废气监测系统故障模式分析及解决策略

叶伦荣，夏善杰，刘 洋，岳民凯，毕钦思

（中核核电运行管理有限公司 维修五处，浙江 嘉兴 314300）

0 引言

根据《中华人民共和国核安全法》第四十四条规定，核设施营运单位应当对其产生的放射性废气进行处理，达到国家放射性污染防治标准后，方可排放。重水堆核电厂为了确保废气达标排放专门设置了废气监测系统，能够对废气进行连续地在线监测。当废气中的放射性水平达到或超过允许排放的限值时，废气监测系统将给出报警信号，并在主控室报警，使运行人员能够马上采取措施停止排放废气。本文通过系统性地梳理近5年来的缺陷数量和总类，通过参照EPRI设备故障模式，针对废气监测系统故障模式进行分析，探寻解决方法，并梳理出典型缺陷以及处理方法，以期为该系统运维储备经验。

1 重水堆核电厂废气监测系统原理及功能

重水堆核电厂废气监测系统是全厂辐射监测的重要组成部分，该系统对烟囱气体排出物中的气溶胶、碘、惰性气体进行连续在线监控。当废气中的放射性水平达到或超过允许排放的限值时，废气监测系统将给出报警信号，并在主控室进行报警和显示[1]。本系统通过C-14收集系统和氚收集器为实验室定期分析提供标本，另外该系统在两个机组各新增了一套备用气溶胶、碘、惰性气体、碳-14和氚取样/收集装置，在原烟囱监测系统停机维修或失效导致无法保证放射性气态流出物的取样监测时投运。

C-14取样器对烟囱废气中的总氚、总C和无机氚、无机C进行取样，样品在规定时间内送至实验室进行分析，防止异常排放。该系统流程简图如图1所示，当采样气体从烟囱取样后分成两路，一路进入气溶胶过滤器、碘采集器，然后进入惰性气体采集器，再通过氚采集器后与另一路（经过C-14取样器）汇合一起回到烟囱。

图1 废气监测系统流程Fig.1 Exhaust gas monitoring system process

图2 NMAC调查结果Fig.2 NMAC Survey results

2 重水堆核电厂废气监测系统设备组成

废气监测系统主要由辐射测量回路、检查源装置、取样泵、流量测量仪表、压力测量仪表、温度测量仪表、气溶胶过滤器、碘过滤器、伴热电缆、阀门等组成。辐射测量回路主要是CANBERRA公司的辐射测量仪表[2]，主要包括显示率表、前置放大器和探头。探头主要是对放射性射线进行响应，将光子转换成光电子并经光电倍增管逐级放大后送前置放大器处理。前置放大器给探头提供高压，并接收探头信号进一步放大脉冲幅度和形状甄别，将处理后的信号送显示率表。显示率表接收前置放大器输出的信号，对信号进行累积、平均和计算，再进行显示。数据经内部I/O板和电源板输出信号，送用户接口板给主控报警和显示，同时也给前置放大器提供工作电压。显示率表可以进行测试、参数设置和参数检查，可以启动检查源装置和探头内部的LED发光二极管测试，确认探头晶体和整个回路电子线路工作正常，是用作系统的人机交互界面。

3 设备故障模式确定

EPRI（美国电力科学研究院）依据代表设备特别故障模式的故障特征数据库来自动匹配被监测设备的条件，提供一个匹配当前条件的可能故障模式的排名顺序，根据Nuclear Maintenance Application Center的调查[3]，确定了废气监测系统如下故障模式：

参照EPRI（美国电力科学研究院）设备故障模式，梳理出最近5年内67883废气监测系统共有缺陷49项，详见表1废气监测系统缺陷数量统计表（近5年）。按照缺陷原因主要分为16类缺陷，每类缺陷数量和百分比见表1。其中，取样泵故障为频率最高，近5年共发生过8次，占比16.33%，其次是高压板故障、管线故障堵塞等，占比10.20%，其余诸如气瓶异常、滤波器故障、计时器故障等也偶有发生。

表1 废气监测系统缺陷数量统计表Table 1 Statistical table of defects in the exhaust gas monitoring system

4 高频故障的解决方法

4.1 取样泵故障处理

废气监测系统近5年取样泵故障次数为8次，占缺陷总数的16.33%，属于高频缺陷。67883-PL1477盘台取样泵GAST公司生产的1023-101Q-SG608X真空叶片泵，用于为废气监测系统提供样品输送，如取样泵停运，将影响烟囱废气监测。烟囱废气监测系统有TS（技术规格书）限制，没有降模式要求，取样泵设备分级为NC级（非安全级）。

通常缺陷类型有：

1）真空泵温度过高

1023-101Q-SG608X真空叶片泵具备过热保护，如过热会自动停运，冷却后会自动重新启动。根据取样泵运行维修手册，取样泵过热的可能原因如下：进口过滤器脏、出口过滤器脏、真空/压力管线变形坍塌，真空释放阀设定过高，取样泵内存在灰尘或粉尘，电机接线错误，真空/压力管线堵塞等。

如2021年10月19日，现场巡检发现1-67883-PL1477出现流量低显示，取样泵处于停运状态。此类缺陷将会导致系统不可运行，由此进入TS（技术规格书）限制。现场将取样泵拆下后在车间试验，确定为取样泵过热导致取样泵停运。最终定位为取样泵进出口循环阀开度过小，用于防止取样泵入口真空度过高，正常循环阀开度在1圈左右，而发生此次故障时循环阀开度在1/6圈，循环阀开度偏小会直接导致取样泵温度升高。

