堆芯中子通量测量系统指套管磨损分布规律及处理准则优化研究

2022-02-18蔡振梅金娜王鹏遆文新

装备环境工程 2022年1期

蔡振，梅金娜，王鹏，遆文新

（苏州热工研究院有限公司，江苏苏州 215004）

堆芯中子通量测量系统指套管是核电站反应堆堆芯中子通量测量系统的重要组成部分，是移动式微型裂变室的通道，其外壁与反应堆冷却剂直接接触，属于一回路压力边界。指套管直径小且尺寸较长，导致刚度较低，在服役过程中，冷却剂诱发振动导致其与导向管管口之间产生摩擦，进而发生磨损乃至破损，带来一回路冷却剂泄漏的风险，影响核电站的安全运行。20世纪80年代起，美国、法国等国家的核电站相继出现了指套管泄漏问题。1988年3月，美国核管理委员会（NRC）发布87-44通告，指出美国西屋公司设计的核反应堆存在指套管磨损问题。为应对该问题，NRC于1988年7月发布了88-09通告，要求各核电站建立并执行指套管检查大纲，对指套管进行周期性检查，确保指套管的完整性。检查大纲需包括检查频率、检查方法、处理准则等内容。业界通常使用涡流检测方法检测指套管磨损深度。我国核电站参考美国、法国等国的做法管理指套管磨损问题，定期检测指套管磨损状态。近些年，我国核电站，尤其是自主建设的核电站指套管磨损问题日益凸显，指套管异常磨损事件频发。因此，有必要研究指套管磨损分布规律和磨损形貌特点，结合指套管导向管结构特点，分析指套管磨损原因，为优化指套管磨损处理准则提供指导。

1 堆芯中子通量测量系统[15-16]

堆芯中子通量测量系统包括控制监测柜、分配柜和测量通道设备等。该系统由驱动装置、组选择器和路选择器构成的机械组件驱动中子探头进行中子注量率测量；由安装在堆芯测量室的分配柜实现控制设备和机械组件之间的接口。在核反应堆正常运行期间，堆芯中子通量测量系统间断工作，至少每隔30个等效满功率天启用一次。

堆芯中子通量测量通道由50个通道组成，分成5组，每组10个通道，每组配备1只微型裂变室，共5只微型裂变室，各由1台驱动机构驱动。驱动机构将微型裂变室从起点沿置于导向管内的指套管插入堆芯顶部，再均匀下降，与此同时，通量测量电路测出微型裂变室的输出电流。当微型裂变室达到堆芯底部时，测量停止。此时驱动机构再将微型裂变室抽回起点，接着将微型裂变室再插入第2个通道进行测量，直至全部测完该组10个通道为止。堆芯中子通量测量系统共有50根指套管，其长度为13~17 m不等。指套管外径为8.6 mm，内径为5.2 mm，最小壁厚为1.65 mm，材料为Z5CND17-12（加工硬化）。指套管导向通道布置如图1所示，核反应堆装料后，指套管依次经过自动阀、逆止阀、密封组件、手动阀、贯穿件后，沿导向通道进入反应堆压力容器。导向通道自下而上依次为堆芯中子通量测量导向管、反应堆压力容器导向管、堆内构件支撑柱组件导向管、燃料组件仪表导向管，如图2所示。

图1 指套管导向通道布置Fig.1 Arrangement of thimble tube guide card

图2 指套管磨损位置分布Fig.2 Distribution of thimble tube wear

2 指套管磨损机理分析

指套管全长度范围内，仅在密封组件处有一处固定约束，其余位置均无固定约束。反应堆压力容器内部的导向通道由多个不连续段组成，导致指套管与反应堆冷却剂直接接触。在机组运行期间，反应堆冷却剂流经指套管外侧，诱发指套管产生数十微米振幅的流致振动。指套管在导向通道变径位置存在表面上的微凸体粘着，粘着点被小振幅振动剪断形成磨屑，磨屑在冷却剂作用下被腐蚀，形成腐蚀颗粒。腐蚀颗粒具有研磨性，在后续的往复运动中对基体材料持续产生磨损。基体材料发生磨损后露出的新表面又会受到冷却剂的腐蚀作用。在机械磨损和冷却剂腐蚀的共同作用下，指套管发生体积损失，最终形成磨损缺陷。

磨损的萌生和发展特征与导向通道位置，指套管与导向通道的间隙，流体的速度、方向等有关。磨损引起的材料损失会降低指套管的结构强度，当磨损到一定程度时，将不能满足指套管抗压强度设计要求，磨损处发生外压挤毁失效的概率大幅提升，进而导致指套管发生形变甚至泄漏。其中，形变会导致微型裂变室无法通过指套管，造成相应的堆芯中子通量测量通道不可用；泄漏则会污染10路转换器，导致10路转换器及其所有相连的堆芯中子通量测量通道不可用。此外，若在流致振动作用下指套管在磨损处发生断裂，形成内部脱落件，将危及反应堆安全，导致核电站非计划停堆，造成重大损失。

