橋架傾斜儀探頭失效分析及改造

張 泰，周建平，靳瀚博

（中核核電運行管理有限公司，浙江嘉興 314300）

0 引言

秦山第三核電廠從加拿大引進的70 萬級重水堆機組，具有不停堆換料的特點，實現該功能的核心部件為裝卸料機。通過Y 方向運動，橋架系統將裝卸料機定位到不同高度的反應堆通道上完成換料操作。橋架位于不可達區域，其正常工作的條件之一是不能傾斜，因此在橋架上安裝了一個傾斜探頭來監測其水平狀態。經統計，單臺機組每年因探頭輸出信號漂移引起的維修工作超過10 次。探頭的測量傾角范圍為±2°，對應輸出電壓±2.0 VDC。輸出電壓通過主控室中的信號調整單元進行處理計算，達到設定值即報警，進而中斷橋架的運行。橋架在完成水平測量調整后，探頭的輸出信號被設置為0 V。傾斜報警設定值為高報0.160 V，低報-0.160 V，報警值可通過信號調整單元進行調整。為保證橋架傾斜監測的可靠性，另有一套軸編碼器系統也可用于監測橋架水平，兩套系統互為冗余。

1 故障分析

1.1 故障現象

6 月18 日上午，換料操縱員在進行日常巡檢時發現A 側傾斜儀探頭的讀數達到0.197 V，聯系維修人員臨時修改了高報設定點，當日換料未再出現橋架傾斜報警，當天停役系統時發現A 側橋架傾斜儀探頭讀數為0.189 V。次日下午A 側橋架在換料期間再次發生橋架傾斜報警，檢查發現A 側橋架傾斜儀探頭讀數達到了+0.241 V。維修人員再次臨時修改了高報設定點，后三天未再出現傾斜報警，維修人員將高報設定點恢復，但1 周之后再次出現報警。

1.2 故障分析

自電站調試起，傾斜儀探頭在橋架靜止的工況下輸出信號漂移現象主要分為兩類：一是輸出信號在一段時間內存在往返漂移，每天的漂移量在0.010 V 左右，最大時輸出信號漂移到0.1 V；二是輸出信號在短時間內（約1 h）快速突變后恢復正常。考慮到探頭工作在高輻射區域內，最初分析認為是由于長期輻照使探頭性能老化而引起輸出信號緩慢漂移，國外同行及生產廠家在相關交流中也提出過類似觀點。但兩臺機組出現過多個探頭在運行期間漂移，停堆后不漂移，起堆后再漂移的情況，說明長期輻照不是信號漂移的原因。

6 月18 日上午出現的情況與以往缺陷不同。該側設備在故障發生前已停運兩天，期間設備無任何動作，漂移量應該不會太大。但實際上探頭的輸出信號在本身系統未動作的情況下兩天內漂移了0.170 V。因此猜測傾斜儀探頭讀數的漂移，是由其所在外部條件的改變而引起。19 日發生的故障也存在疑問，在早上的日常巡檢中其讀數為0 V，在換料期間突然快速漂移到0.214 V，而當天除換料以外，橋架系統之前一直未動作過。通過查詢運行日志發現，18 日當天有多次風機切換操作。在端面風機進行切換操作后的較短時間內，傾斜儀探頭的輸出信號出現了大幅度的漂移情況。傾斜儀探頭輸出信號漂移與風機的切換操作符合時間上的邏輯關系，存在因果的可能性較大。探頭所在區域有4 臺風機，其所在位置正對有一臺風機。考慮到風機對探頭環境溫度的影響，懷疑探頭存在溫漂。

由于機組運行期間，反應堆端面的溫度并不是平均分布的。為進一步驗證猜想，將橋架上升到不同位置并停留1 h，測量探頭的輸出電壓及其環境溫度。16 個通道中有6 個出現輸出漂移現象，且環境溫度均高于45 ℃。在整個換料過程中，探頭隨橋架上下運動的時間約在10 min 以內，而停留在所換料通道的時間約為60 min。由于上升和下降時間較短，傾斜儀探頭本體的溫度改變不大；而當橋架到達指定通道后，環境溫度有足夠的時間來改變探頭的環境溫度。

2 故障點確認

該傾斜儀探頭在電站設計階段就存在，但探頭的生產廠家并未提供該探頭關于溫漂的測試報告。為了確認新探頭是否存在溫漂，將兩個全新的傾斜儀探頭送至蘇州熱工所進行不同溫度下信號漂移測試，結果如圖1 所示。由圖1 可知，當溫度從15 ℃上升至40 ℃時，兩個傾斜儀探頭的輸出信號最大漂移量分別達到0.15 V 和0.16 V；而當溫度達到60 ℃時，兩個傾斜儀探頭的輸出信號最大漂移量分別達到0.15 V 和0.9V。測試結果表明，現有型號的探頭輸出信號確實受溫度的影響。由于兩個探頭的輸出漂移量、變化趨勢均不一致，考慮不同探頭的性能存在差異的可能。

