第37卷第5期 核科学与工程 Nuclear Science and Engineering Vo1.37 NO.5 Oct.2017 2017年 1O月 防城港核电站堆内中子通量测量 系统指套管碰磨分析 胡建荣 ,罗 婷 ,简 捷 ,刘才学 ,杨建东 ,李 振。 (1.中国核动力研究设计院,四川成都610213; 2.广西防城港核电有限公司,广西防城港538001; 3.福建福清核电有限公司,福建福清350318) 摘要:防城港核电站1号机组主泵惰走试验期间,在对核电站松脱部件和振动监测系统13路加速度通 道进行背景噪声例行检查时发现,通过松脱部件和振动监测系统的声音监听设备监测到,安装于反应堆 压力容器底部堆内中子通量测量系统导向管上通道有“哒哒哒”的异常信号。为找出异常信号源,利用 松脱部件监测系统声监测功能对压力容器底部监测到的异常信号进行分析,该信号不是由松脱部件产 生的信号。通过听音棒的辅助监听,最后综合分析得出该信号是由堆内中子通量测量系统指套管在管 道路径上碰磨引起。该事件的分析与解决,不仅解决了工程建设需要,对核安全局批准下一步工作开展 提供了支持依据,而且对通过松脱部件监测系统来开展由于流致振动引起的中子通量测量系统指套管 异常振动诊断有重大的实用价值。 关键词:核电站;堆内中子通量测量系统;松脱部件和振动监测系统;指套管;碰磨 中图分类号:TH113.TL48 文章标志码:A 文章编号:0258-0918(2017)05—0750—06 Impact Analysis of Thimble Tube of Neutron Flux Measurement System In Fang Cheng Gang Power Station HU Jian—rong ,LUO Ting ,JIAN Jie ,LIU Cai—xue ,YANG Jian—dong。,LI Zhen。 (1.Nuclear Power Institute of China,Cheng Du of Si C.huan Prov.610213,China; 2.Guang Xi Fang Cheng Gang Nuclear Power Company,Limited.Fang Cheng Gang of Guangxi Prov.538001,China 3.Fu Jian Fu Oing Nuclear Power Company,Limited,Fu Qing of Fujian Prov.350318,China) Abstract:During coastdown test of main coolant pump of Fang Cheng Gang Nuclear Power 1#unit,Background noise of 1 3 acceleration channels is routine checked by loose parts and vibration monitoring system.Abnormal signal of“dadada’’on reactor vessel bottom is monitored by sound monitoring equipment of loose parts and vibration monitoring system.In order to find out the abnormal signal source,the abnormal signal of the reactor vessel bottom is analyzed by the use of loose parts monitoring system of 收稿日期:2016-10 30 作者简介:胡建荣(1975一),男,四川简阳人,副研究员,硕士,现主要从事反应堆故障诊断工作 750 acoustic monitoring function.The acoustic signal is not produced by loose parts,the signal come from thimble tube pipeline path impact of neutron flux measurement system by the auxiliary monitoring of listening rod and the comprehensive analysis of the acoustic signa1.By analysis and solution of the event,not only to solve the engineering construction needs,but also tO provide support for the approval of the next step