海洋條件對一回路松脫部件監測系統的影響分析

鞠燕娜，葉 亮，韓萬富，劉青松，李權彰，馮 勇，張 超

(中廣核研究院有限公司，廣東 深圳 518005)

0 引言

隨著我國海洋強國戰略的實施，國家大力發展海洋經濟，海洋資源開發需要強有力的能源支撐。核能既能夠為船舶遠洋航行作業提供環保動力，又能廣泛應用于海水淡化、供熱、供電等領域，被認為是理想的海上能源供給方式。

海洋核能源通常通過船舶或平臺搭載核動力裝置實現，目前國際在運、國內在研海洋運行核動力裝置主要采用小型壓水反應堆[1]。為保障反應堆安全、避免一回路松脫件對反應堆一回路各設備部件造成損傷，在運行過程中，需要通過松脫件監測系統進行實時監測。

1 系統介紹

松脫部件監測系統的功能是探測與定位反應堆正常運行工況下一回路系統冷卻劑的松脫部件。具體原理為，布置在主設備冷卻劑壓力邊界外壁面的加速度傳感器測量到松脫部件撞擊器壁產生的高頻振動信號，產生與振動加速度成比例的電荷信號，并通過電荷轉換器轉換成電壓信號。電壓信號通過安裝在機柜中的信號調理器進行調理和放大。系統機柜通過特定算法對采樣數據進行處理，以尋找表征金屬表面撞擊的數據特性。當在一個通道探測到一次金屬撞擊時，所有通道的數據寫入壓縮文件，存儲到系統硬盤。當撞擊事件超過報警閾值時，系統報警。

國內現役核電站的松脫部件監測系統大多從國外進口。例如，秦山核電一期為美國西屋供貨，秦山核電二期核電廠、大亞灣和嶺澳核電站為法國供貨,田灣核電廠為俄羅斯供貨[2]。當前，國內相關單位也正在開展常規陸上核電站松脫部件監測系統的開發與應用，尚未針對海洋運行環境進行適應性研究。

2 海洋運行環境特征

海洋環境使用的設備，需要考慮海洋條件帶來的氣候環境和機械環境的共同影響，當前國家已經制定了相應的標準法規。根據GB/T 14092.4機械產品環境條件的要求[3]，海洋氣候環境主要包括低溫、高溫、空氣壓力、濕度、風、凝露、結霜等。機械振動環境主要包括穩態振動、非穩態振動引起的沖擊、傾斜、搖擺、繞軸回轉、恒加速度等。

針對海上核動力裝置，國家核安全局也印發了浮動核動力裝置在海上作業海域外部事件確定功能設計基準的要求[4]。其詳細說明了包括波浪、風、風浪流組合、極端水溫、極端氣溫、海生物、海冰、極端雪、海嘯、龍卷風等外部自然事件，以及包括船舶碰撞、飛機墜毀、爆炸、油污、火災、危險化學品釋放等外部人為事件。

3 系統設計要求與設計難點

根據海洋核動力裝置特點及海洋運行條件要求，一回路松脫部件監測系統的設計主要受到海洋機械振動環境以及外部人為事件(如船舶碰撞)的影響。為確保系統可以按功能要求承受所有作業工況、自存工況和極限工況下的動、靜載荷，對松脫部件監測系統設計提出了更高的要求，也為系統設計帶來一系列難題。

①本底噪聲復雜。海洋條件下運行的核動力裝置的本底噪聲主要為兩類噪聲疊加:一類為反應堆運行時主泵、汽輪機、螺旋槳等旋轉機械設備產生的強背景噪聲，為多種成分組成的非平穩非線性信號；另一類為海洋環境噪聲信號，是普遍的寬帶隨機信號，不同頻段、不同海域環境噪聲差異很大。兩類噪聲的疊加使本底噪聲信號強烈[5]。在松脫部件實時監測過程中，強噪聲信號可能淹沒小質量松脫部件跌落所產生的沖擊信號，造成沖擊信號提取困難，影響松脫部件定位及質量估計，甚至導致系統發生誤報或者漏報。

②探測靈敏度要求高。根據國內松脫部件監測相關規范要求，系統應能監測到松脫零件以0.7 J的動能撞擊反應堆冷卻劑壓力邊界內表面，撞擊點距離傳感器小于1 m，探測質量范圍約為0.1～15 kg[6-7]。海洋核動力裝置整體尺寸較小，一回路內部易松脫零部件質量普遍較小，系統對可探測質量精度提出更高要求。

③前端儀表性能要求高。海洋核動力裝置反應堆壓力容器壁厚較小、設備間距近，布置于容器外壁面的傳感器及反應堆艙內電荷轉換器位置處的中子注量和γ輻照劑量均可能超過傳統陸上核電站。因此，對前端傳感器、電荷轉換器等儀表的耐輻照要求更高，前端儀表選型困難。

④反應堆結構變化帶來聲傳播路徑變化。根據規范要求，測點布置應具備由內部結構向壓力邊界傳播的有利條件，通常布置在脫落部件聚集區域及松動部件可由內部結構向壓力邊界傳播處。海洋環境壓水堆核動力裝置反應堆結構多為一體化或緊湊式布置，新的內部結構影響沖擊信號的傳播路徑，為傳感器測點布置設計帶來新的挑戰。

