AP1000环吊电气故障分析及检修策略优化

廖 健

（中核检修有限公司，浙江台州 317109）

0 引言

AP1000核电厂是一个两回路的百万千瓦级的压水堆核电堆型，具有非能动安全特性，其主要由包含反应堆冷却剂系统、专设安全系统、核辅助系统、蒸汽动力转换系统、仪控和控制系统、电气系统等系统组成，这些系统绝大部分和二代压水堆机组的系统相类似，在保留现有核电厂主要工艺技术的基础上引入非能动设计理念，大幅度减少安全系统的设备和部件。AP1000核电厂环吊是电厂中一个重要的安全3级设备，主要用于核电厂安装过程蒸发器、反应堆压力容器等重要部件吊装就位，以及停堆换料期间吊装压力容器一体化顶盖、反应堆堆内构件等关键设备的吊装作业。

1 故障分析

统计某核电厂2016—2021年核岛厂房两台环吊的维修工单情况，发现电气类工单总数及电气故障类故障缺陷分别占全部工单50.6%、41.8%，电气类工单及缺陷占了整个环吊检修工单的绝大多数。通过对环吊电气类故障进行分析，对比总结现有的检修项目情况，提出优化其检修策略的建议。

2 环吊结构特点

AP1000核电厂环吊是从美国某公司引进的核反应堆厂房的重要设备，安装于核岛CV4环的环型轨道上，是一个双桥架、电机驱动的吊车。由安装于环形轨道上的大车和安装于大车横梁轨道上的小车构成，主起升和副起升安装在能够沿着横梁平行轨道运行的小车上，大车可以进行360°旋转，小车在大车的两根横梁轨道上前后移动，属于大型起重类机电一体化设备，其结构如图1所示。其主要技术参数如下：总重464.932 t；跨距37.795 m，轨距为8.534 m；主起升设计额定负荷272 t，最大关键载荷215.5 t，起升高度41.758 m；副起升设计额定负荷及最大关键载荷22.7 t，起升高度43.282 m。

图1 环吊结构

APl000核电厂环吊的功能与M310型核电厂类似，主要用于吊装一体化顶盖、反应堆堆内构件、反应堆主泵及其他部件。但APl000核电厂环吊还要求具备极端条件下参与燃料组件或者燃料运输容器的吊装运输。因此AP1000核电厂对环吊的安全性提出了更高的要求，其承载部件划为安全3级设备、抗震I类设备，其余部件划为非核级设备、抗震II类设备。

3 环吊常见电气故障分析

统计近5年对某核电厂环吊的维护经验，常见的电气故障主要集中在大车系统、小车以及主/副起升系统上，主要涉及载荷放大器、变频器、限位及信号处理元件等电气控制元件。针对环吊常见的电气故障进行原因分析。

3.1 环吊定位坐标、重量信息显示错误故障

某核电厂环吊使用期间，特别是吊装反应堆一体化顶盖、反应堆堆内构件期间，司机室或主梁显示屏偶发性出现大小车定位坐标或重量信息等全部为零或者显示一直无变化的故障，且显示屏重启后故障仍无法消除。在多次的故障排查中，均以环吊整体断电重启来进行故障消除。经核实分析，发现主要原因是通信网络出现故障异常，导致显示信号丢失。将前期发生的多次类似故障的原因和处理情况进行统计如下（表1）：

表1 环吊通信网络故障统计

3.2 主起升载荷放大器故障

某核电厂1#、2#机组环吊在吊装过程，均出现主起升载荷显示不准确情况。有两个现象：①主起升载荷处理单元假死导致载荷变化很小，在吊装提升过程中，载荷显示只有20 000 Lbs，但是实际吊物已离开地面，实际载荷可能已经达到200 000 Lbs；②主起升载荷处理单元在吊运过程或者在重新启动环吊过程，主起升载荷传感器司机，就地一直显示“-SVS 2000”故障，此时环吊显示屏出现故障报警或者无法操作启动。主要原因是主起升载荷传感器箱体内部温度过高导致零部件损坏或者功能异常，之前未对该放大器进行功能性检查。目前主要通过环吊使用期间将主起升载荷处理单元的箱体盖板打开，增加通风散热的方式进行故障处理。

另外，在机组小修期间，发现1#机组环吊载荷放大器出现主起升超载（MH Overload）故障，主起升载荷称重系统的就地载荷处理单元恢复至初始状态。故障排查时查阅载荷放大器处理单元内的各设定参数，发现主起升载荷放大器数据全部丢失，各个参数设定值均为0，该临时数据设定值导致主起升载荷极不准确。故障处理时重新导入处理单元的参数值，并采用多点标定法进行配重标定，重新对主起升载荷进行标定，标定合格后环吊恢复正常。对该故障原因进行分析发现，该主起升载荷放大器在环吊闲置时从环吊上需拆下放置，在拆装及保管过程中维护不当导致载荷放大器内部数据丢失。

3.3 主/副起升升、降速度异常故障

据统计，某电厂环吊主/副起升升、降速度异常故障经常性发生，主要体现在环吊在提升/下放吊物期间，控制室主/副起升失速报警故障，导致主/副起升无法进行动作，从而使环吊无法继续工作。检查发现其速度异常故障原因多为限位本体、限位位置参数等问题造成。对主/副起升机构故障发生的原因及处理情况统计见表2。