3 指套管磨损分布规律分析

某核电站某机组指套管磨损分布3D散点图如图3所示，表明了指套管磨损位置在三维空间的分布。三维坐标代表磨损位置，轴自上而下依次代表P1—P5的5个磨损位置，如图2所示。P1为下堆芯板上表面位置，P2为堆芯支撑板上表面位置，P3为堆芯支撑板下表面位置，P4为堆芯支撑柱与格架板连接处，P5为堆芯支撑柱与反应堆压力容器中子测量管座连接处；轴和轴代表指套管对应的堆芯位置编码；散点颜色代表磨损深度。可以看出，指套管磨损发生在导向通道内径改变处，主要集中在P1和P4两处，其中P1位置磨损数量最多，P4位置磨损次数次之，P2、P3和P5位置磨损数量较少。国内数十台机组百余次大修的指套管P1—P5位置磨损涡流检查次数统计结果见表1，进一步验证了上述结论。进一步观察发现，磨损位置对应的堆芯坐标分散，散点颜色在堆芯位置内随机分布，说明磨损位置和深度在指套管堆芯位置上无明显分布规律。

图3 某机组指套管磨损分布3D散点图Fig.3 3D scatterplot of thimble tube wear distribution of a unit

表1 P1—P5位置指套管磨损涡流检查结果Tab.1 Wear numbers of thimble tube at Point 1—Point 5

相较于磨损次数，因磨损导致的指套管维修次数更能反映出指套管磨损对于核电站运维的影响，此处维修是指指套管割管移位、堵管或更换等大修期间执行的维修活动。国内某些机组共123次大修中实施指套管维修的次数统计如图4所示，共计238次，主要集中在P1位置，占比高达76.9%，P4位置次之，占比为19.8%，P2、P3和P5位置维修次数较少，合计占比仅为3.3%。

图4 国内机组指套管维修次数Fig.4 Repair times of thimble tube of China NPPs

4 指套管磨损原因分析

上述分析结果显示，指套管磨损区域主要集中在P1和P4位置，因此重点对P1和P4处的磨损原因进行分析。

指套管经过P1位置示意如图5所示，P1位置位于下堆芯板上表面，为燃料组件支撑板指套管出口处。该位置有部分指套管暴露在反应堆冷却剂中（见图5中圆圈位置处），将直接受到反应堆冷却剂强烈的垂直于轴向的横向流冲刷作用。燃料组件仪表导向管的内径为12.45 mm，略小于二次支撑及仪表套管组件在靠近冲刷位置的内径13.84 mm，即该位置导向通道存在变径。指套管与燃料组件仪表导向管的单边缝隙仅为1.93 mm，小于其与二次支撑及仪表套管组件在靠近冲刷位置的单边间隙2.62 mm。因此，磨损位置理论上应靠近燃料组件仪表导向管出口处。由于冷却剂的冲刷方向垂直于指套管轴向，且指套管受冲刷面积较小，因此指套管在此处发生方向随机的高频低幅振动，与燃料组件仪表导向管内壁发生摩擦磨损。典型的P1位置处指套管磨损视频检查结果见图6，呈现出宽度约几毫米的环槽形磨痕特征。

图5 指套管经过P1位置示意Fig.5 Darwing of thimble tube at Point 1

图6 指套管在P1位置的磨损形貌Fig.6 Wear profile of thimble tube at Point 1

指套管经过P4位置示意图见图7，P4位置位于堆芯支撑柱与格架板连接处，为二次支撑柱指套管入口处节点。该位置呈现明显的变径特征，指套管在此处通过时，形成悬臂梁结构，容易在流体扰动作用下与导向通道发生碰磨。同时，该处几何结构类似于喷嘴，根据流体力学节流原理，冷却剂流经此处时流速变化快，流场变化复杂，加剧了指套管流体诱发振动的现象。与P1位置不同，P4位置的冷却剂冲刷方向并非垂直于指套管的轴向，而是与指套管轴向形成较小的角度（＜45°），且指套管受冲刷的面积较大，因此产生的冲刷应力在理论上较P1位置小。由于P4位置导向管内径（15.24~50.80 mm）显著大于P1位置的导向管内径（12.45 mm），因此，指套管有更大的变形空间，易发生低频高振幅的振动，导致指套管在较长轴向长度范围内发生磨损。典型的P4位置处指套管磨损视频检查结果如图8所示，呈现出宽度约数十毫米的楔形磨痕特征，磨痕宽度显著大于P1位置。

图7 指套管经过P4位置示意Fig.7 Darwing of thimble tube at Point 4

图8 指套管在P4位置的磨损形貌Fig.8 Wear profile of thimble tube at Point 4

5 指套管磨损处理准则优化建议

国内机组针对指套管磨损问题的处理，一直参考国外做法，国内电厂使用的典型的指套管磨损处理准则见表2。以涡流检测指套管磨损深度为标准，当磨损深度达到[0%, 50%]，为记录缺陷，无需采取纠正行动；当磨损深度达到(50%, 100%]，为超标缺陷，需根据磨损深度采取不同的行动。磨损深度达到(50%, 65%]时，进行割管移位处理，每次移位长度为40~45 mm；当割管移位2次或磨损深度达到(65%,100%]进行通道封堵或更换。

表2 指套管磨损处理准则Tab.2 Wear criterion of thimble tube

目前采用的磨损处理准则只将磨损深度作为依据，尚未将磨损缺陷宽度考虑在内，也没有区分磨损位置。文中通过分析磨损分布规律和磨损形貌发现，P1位置和P4位置指套管磨损最为严重，且磨痕的几何形态存在显著差别，分别为几毫米宽的环槽形磨痕和数十毫米宽的楔形磨痕。目前业界已开展了针对指套管磨损缺陷长度分析的相关研究工作，初步具备了针对两类磨损缺陷分别建立相应处理准则的基本条件，后续有必要进一步开展深入的研究，建立区分P1位置和P4位置的磨损处理准则，使指套管的磨损维修处理更有针对性，保证指套管服役安全，并延长指套管的服役寿命，提高电厂运行的经济性。