圖1 傾斜儀探頭輸出信號在不同溫度下的漂移測試

3 國外經驗

根據對國外電廠信息的咨詢結果確認，秦山核電三廠兩臺機組使用的傾斜儀探頭與Pickering 電站使用的探頭型號相同，后者在2000—2002 年期間安裝了傾斜儀設備，在運行過程中也存在信號漂移問題，在2006 年發現與秦山核電三廠兩臺機組類似的信號漂移問題，由于無法解決該問題，在2010 年變更拆除了傾斜儀回路。在與Pickering 電站對該問題進行交流時，對方得出的結論是輻照累積可能導致傾斜儀探頭的輸出信號漂移。AECL 與廠家經過分析給出的結論也基本與Pickering 電站的結論一致，而對溫度是否可能對輸出產生影響未有明確的論證。但根據前文的分析，實際上輻照累積并不對探頭功能造成影響。

4 解決方案及實施

4.1 探頭換型的可行性

根據分析結論，可以確定的是環境溫度變化是探頭輸出信號失效的主要誘因，而故障原因是探頭的溫漂問題。在無法消除環境溫度變化這個誘因的情況下，只能考慮更換傾斜儀探頭的型號。

通過AECL了解到加拿大Pt.Lepreau 電站、Wolsong 電站2 號、3 號、4 號機組和羅馬尼亞Cernavoda 電站使用的是由Honeywell供貨的設備，到目前為止沒有設備故障報告。AECL 針對傾斜儀探頭輸出漂移的建議是更換由Honeywell 提供的探頭。但由于Honeywell 供貨的探頭受出口限制，只能選擇其他廠家的探頭。根據換型可行性調研結果，確認國內有北京興華機械廠可以制造相似功能的產品。進一步溝通確認該廠也有供貨意向，且其價格優勢明顯（包括研發成本在內，單臺價格僅為原型號產品的10%），基于此，確認裝卸料橋架傾斜儀探頭具備嘗試進行國產替代的必要。根據對方提供的產品技術規格書發現，與原型號探頭相比較：功能接口與原探頭相同，完全可互換；安裝接口及接線不做任何改變，與原探頭完全相容；供電電壓，信號范圍，精度指標等均相同，完全相容。考慮到傾斜儀探頭工作在高輻射環境中，結合舊型號探頭失效原因（溫漂），根據核電廠保守決策的原則，需要將廠家已經測試好的探頭進行額外的測試。

4.2 輻照性能測試

由于對部件進行輻照試驗價格成本昂貴，即使可以進行輻照試驗，輻照試驗的劑量和劑量率也無法與現場實際工況完全吻合。基于此，決定將已完成制造和測試的探頭安裝到現場進行現場離線輻射試驗確認。為了找到符合現場工況的劑量率，領取兩個電子劑量計，分別安裝在裝卸料機推桿的尾部和滑車的頂部。在通道換料期間進行現場劑量率的測量。當次換料，裝卸料機在堆時間80 min，乏燃料在裝卸料機的時間65 min。推桿尾部的電子劑量計累積達到1.57 Sv，滑車上的電子劑量計由于滑車不銹鋼的屏蔽僅有0.3 Sv 的累積劑量。因此，決定將用于測試的新探頭放在劑量較高的推桿尾部進行2 個月的輻照測試。

經過輻照測試后的兩個探頭送回廠家進行功能測試，確認復測結果與輻照前的測試結果沒有明顯差別，且均滿足技術規格書對參數的性能要求。探頭在送往廠家進行功能檢測時，重點關注了探頭的溫漂性能。考慮到原探頭所處的工作溫度在50 ℃左右，要求廠方在50 ℃的環境下測量，每小時記錄一次輸出電壓，持續24 h。對于現場工作溫度存在變化的問題，在測試中也進行了考慮，檢驗方法如下：探頭置于40 ℃的環境下，每3 min升溫1 ℃，升溫至60 ℃；達到60 ℃后每3 min 溫度下降1 ℃，降溫至40 ℃，記錄每個溫度下的輸出電壓。驗證結果顯示：經過2 個月輻照的探頭在不同的溫度變化環境下，輸出信號很穩定，最大漂移量0.002 V，溫漂很小。根據測試結果，確定新型號的探頭輸出穩定性很高。為進一步確認新型號的探頭能否適用于現場復雜的工作環境，決定在1 號機組大修期間將新型號探頭安裝到系統中進行檢驗。

5 現場安裝測試

2015 年5 月，在OT108 大修中，1 號機組A/C 兩側橋架傾斜儀探頭均更換為國產探頭。整個運行周期內，未再出現傾斜儀探頭輸出信號漂移的現象。由于1 號機組更換的新型號探頭在整個周期內均未出現輸出信號漂移的問題，決定在OT208 大修期間將2 號機組C 兩側的傾斜儀探頭更換為新型號探頭。目前2 號機組新型號探頭已服役近3 個月，期間未發生輸出信號漂移的問題。

6 總結

本文針對傾斜儀探頭輸出信號頻繁漂移問題，通過長期、大量的試驗，找出了溫度是影響傾斜儀探頭輸出信號頻繁漂移的原因，經過深入分析后確認原探頭存在嚴重的溫漂現象。根據電站自身情況，通過大量的試驗找到了功能更加穩定的替代產品并應用于現場，成功解決了關鍵設備的難題。