2）真空泵振动较大

正常情况下，取样泵工作正常无异音，电机温度为40℃左右，使用测振仪测量电机振动量，空转状态振动量为3.5mm/s，取样状态振动量为4.6mm/s。

判断真空泵是否振动较大的方法：断开泵进出口管线使用测振仪测量电机振动量在10mm/s～12mm/s之间波动，即可判断为取样泵运行异常。

可能存在的原因：取样泵电机后部轴承处的波纹垫片断裂，导致轴承生锈且转动偏差，最终产生异音和大幅振动。

4.2 REMOTE ALARM和LEAK TEST FAIL报警

缺陷可能的原因：总C-14取样回路干燥剂瓶内部鼓泡砂头堵塞，导致该取样回路真空度过高引发REMOTE ALARM和LEAK TEST FAIL报警，有时也会伴随出现设备流量报警和泵故障报警等。该鼓泡头是孔隙为60u的金属烧结部件，由于长期沉浸在NaOH溶液中，鼓泡头孔隙中会存在结晶而堵塞，而且最后一个干燥瓶内装的硅胶颗粒在安装的过程中会被挤碎而堵塞鼓泡头。该取样瓶每周更换，每次都会对鼓泡头进行清洗，因此通过预维并不能解决真空度高的问题，特别是密封垫的缝隙，应避免结晶聚集，在运行过程中堵塞鼓泡头，应当及时更换密封垫并清理。

4.3 重水升级塔氚/惰性气体监测仪故障

最近1年内，重水升级塔氚监测仪高压漂移两次，重水升级塔惰性气体监测仪板卡故障1次，占67883年度总缺陷的21.4%。

近几年重水升级塔氚监测仪故障率较高，主要是高压板不稳定造成数据漂移，设备为重要设备，没有技术规格书限制。

按照EPRI（美国电力科学研究院）：1007909区域和工艺放射性监督系统指南[4]，对于板卡通常一般不维修，直接更换，厂家手册中也没有相关要求。由于设备已经运行将近20年，部件日趋老化，后续建议对设备进行变更，确保重水升级塔氚、惰性气体监测仪可靠稳定运行。

后续措施：对重水升级塔氚/惰性气体监测仪进行变更，确保设备可靠稳定运行。

4.4 C-14取样器故障

最近几年内，C-14取样器出现3次故障，分别是取样瓶鼓泡头堵塞，温度控制器老化故障和计时器电池失效，占67883年度总缺陷的21.4%。

温度控制器和计时器电池失效均属于老化故障，设备运行将近20年才出现1次，不需要增加预维，可以考虑更换新的备件，而厂家手册中也没有相关要求[5]。目前无备件，需要进行采购。

2022年曾出现无机C回路干燥剂瓶内部鼓泡头堵塞现象，取样瓶鼓泡头堵塞主要集中在硅胶瓶内的鼓泡头，主要是硅胶粉末进入鼓泡头造成堵塞，对鼓泡头进行清洗后，设备通常能够恢复正常。设备为重要设备，涉及流出物排放，有技术规格书限制。

后续措施：目前已对取样瓶进行国产化升级。取样瓶国产化升级实施后，能够有效减少C-14取样器故障的缺陷，避免进入技术规格书限制。温度控制器无备件，需要采购，计时器无备件，厂家反馈停产，已进行物项替代，经过物项替代后，设备可靠性明显提升。

4.5 烟囱流量传感器扰动故障

该系统流量传感器包括霍尼韦尔质量流量传感器和MT86热扩散式质量流量计。最近5年内，67883烟囱废气监测系统流量传感器故障3次，占67883年度总缺陷的6.12%。其中，包括废物暂存库氚取样器回路倒吸，导致流量传感器故障。该流量传感器是霍尼韦尔质量流量传感器，一般不会出现故障，但如果传感器内进水和杂质，传感器就不能正常测量，影响到流量计的正常功能。缺陷的原因是回路倒吸造成质量流量传感器进水，从而无法测量。回路倒吸主要是氚取样入口管路负压过大，超出了氚取样泵正常工作压力范围。通过更改氚取样器入口管路，使其不共用管线，从而能够解决回路倒吸的问题，彻底杜绝流量传感器进水。

此外，该系统烟囱还有1台FCI公司生产的MT86热扩散式质量流量计[6]，主要用于废气监测系统监测烟囱流量，流量传感器安装在室外烟囱上，属于户外设备。流量变送器输出信号，用于累积活度计算、报警和取样流量等速控制。烟囱流量波动的可能原因有：烟囱流量计故障、外界环境干扰，如雷电干扰等。如2021年8月11日23时，发现烟囱排风流量AI0551上下大幅波动，缺陷导致67883系统读数不可信。缺陷的处理方式：首先是对流量计进行检查，确认无故障，输出偏差在正常范围内；其次是虽然烟囱流量计位于室内房间，环境良好，但由于流量传感器位于室外烟囱高段位置，容易受到环境影响，需确认外界环境干扰。经查询天气，当晚存在雷电，雷电影响不能排除。选取室外雷电天气时间段，经过复现观察到AI0551开始波动，持续15min，可以确定烟囱流量受到雷电影响，雷电影响比较复杂，暂无良好预防手段，需要在雷雨天气格外注意该系统运行状况，提前安排人员响应。

5 总结

参照EPRI（美国电力科学研究院）代表设备特别故障模式的故障特征数据库，本文对废气监测系统近5年缺陷数据进行了系统性梳理和分析，找到了频繁出现缺陷的薄弱环节，给设备的运维和管控提供了参考依据，有助于系统可靠性提升。针对高频设备缺陷，如真空泵温度过高、真空泵振动较大、REMOTE ALARM和 LEAK TEST FAIL报警、重水升级塔氚/惰性气体监测仪故障、C-14取样器故障、烟囱流量传感器扰动故障等高频故障进行梳理分析，并对应提出了解决对策，对同类型设备的运维具有指导意义。