求高。海洋核动力装置反应堆压力容器壁厚较小、设备间距近，布置于容器外壁面的传感器及反应堆舱内电荷转换器位置处的中子注量和γ辐照剂量均可能超过传统陆上核电站。因此，对前端传感器、电荷转换器等仪表的耐辐照要求更高，前端仪表选型困难。

④反应堆结构变化带来声传播路径变化。根据规范要求，测点布置应具备由内部结构向压力边界传播的有利条件，通常布置在脱落部件聚集区域及松动部件可由内部结构向压力边界传播处。海洋环境压水堆核动力装置反应堆结构多为一体化或紧凑式布置，新的内部结构影响冲击信号的传播路径，为传感器测点布置设计带来新的挑战。

⑤测点位置可达性差，影响设备维修更换。紧凑或一体化布置的反应堆结构空间狭小，屏蔽结构设计复杂，部分测点位置人员不可达，造成传感器后期维修、更换、校准困难。

⑥报警分析困难。在常规陆上核电站，误报警是困扰松脱部件监测的一个重要问题。频繁误报警导致监测结果可靠性降低，干扰运行人员的判断，导致监测系统不能发挥作用。因此，提高报警的准确性仍然是国内外系统监测研究亟待解决的问题[8]。实际运行时，在监测系统出现报警信号后，往往需要结合专家分析和附加现场试验，才能最终确定撞击事件[9-11]。海洋环境下，误报警问题仍然存在。松脱事件报警可能出现在航行工况和作业点工况下。此时远离岸边，专家分析无法快速响应，现场运行人员技术能力和经验有限，影响撞击事件的判断，容易造成不必要的停堆或安全隐患。

⑦海洋机械环境适应性待验证。新堆型陆上核电站松脱部件监测系统投运前，样机需开展功能试验与鉴定试验，验证系统监测功能有效性与运行可靠性。功能试验通常采用不同质量规格的小钢球模拟反应堆内可能出现的松脱部件[5]，撞击平面钢板和钢制容器分析冲击信号。鉴定试验则依据系统所处环境开展电磁兼容、高低温、湿热交变、振动等试验。海洋核动力装置反应堆松脱部件监测系统受到海洋机械环境带来的振动、倾斜、摇摆、荡、船体撞击等事件影响，其功能有效性、环境适应性尚无相关试验验证。

4 解决方案建议

针对海洋核动力装置一回路松脱部件监测系统的特殊性，本文从设计角度提出以下解决建议。

①针对复杂的海洋环境引起的本底噪声，装置本身应采取合理的消除或降低噪声措施。例如:提高反应堆的自然循环能力，低速工况下主泵不需要运行，可消除运行噪声；采用全电力推进，取消齿轮减速器，消除齿轮减速器产生的噪声；改进螺旋桨设计以提高其加工精度，或者采用新型推进器以减小推进器的运行噪声。

②系统设计应针对复杂的本底噪声开发适应性抗噪方案。加强海洋环境下背景噪声抑制，有效保留冲击信号是抗噪算法研究的主要目标。目前，小波阈值去噪的方法被证明能够有效实现信号分离。基于小波能量谱的松脱部件碰撞质量估计算法有较好的试验测试效果[10-11]，具有较高的工程实际应用价值。

③优化报警算法提高报警准确性。目前，大多数松脱部件监测系统采用的报警机制如下。对松脱信号的均方根(root mean square,RMS)值进行幅度甄别，超过甄别阈值的即作为“事件”信号而被记录。当累计超过预定值时，给出报警信号。事实证明，由于传感器运行环境声源的复杂与丰富性，它的抗误报警能力是有限的。尤其对海洋船舰运行的核动力船舰而言，环境的干扰更易出现误报警情况。对此，可采取细网格划分、波形甄别、可调阈值设计、提高信号信噪比等方法降低误报警概率。

④提高探测器的耐辐照性能，延长使用寿命。海洋运行核动力装置反应堆舱内部由于设备紧凑型布置，各设备距离堆芯近，对传感器及电荷放大器的耐辐照指标要求提高。对此，应选用使用寿命长，耐辐照剂量指标高的一次仪表设备，电荷转换器封装盒需要进行屏蔽设计。

⑤灵活设计测点布置方案。反应堆压力容器底封头处为脱落部件的普遍聚集区，应设置足够的测点数量，布置范围应覆盖监测系统最小的探测灵敏度要求。同时，通常在蒸汽发生器一次侧入口处也应设置测点，用于监测是否会有松脱部件进入传热管束内。建议其他连接结构处易松脱件进行冲击振动传递路径模拟，找到压力边界容器壁衰减最短路径，优化测点布置设计。

⑥充分考虑维修可达性。前期在进行系统设计时，应充分结合监测需求与结构可达性，优化部分传感器测点位置；同时，应做好开发完成狭小空间下不可达位置的仪表检修与更换作业专用智能设备的准备。

⑦优化系统结构，缩减占用空间。电气舱内同样空间狭小，在开展机柜硬件设计时，应尽可能考虑硬件的模块化和集成化，减少机柜的数量、缩小占地空间和高度。为适应海洋摇摆应用环境，机柜内部构件应设计可靠的固定和防松结构，机柜与电器舱地板的连接方式需要考虑承受船体发生恶劣海况的剧烈倾斜及事故冲击。

⑧充分验证，保证系统可靠性。为满足海洋运行要求，松脱部件监测系统硬件系统可根据《电气电子产品型式认可试验指南》，设计一系列型式认可试验[11]。除了常规电站松脱部件监测系统需完成的高温、低温、湿热交变、电磁兼容等试验外，还应设置结合实际船舰运行情况的倾斜和摇摆试验、抗冲击试验等。

5 结论

较陆地压水堆核电厂，海洋环境运行的一回路松脱部件监测系统本底噪声复杂，存在摇摆、倾斜、撞船冲击等恶劣运行工况，装置本身尺寸小、结构紧凑，因此对系统的探测灵敏度、仪表耐辐照性能、系统运行可靠性等方面提出更高要求。本文结合不同设计方案，提出需重点研究因功能需求变更带来的诸多问题。如:消除海洋环境运行本底噪声的抗噪方案，降低不稳定运行环境带来的误报警率，提高小质量松脱部件探测能力，探索更加精确的松脱件定位算法，优化测点布置方案，同时需关注前端仪表维修更换可行性，开展狭小空间下拆装维修作业智能设备的研究。在试验验证方面，最大限度模拟高温高压回路运行环境开展系统功能试验验证，同时应增加《电气电子产品型式认可试验指南》中要求的倾斜摇摆、冲击等型式认可试验，验证系统在海洋环境下运行的可靠性。