核电厂MSR液位共模故障的原因分析及优化措施

张 强，许金泉，王志先

(中广核工程有限公司，广东 深圳 518124)

0 引言

核电厂汽水分离再热器(moisture separation reheater,MSR)的功能是去除高压缸排汽中的水分、提高进入低压缸蒸汽的温度，从而防止对低压缸的叶片产生冲刷腐蚀。MSR分离高压缸排汽中的水分经过导管引入疏水箱。如疏水箱液位过高，在机组瞬态工况下可能导致液态水倒灌至汽轮机本体。因此，疏水箱设置了液位高报警及高高跳机保护。在MSR高温高压、高饱和蒸汽的工况下，传统的差压、声波等液位计受温度、压力、介质密度的影响，测量误差较大。早期的核电厂MSR液位测量以浮筒式液位计为主。该液位计虽然有测量稳定、准确的优点，但由于体积大、机械部件多，在实际运行过程中故障频发，且维修校验困难。当前，核电厂普遍采用带有动态蒸汽补偿功能的同轴式导波雷达液位计。相比浮筒液位计，同轴式导波雷达液位计具有测量精度高、抗干扰能力强、安装维护方便等优点。但导波雷达液位计属于精密仪器，受核电运行工况、导杆选型、材料、安装及密封工艺等因素的影响，液位计故障引发的机组降功率、自动停机等事故时有发生。

本文结合核电厂典型运行事件，对结构、系统或组件以同样方式失效的共模故障进行深入分析(不含表头故障、制造工艺缺陷等随机偶发故障)，并提出了一系列具有针对性的优化措施。

1 设备及故障事件概述

1.1 导波雷达液位计简介

导波雷达液位计基于时域反射原理测量液位[1-3]。其表头发射的周期性脉冲电磁波沿导波杆传播。当电磁波遇到气相介质和待测液位介质的分界面时，由于分界面处上下介质的介电常数值相差较大，电磁波会发生反射并形成回波信号[4-5]。通过计算发射信号与回波信号的时间差，并根据电磁波传播速度，即可得出待测的液位高度[6]。液位测量原理如图1所示。

图1 液位测量原理框图

导波雷达液位计主要根据导波杆的结构进行分类，工业上应用广泛的有同轴式、双杆式、单杆式这3大类。由于同轴式导波杆灵敏度高、介电常数测量范围广，在核电厂MSR中均采用该导波杆。在MSR实际运行中，疏水箱中充满高温高压的饱和水和蒸汽。运行工况的不同会导致蒸汽的介电常数发生变化，进而影响电磁波的传播速度。尤其是在瞬态工况下，压力的降低会导致饱和液态水出现“闪蒸”[7]，造成测量误差。因此，必须对蒸汽进行气相自动补偿。经实测，在400 ℃、10.5 MPa的工况下，无补偿功能的测量误差高达18%，而补偿后误差在2%以内[8]。针对这种情况的补偿方法是在蒸汽目标位置设置参考反射器。电磁波信号在蒸汽目标位置形成固定的参照反射信号后，与真实液位产生的回波信号进行对比，补偿由于蒸汽的变化对电磁波传播速度造成的影响。因此，在核电厂MSR液位计选型中，普遍使用具有蒸汽动态补偿功能的同轴式导波雷达液位计。

1.2 故障事件及其分类

中国改进型三环路压水堆(CPR1000)A核电厂1#、2#机组MSR液位计2020年至今总计发生故障29次。经调查，同类液位计在其他核电厂均有类似事件发生。以实际发生的一些核电厂典型事件为例，反复发生的共模故障主要为以下4类。

①测量筒底部堵头泄漏。A核电厂1#机组汽水分离系统(gas-liquid seprate system,GSS)新蒸汽疏水箱液位计GSS001MN测量筒底部堵头泄漏，引起筒内泄压，液态水短时汽化导致虚假低水位，进而引发机组短时超功率及降功率运行22 h。

②启机过程产生虚假高水位。A核电厂4#机组大修后启机冲转至56 r/min时，MSR抽气疏水箱GSS103BA 液位计GSS121/123MN瞬间上涨触发液位高高跳机信号，导致汽轮机非预期跳闸。

③液位计输出线性超差。A核电厂执行导波雷达液位计改造后，当测量液位较高时测量偏差大，离线进行冷水标定发现在靠近探杆顶部15～20 cm时，所有液位计输出线性均超差。

④导波杆支撑件碎裂。B核电厂1#机组汽轮机汽水分离再热器壳侧疏水箱GSS103BA水位信号由于导波杆支撑件碎裂短时突升至 1 846 mm，导致汽轮机自动停机。

2 故障原因分析

2.1 测量筒底部堵头泄漏

导波雷达液位计测量筒堵头采用的密封方式为螺纹+密封材料。其中：螺纹有平螺纹和锥螺纹2种；密封材料主要有魔绳、紫铜垫片。A核电厂近3 年堵头泄漏故障记录如表1所示。

表1 近3 年堵头泄漏故障记录

由表1可知，魔绳在高温下长期运行存在碳化失效的问题，而紫铜垫片在高温高压下易破损。因此，堵头泄漏的原因为密封材料失效导致堵头的内螺纹与外螺纹密封不严。同时，受制于螺纹加工制造质量，测量筒喷头长期运行下易发生螺纹“咬死”情况。该故障的发生会给维修带来较大困难。