⑤測點位置可達性差，影響設備維修更換。緊湊或一體化布置的反應堆結構空間狹小，屏蔽結構設計復雜，部分測點位置人員不可達，造成傳感器后期維修、更換、校準困難。

⑥報警分析困難。在常規陸上核電站，誤報警是困擾松脫部件監測的一個重要問題。頻繁誤報警導致監測結果可靠性降低，干擾運行人員的判斷，導致監測系統不能發揮作用。因此，提高報警的準確性仍然是國內外系統監測研究亟待解決的問題[8]。實際運行時，在監測系統出現報警信號后，往往需要結合專家分析和附加現場試驗，才能最終確定撞擊事件[9-11]。海洋環境下，誤報警問題仍然存在。松脫事件報警可能出現在航行工況和作業點工況下。此時遠離岸邊，專家分析無法快速響應，現場運行人員技術能力和經驗有限，影響撞擊事件的判斷，容易造成不必要的停堆或安全隱患。

⑦海洋機械環境適應性待驗證。新堆型陸上核電站松脫部件監測系統投運前，樣機需開展功能試驗與鑒定試驗，驗證系統監測功能有效性與運行可靠性。功能試驗通常采用不同質量規格的小鋼球模擬反應堆內可能出現的松脫部件[5]，撞擊平面鋼板和鋼制容器分析沖擊信號。鑒定試驗則依據系統所處環境開展電磁兼容、高低溫、濕熱交變、振動等試驗。海洋核動力裝置反應堆松脫部件監測系統受到海洋機械環境帶來的振動、傾斜、搖擺、蕩、船體撞擊等事件影響，其功能有效性、環境適應性尚無相關試驗驗證。

4 解決方案建議

針對海洋核動力裝置一回路松脫部件監測系統的特殊性，本文從設計角度提出以下解決建議。

①針對復雜的海洋環境引起的本底噪聲，裝置本身應采取合理的消除或降低噪聲措施。例如:提高反應堆的自然循環能力，低速工況下主泵不需要運行，可消除運行噪聲；采用全電力推進，取消齒輪減速器，消除齒輪減速器產生的噪聲；改進螺旋槳設計以提高其加工精度，或者采用新型推進器以減小推進器的運行噪聲。

②系統設計應針對復雜的本底噪聲開發適應性抗噪方案。加強海洋環境下背景噪聲抑制，有效保留沖擊信號是抗噪算法研究的主要目標。目前，小波閾值去噪的方法被證明能夠有效實現信號分離。基于小波能量譜的松脫部件碰撞質量估計算法有較好的試驗測試效果[10-11]，具有較高的工程實際應用價值。

③優化報警算法提高報警準確性。目前，大多數松脫部件監測系統采用的報警機制如下。對松脫信號的均方根(root mean square,RMS)值進行幅度甄別，超過甄別閾值的即作為“事件”信號而被記錄。當累計超過預定值時，給出報警信號。事實證明，由于傳感器運行環境聲源的復雜與豐富性，它的抗誤報警能力是有限的。尤其對海洋船艦運行的核動力船艦而言，環境的干擾更易出現誤報警情況。對此，可采取細網格劃分、波形甄別、可調閾值設計、提高信號信噪比等方法降低誤報警概率。

④提高探測器的耐輻照性能，延長使用壽命。海洋運行核動力裝置反應堆艙內部由于設備緊湊型布置，各設備距離堆芯近，對傳感器及電荷放大器的耐輻照指標要求提高。對此，應選用使用壽命長，耐輻照劑量指標高的一次儀表設備，電荷轉換器封裝盒需要進行屏蔽設計。

⑤靈活設計測點布置方案。反應堆壓力容器底封頭處為脫落部件的普遍聚集區，應設置足夠的測點數量，布置范圍應覆蓋監測系統最小的探測靈敏度要求。同時，通常在蒸汽發生器一次側入口處也應設置測點，用于監測是否會有松脫部件進入傳熱管束內。建議其他連接結構處易松脫件進行沖擊振動傳遞路徑模擬，找到壓力邊界容器壁衰減最短路徑，優化測點布置設計。

⑥充分考慮維修可達性。前期在進行系統設計時，應充分結合監測需求與結構可達性，優化部分傳感器測點位置；同時，應做好開發完成狹小空間下不可達位置的儀表檢修與更換作業專用智能設備的準備。

⑦優化系統結構，縮減占用空間。電氣艙內同樣空間狹小，在開展機柜硬件設計時，應盡可能考慮硬件的模塊化和集成化，減少機柜的數量、縮小占地空間和高度。為適應海洋搖擺應用環境，機柜內部構件應設計可靠的固定和防松結構，機柜與電器艙地板的連接方式需要考慮承受船體發生惡劣海況的劇烈傾斜及事故沖擊。

⑧充分驗證，保證系統可靠性。為滿足海洋運行要求，松脫部件監測系統硬件系統可根據《電氣電子產品型式認可試驗指南》，設計一系列型式認可試驗[11]。除了常規電站松脫部件監測系統需完成的高溫、低溫、濕熱交變、電磁兼容等試驗外，還應設置結合實際船艦運行情況的傾斜和搖擺試驗、抗沖擊試驗等。

5 結論

較陸地壓水堆核電廠，海洋環境運行的一回路松脫部件監測系統本底噪聲復雜，存在搖擺、傾斜、撞船沖擊等惡劣運行工況，裝置本身尺寸小、結構緊湊，因此對系統的探測靈敏度、儀表耐輻照性能、系統運行可靠性等方面提出更高要求。本文結合不同設計方案，提出需重點研究因功能需求變更帶來的諸多問題。如:消除海洋環境運行本底噪聲的抗噪方案，降低不穩定運行環境帶來的誤報警率，提高小質量松脫部件探測能力，探索更加精確的松脫件定位算法，優化測點布置方案，同時需關注前端儀表維修更換可行性，開展狹小空間下拆裝維修作業智能設備的研究。在試驗驗證方面，最大限度模擬高溫高壓回路運行環境開展系統功能試驗驗證，同時應增加《電氣電子產品型式認可試驗指南》中要求的傾斜搖擺、沖擊等型式認可試驗，驗證系統在海洋環境下運行的可靠性。