表2 主/副起升机构故障统计

3.4 控制回路总电源跳闸故障

某核电厂环吊控制回路总电源在首次装料前，出现多次断路器跳闸情况。其控制回路总电源为D型塑壳断路器，主要为控制回路进行电流分合作用。为分析其跳闸故障，对该断路器一次侧和二次侧进行14次测量，发现断路器峰值电流持续时间小于0.01 s时，断路器不对峰值电流进行监测；当峰值电流持续时间大于0.01 s，且一次侧电流超过260 A时，该断路器就会跳闸动作。因此判定该断路器的基本功能没有异常，但由于调试期间未对该断路器进行标定，其断路器定值依据为出厂值数据，未考虑实际使用时电流情况，且在安装完成后未对该断路器进行定值维护检查，怀疑是额定电流整定值设置不满足实际需求造成。使用电能质量分析仪对该断路器工作电流进行录波试验，经过多次试验验证重新确定其电流整定值并调整（额定电流整定值调整为10.6 A），调整后故障消除。

3.5 环吊变频器故障

AP1000核电厂环吊使用的是ABB壁装式ACS800-U1型变频器，分别安装在环吊的桥架、小车、主起升机构和辅起升机构的驱动装置上，根据位置不同由不同的参数设置。AP1000核电厂环吊安装在核岛内，其工作环境可以满足变频器的温度条件要求。但在实际使用过程中，变频器故障也是环吊频发的故障之一，具体发生的故障问题统计见表3。

表3 变频器故障统计

根据故障统计，大部分的故障问题是由于变频器自身本体故障引起。最严重的一次故障为某核电厂大修期间，主起升变频器黑屏故障，面板无显示并且无法通信动作，故障处理小组在线上无法及时判断故障原因及恢复环吊使用，最后决定使用更换备件的方式修复故障。随后对拆下的故障变频器进行检查，发现变频器内部DDCS通信模块、光纤插口同时损坏，导致变频器无法启动工作。

4 环吊检修策略优化建议

通过以上分析，环吊故障主要由环吊内部单体设备元件故障引起。因此环吊检修策略应从提高单体设备元件的可靠性方面入手。目前环吊预防性维修策略，主要依据《AP1000环吊运行维护手册》进行日常维护保养，涉及电气方面的检修主要是实施环吊定期维护检查（电气）方案。具体实施的检查项目及周期见表4。

表4 环吊定期维护项目

从以上维护项目看出，预防性维护检查项目以外观检查为主，没有细分单个元件设备的定期保养项目，且没有对元件进行设备功能性的检查。同时由于环吊设备的特殊性，环吊设备检修一般只能在核电厂停堆换料大修时进行，而作为大修主线工作，检修窗口时间很有限，无法做到对全部环吊附件设备检修，其定期维护项目偏重于环吊的整体维护保养，重点针对环吊闲置后的设备元件回装及整体上电试验方面，未对环吊单体设备元件的功能性进行检查，导致在运行过程中，经常由于单体设备元件的故障问题影响环吊整体运行。目前，为提高环吊作业时整体运行的可靠性，减少对大修的工期影响，往往在其使用时，设立专职作业保驾人员，造成环吊使用的人力投入增加，同时由于不可预见的故障缺陷，发生故障时消缺工作较为被动，部分故障处理耗时较多，影响大修工期。因此结合环吊常见电气故障情况及预防性维修检查项目设置情况综合考虑，建议从以下方面优化环吊检修策略，进一步提高环吊的设备可靠性，减少故障率，降低故障影响。

（1）优化环吊预防性维修项目，对于易发故障的重要元件设备，制定单个环吊元件设备预防性维修程序，如针对主起升放大器、变频器、大小车电机等设备进行必要的预防性功能检查。

（2）减少环吊闲置时设备元件拆装数量，以就地保护为主，减少拆装过程产生设备损坏，同时减少设备元件在环吊设备接口中多次插拔，导致接口接触不良等故障。

（3）针对必须闲置的元件，增加线下预防性检修项目，在环吊闲置拆下时进行元件预防检修保养，在不增加线上操作时间的同时增加重要设备元件的保养，确保设备的可用性，减少故障率。

另外，由于AP1000核电厂环吊设计原因，在维修便利性方面存在两个问题，导致环吊的部分预防性维修项目检查不完整，或者检修环境不便利减少了设备检查项目。①环吊大车轨道未设置检修环廊和必要的安全设施。对大车轨道齿轮、螺栓等检查方式，主要是在环吊大车上方进行目视检查为主。现已发现部分轨道定位螺栓有松动故障，需要安排人员使用生命绳牵引人员的方式站在轨道上进行检修，存在较大安全风险；②AP1000核电厂环吊大车主梁未设置检修过程备件吊装的吊装装置，更换备件运输依靠人员徒手拉绳传递的方式进行，环吊高度落差大约40 m，存在较大的安全风险，特别是运送大质量备件是尤为突出。并且随着环吊使用年限增加，大件设备元件更换的可能性增加，增加便于备件吊装的检修通道非常有必要。因此建议制定增加完善环吊检修通道的计划方案，增加环吊环廊防护设施及备件吊装装置，并将该方案纳入环吊检修策略中。以预防性维修的方式，按计划在核电厂每个换料周期中分期分批完成。

5 结语

设备的检修策略应系统性地评估设备的风险，识别出设备检修的高风险、关键项目，从而建立有针对性的检修维护策略，以降低风险，从而提高系统使用的安全可靠性。AP1000核电厂环吊作为电厂的重要关键设备，通过分析环吊已发生的故障现象以及在处理过程存在的检修困难问题，总结环吊目前预防性维修策略中存在的短板项目，针对性提出务实的检修策略的优化建议，可以降低环吊使用时的故障率，减少环吊检修占用的时间，为机组大修节省宝贵的检修工期。