2.2 启机过程产生虚假高水位

汽轮机冲转过程中，高温蒸汽进入处于负压下的疏水箱内。随着温度、压力的变化，疏水箱内充斥汽水混合物。由于通往凝汽器的通风阀打开，凝汽器真空抽取蒸汽使蒸汽流动方向改变，汽水混合物浸入导波杆表面。疏水箱示意图如图2所示。

图2 疏水箱示意图

由于导波杆外部护杆与探杆间是低负压区，汽水混合物易在此聚集并在探杆上逐渐凝结，最终输出虚假液位[9]。

为证明凝结水对液位测量的影响，采用漏斗直接向导波杆保护套筒的孔中注水。凝结水回波信号如图3所示。

图3 凝结水回波信号示意图

由于液位的雷达信号沿导波杆传播，在注水过程中，雷达信号探测到附着在导波杆上的水流信号后形成了回波信号。根据图3，当信号强度超过阈值被认为是有效信号，从而影响真实液位的测量。通过模拟凝结水的试验表明，凝结水对导波杆的回波有影响。因此，触发虚假高水位的根本原因是导波杆产生了凝结水。

2.3 液位计输出线性超差

MSR导波雷达液位计采用蒸汽补偿型探杆。该探杆的特点是雷达波信号在探杆的蒸汽目标位置会形成参照反射信号，与液位信号进行对比，以补偿由于汽侧水蒸汽对雷达发射速度造成的影响。但液位信号靠近蒸汽目标所形成的正向反射波的情况下，液位的雷达信号会受其干扰，造成线性超差。回波信号干扰如图4所示。

图4 回波信号干扰示意图

A核电厂液位计改造采用的是66 cm长度的导波杆，高液位测量时液面与蒸汽补偿模块过于接近。因此，液位信号在探杆顶部出现信号超差的原因是液位信号和蒸汽目标的反射信号相互干扰造成的。

2.4 导波杆支撑件碎裂

同轴式导波杆需要保证中心探杆与外管之间保持一定的距离，因此同轴探杆内部需加装支撑件。支撑件普遍采用芳香族结晶型高分子材料聚醚醚酮(polyetheretherketone,PEEK)。该材料具有良好的耐高温、稳定性与抗氧化性。但实际应用过程中，PEEK长时间在高温、高压的环境中会发生脆化。由于MSR在不同工况中，尤其是负荷变化时会使探杆不断晃动，进而导致脆化后的支撑件碎裂，支撑件碎裂会导致探杆倾斜，造成液位测量值异常上涨。

3 优化措施

3.1 测量筒底部密封材料与密封方式优化

根据2.1节的分析，首先考虑优化密封材料。选取可耐受350 ℃高温的乐泰596密封胶，在使用的初期阶段密封性能良好。但密封胶存在热老化特性，温度越高，则性能下降速度越快，运行9～10个月后即需更换。更换过程经常存在螺纹“咬死”情况，增加维修成本。

将螺纹密封的方式更换为法兰密封，可有效改善螺纹“咬死“情况，提高更换效率；同时，可配合高温生料带进一步提高密封质量。A核电厂1#机组液位计测量筒首次采用法兰+高温生料带的密封方式，经13个月的运行验证，未发生泄漏。

3.2 启机过程运行程序优化

针对2.2节的故障原因，在汽轮机冲转前，向疏水箱中注入一定量的水。经试验，水量以淹没探杆底部100 mm左右为宜。冲转时，液态水能缓解高温蒸汽引起的汽水混合物扰动，加速高温蒸汽的凝结，防止汽水混合物在探杆附近聚集。同时，由于疏水箱的非空罐状态，导波杆能接触到实际液位。由于实际液位的回波信号强，根据图1可知信号经混频器处理后能抑制虚假信号，进而提高仪表的抗干扰能力。经后续机组的启机验证，该优化措施可有效抑制虚假高水位的产生。

3.3 导波杆长度选型及安装位置优化

液位计探杆蒸汽补偿模块位于表头15 cm处。经实测，干扰区范围为±5 cm。优化方案为延长探杆顶部的长度，避开了蒸汽补偿的反射信号的影响区域。通过将66 cm导波杆更换为90 cm导波杆，使上部连通孔至表头预留约40 cm高度，从而避开蒸汽补偿模块的反射区域。筒体长度如图5所示。

图5 筒体长度示意图

优化后的安装方式可有效避开反射干扰区域，提高测量精度。因此，导波杆选型时，需确保导波杆长度能满足表头与测量筒连通孔之间的距离要求，使其能完全避开蒸汽补偿反射信号的区域。优化后，A核电厂运行情况良好。

3.4 导波杆支撑件材料优化

根据2.4节的故障原因，需对支撑件的材料进行优化。氧化铝陶瓷材料(99.7%纯度的AI2O3)具有硬度大、弹性强、熔点高、耐磨性好等特点[10]，介电常数可高达9.0，是支撑件的理想材料。某核电厂实际运行表明，该材料十分稳定可靠，目前已在A核电厂及其他核电厂MSR液位计中进行推广使用，效果良好。

4 结论

导波雷达液位计具有测量准确、性能可靠、安装维护便利等优点，在核电领域的液位测量中得到了广泛应用。本文通过对MSR同轴式导波雷达液位计4类常见故障的分类研究，深入分析了导波雷达液位计的选型、安装方式、密封材料、运行操作方式，并针对性地提出了切实可行的优化措施。以中国改进型三环路压水堆(CPR1000)A核电厂1#机组为例，采用优化措施后，液位计连续稳定运行13个月，未发生故障导致的运行事件。实际运行数据表明，优化措施效果显著，降低了液位计故障导致的运行事件给运行维修部门带来的管理成本，为后续机组提供了良好经验反馈。