work by National Nuclear Safety Administration.It is of great practical value to carry out thimble tube abnormal vibration diagnosis of the neutron flux measurement system due to flow induced vibration by the 1oose parts monitoring system. Key words:Nuclear power station;Neutron flux measurement system;Loose parts and vibration monitoring system;Thimble tube;Impact 防城港核电站1号机组主泵在惰走试验期 间,试验人员对松脱部件和振动监测系统l-】 ] (KIR)的13路加速度传感器通道进行背景噪 声检查时,通过声音监听设备发现AC1、AC2、 AC3通道发出连续的“哒哒哒”的异音,随后现 场检查了反应堆压力容器(RPV)底部硬电缆 与导向管的绑扎固定情况,发现无异常,用听 分布是否与设计所期望的功率分布相符;监测 各燃料组件的燃耗;校准堆外核仪表;探测堆芯 是否偏离正常运行。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 l2 13 14 l5 f f f I f{f【f f f f【f I 270。 A— B— 音棒对堆内中子通量测量系统导向管表面进 行逐一监听,超过一半的导向管上监听到“哒 哒哒”异音,且其中两根导向管上的异音比 KIR系统上声音监听设备听到的更为明显, 部分导向管存在轻微晃动,其中44号导向管 较为剧烈。 C— D— E— ■ F— G— H— J— K— L— M—— 在压水堆核电站中,松脱部件可能造成堆 内部件损坏或减弱部件材料的性能;也可能引 起部分流道堵塞,增加控制棒卡棒的风险,导致 燃料包壳破损。在国内外一些核电站中曾多次 发生该类严重事故 ]。为进一步分析异常声 音来源,判断是否是由松脱部件引起,避免不必 要的停堆,利用松脱部件监测系统安装于压力 容器底部堆内中子通量测量系统指套管上通道 N— P— R一 ■ ● 中子测量通道 图1堆内中子通量测量通道分布 Fig.1 Channel arrangement of neutron flux measurement 堆内中子通量测量系统共有50个燃料组 开展堆内中子通量测量系统及松脱部件监测系 统的相关分析。 件测量通道,每个测量通道都有特定的编号,堆 内中子通量测量通量分布见图1所示,每个中 子通量测量通道内插有可抽出的指套管,与驱动 电缆连接在一起的探测器在指套管内部移动,从 1堆内中子通量测量系统 1.1堆内中子通量测量系统组成 而达到在堆芯整个高度上逐点测量堆内中子通 量,其中可抽出指套管穿过下部堆内构件的仪表 堆内中子通量测量系统提供堆内中子通量 分布图(见图1),主要由指套管、导向管、手动 隔离阀、密封段、球检验阀、自动隔离阀、驱动装 置、传送装置、分配柜、计算机显示控制柜和探 测量管组件和堆芯支承板组件。导向管与指套 管、测量通道、探测器关系如图2所示。 1.2堆内中子通量测量原理 测器组成。其主要功能是检查燃耗对应的功率 探测器上有一微型裂变室,微型裂变室由 751 图2导向管与指套管、测量通道、探测器关系 Fig.2 Relation of thimble tube,guide tube, measurement channel and neutron detector 焊接端塞、同芯包壳及测量体(灵敏体)三部分 组成。微型裂变室与导电及驱动两用的同轴电 缆相连接,微型裂变室外径4.7 mm,长66 mrn, 灵敏体长度为27 mm。它的外壳、外电极以及 与之相连电缆的材料均为不锈钢,绝缘材料为 三氧化二铝(A1 O。)。微型裂变室灵敏体内充 纯度为99.999 5 的氩气,电极表面涂有一层 二氧化铀, U的丰度为93 。 热中子射入微型裂变室灵敏体内打在涂有 二氧化铀的电极上,使;; U核发生裂变。重的 带正电的裂变碎片使氩气电离,产生电子一正 离子对,电子和正离子在外加电磁场作用下向 两极漂移而形成脉冲,脉冲叠加起来,形成电 流。微型裂变室的输出平均电流工。为: j 0一S ’ (1) 式中:S 为微型裂变室对热中子的灵敏度; 为测量区的热中子通量。 1.3指套管结构与功能 法国AREVA公司设计供货的堆内中子通量 测量系统指套管外径 8.6 mm,内径 5.2 mm,目 前国内除田湾核电站外,其他二代和二代加压水 堆核电站,均采用了该系统。指套管属于RCC- M二级承压设备,用于为中子测量通量探测器 提供从堆外进入堆芯的导向管道。指套管在堆 芯内一端密封,焊有子弹头型端塞,另一端焊有 密封法兰,开口,以便中子测量探测器插入,指套 752 管外表面与压力容器内冷却剂直接接触,是承受 外压的一回路压力边界。 指套管的破损会引起一回路冷却剂泄漏而 流人堆芯测量系统的连接管组件,不会直接造成 冷却剂泄漏流人反应堆厂房内;但在流致振动作 用下指套管断裂,形成内部脱落件将危及反应堆 安全,导致停机停堆而给核电厂造成重大损失。 2松脱部件监测系统 2.1松脱部件监测系统组成 松脱部件监测系统是通过安装在压力容器 和蒸汽发生器上的加速度通道在线监测核反应 堆压力容器和蒸汽发生器内可能出现的松动 件、脱落件和外来件,由压电式加速度传感器、 测量电缆、电荷转换器、电荷调理放大器及测量 机柜组成。其主要功能是实时监测压力容器、 蒸汽发生器及一回路内的松脱部件。 根据反应堆堆型及传感器安装位置的不 同,系统由10、l3、16或24个通道组成。加速 度传感器安装位置可安装在压力容器底部、顶 部、蒸汽发生器底部、蒸汽发生器中部、主泵、主 管段进出口处。图3为防城港核电站反应堆底 部三个通道组成的松脱部件监测系统,AC1、 AC2、AC3为加速度计,KIRO11MV、KIR012MV、 KIRO13MV分别为AC1、AC2、AC3加速度计的 功能码,KIRO11AM、KIR012AM、KIRO13AM为 三个电荷转换器的功能码,KIRO01AR为松脱部 件监测系统机柜,机柜内部安装有电荷调理放大 器,信号调理放大器及松脱部件探测设备。电荷 调理放大器为电荷转换器提供恒定电流,并对电 荷信号进行调理放大;信号调理对接收到的信号 进行滤波,放大处理;松脱部件探测对信号进行 实时监测与分析。 加速度信号 图3松脱部件监测系统 Fig.3 Loose parts monitoring system 2.2松脱部件监测原理 松脱部件撞击信号主频率[7 (见图4)主要 发生在1~1O kHz,相同质量物体,撞击主频率、 加速度值随速度的增加而增加;不同质量物体, 撞击主频在速度一定下随着质量增加而减小。 松脱部件监测系统设计时主要是监测频率介于 1~10 kHz的撞击信号,这类信号主要存在于回 路内松动件、脱落件撞击及旋转机械动静摩擦。 二二二二二图4松脱部件质量、速度、加速度与信号频率关系 Fig.4 Relation of mass,velocity,acceleration of loose parts and signal frequency 松脱部件监测对满足松脱件特征的信号进 行实时计算,图5为松脱部件监测原理图,当加 速度计探测到松脱信号时,通过高温电缆和低噪 声电缆传输至电荷转换器并通过调理放大器,经 信号调理至松脱部件探测设备进行信号分析,通 过公式(2)对探测到的加速度进行辐值计算,并 对加速度计信号进行频率分析计算。 。一 n一 z 式中:a为加速度(g);V为电压(V);S为加速 度计灵敏度(pC/g);C为电荷转换器转换系数 (mV/pC);A为调理放大倍数。 l00 图5松脱部件监测原理 Fig.5 Monitoring theory of loose parts 3导向管加速度测量通道 防城港核电站松脱部件监测系统压力容器 底部加速度安装位置位于堆内中子测量通道 (见图6)所示的N12、C12和H1的底部导向管 上,当安装在加速度附近位置处的指套管发生 碰磨时,会通过安装在压力容器底部堆内中子 通量测量通道上的加速度探测并通过电荷转换 器,电荷调理放大输出至松脱部件监测机柜。 一一.二一 AC1—N12(51。20 ) AC2-C12(308。401 AC3-HI(180。) 图6堆底加速度测量通道 Fig.6 Measurement channel of acceleration in the bottom of reactor 4 信号分析 RIC系统指套管碰磨信号经过指套管传递 到压力容器底部,再传导到安装在其他指套管 上的KIR系统传感器上,利用松脱部件监测系 统压力容器底部导向管加速度测量通道对加速 度计信号进行采集并分析,其中测量通道由加 速度计、高温电缆、低噪声电缆、电荷转换器和 电荷调理放大器组成。 4.1 时域信号 图7是防城港核电站松脱部件监测系统 AC1、AC2、AC3和ACA通道采集到的典型时域 信号,横坐标为时间,纵坐标为加速度辐值,其中 ACA为安装压力容器顶部加速度测量通道。 4.2频域分析 图8为对采集到的典型加速度信号进行的 频率分析,表1为对采集到的信号进行前十阶 主频率计算值。 753 AC3 0 06 AC1 0 86 0.84 A 004 0 02 …… . 篝0 82 届趔 器 鬻 。 居_0 02 一… 0 002 0 ¨ 0 圳 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1O0 0 o4 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1O0 时间/ms AC4 0016 …~一 . 时间/ms J “I。山 J . ……. . 髫。叭 0 012 … … ' -r … … 一~…” 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1O0 譬0 O1 0 008 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1O0 时间/ms 时间/ms 图7典型的时域信号 Fig.7 Typical time signal 频谱图:AC1 Peak#1 2 3 4 Hz Y 15O 0 079 7 178 0 102 210 0.123 245 0470 频谱图:AC3 0 I Peak#l 2 3 4 5 6 7 Hz lO0 203 250 275 303 310 344 Y O 0.076 2 0 091 4 0.08 3 0 08 2 0 097 9 0 074 1 0 083 6 ; 15 6 7 8 9 10 251 254 298 456 459 469 0 148 0 134 O 165 0 103 O 103 0.138 8 373 404 406 i ;0087 8 0 089 8 0 076 9 趔 5 2 , 辑 4 臻 0 9 0 0 i !甜 ! ;, - , 一^ 0 3 O 一O 55 JlL砒 l 鹾 蕴 L上.I■ lJL ^-^ 一^ 蕊 1l O 】 1 000 244 433 622 81l 1 000 55 244 433 622 811 频率/Hz 频率/Hz 频谱图:ACA 频谱图:AC2 Peak#1 2 Hz Y 100 0 079 2 191 248 250 323 373 380 0 126 0 071 8 0 123 0 109 0 859 0148 O 3 0 Peak#1 Hz Y 15O 0 200 2 3 4 5 6 7 8 9 2 3 4 5 l88 0,036 7 250 0 244 28l ( 035 7 350( 046 2 6 7 8 9 l0 ; l I j 373 0 103 450 0085 O 620 0 041 3 750 0 060 6 850 0 049 3 ; 388 0 184 481 0076 7 l0 516 0 083 9 l ! 染 6 ●婵 l i iO 8 。‘‘● 。 0 9 1 9;10 上 0 5 …. 11 I— hLJI・‘u . l0 u— 811 1 0oo O 函 .. 244 433 622 81l 1 ON) 55 244 433 622 频率/Hz 频率/Hz 图8典型的频率分析 Fig.8 Analysis of typical frequency 754 表1信号频率(Hz)计算值 Table 1 Computing value of signal frequency(Hz) 通道 AC1 AC2 AC3 AC4 一阶 15O lOO lOO 15O 二阶 l78 l9l 203 l88 三阶 2lO 248 250 25O 四阶 245 250 275 281 五阶 251 323 303 35O 六阶 254 373 3l0 373 七阶 298 380 344 450 八阶 456 388 373 620 九阶 459 481 4O4 750 十阶 469 5l6 406 85O 5 结论 通过松脱部件监测系统安装在压力容器底 部加速度测量通道采集的加速度信号进行分 析,得出: 1.通过松脱部件监测系统声音监听设备 监听到的“哒哒哒”声是碰磨信号,不是典型的 脱落件引起的碰撞信号,撞击声是堆内中子通 量测量系统指套管在管道路径上碰磨引起,且 信号辐值较低; 2.通过对采集到的加速度信号分析得出 因流致振动导致的指套管与导向管、仪表测量 管碰磨信号主要频率介于1O0~1 000 Hz之 间,这类碰磨信号不能通过经过了滤波的松脱 部件监测系统进行有效监测; 3.指套管碰磨信号能通过未经滤波的松 脱部件监测系统声音监听设备进行实时监听; 4.监测到的指套管碰磨信号对其他装有 RIC系统的压水堆核电站,对于分析是否是松 脱部件有一定的借鉴意义; 5.可利用现有的松脱部件监测系统安装 于压力容器底部加速度测量通道,并增加部 分测量通道开展堆内中子通量测量系统指套 管磨损的在线监测技术,并开展指套管的磨 损研究。 参考文献: [1]刘才学,汪成元,郑武元,等.核电站松脱部件监测系统 研制EJ].核动力工程,2010,31(1):97一lO1. 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