核电厂松动部件监测系统信号过载分析

王季能

【摘 要】为松动部件监测系统在核电站运行期间监测回路中是否有松动部件，预防和减少松动部件的存在给设备带来的危害。而在设备和系统国产化过程中，因相关技术人员对技术标准的理解和采用的不同，其设计和制造的设备在调试期间出现故障现象，本文对出现的故障现象进行分析和对其原因进行探讨。

【关键词】松动部件；信号过载；核电厂

0 引言

松动部件监测系统在探测一回路内存在松动部件，减轻松动部件对设备和安全屏障的危害方面有重要意义。而系统功能的实现是建立在系统功能完整，运行正常的基础之上。对国产化设备在调试过程中发生的故障现象进行分析和讨论，积累相关经验是技术人员的重要工作内容。

1 信号过载的危害

信号过载的最直接的后果是对系统本身带来冲击，但最严重的后果是探测到的阵发波信号信息的缺省。对于一个阵发波，其波幅到达测量限值后将被削平，通过系统内的模块转化和处理后，无法再呈现出其波形中因松动部件撞击引起的上升和衰减等过程特征。不利于技术人员将它与电气故障，环境因素等引起的波形区分，更是不利于及时辨别和区分是否存在松动部件，损害了其设置用来监测松动部件的本意。监督部门如果对此有异议，将很难从技术上给出让人信服的解释。

2 信号过载现象的发现

在某核电厂松动部件监测系统调试期间，发现系统闪发和记录了包括“信号过载”在内的多种故障和事件，这些现象的发生除与此阶段内核岛里的施工环境有关外，系统本身的性能参数和工作原理是其本质原因。

从2009.8.26至11.18日期间发生信号过载统计结果来看，其发生的次数很多（统计到153次）。此统计还未记录到本阶段中因施工原因将测量通道解开期间的情况，如考虑全部过程，其发生的次数将会更多。为辨别系统记录“信号过载”现象是否是对检测对象的客观反应，技术人员在其频发期间加强对系统的监视，并实时观察到一次信号过载的发生过程。技术人员对观察到的现象描述如下：其11月份在机柜前一次蹲点监视时，听到扬声器发出大的碰撞声，系统监测界面上显示的阵发波波幅已超出显示的上限。进而查看事件记录，看到系统在此次时刻如实的记下此事件和“信号过载”项。此次观察证明调试期间出现的“信号过载”不是系统的误记录，而是客观存在的。

查阅相关出厂试验报告，了解到在厂方进行松动部件模拟试验期间也曾出现过信号过载现象。但厂方技术人员认为是系统本身的特性（测量能力小于等于100g）决定了对某些输入的响应。这从侧面亦证实了大于系统测量范围的撞击是能客观存在的。从某核电的主泵叶轮裂开落下的松动部件撞击引发的多个测量通道信号饱和（过载），以及按国标中要求的松动部件参数，作撞击波幅值的工程估算，也能得出信号（加速度）能大于100g的结论。

2015年3月份在北方某核电厂1号机的松动部件监测系统中的一个监测模块的3个通道连续依次发生故障灯闪亮的情况，具体现象为：通道的状态显示灯在正常时为绿色，但在出现同一模块的三个通道隔一段时间依次闪变出黄色后恢复的现象，现场通过监听通道可排除有松动部件撞击。大修期间更换三个通道的电荷转换器后，监测通道恢复正常。

3 信号过载原因分析

国产松动部件监测系统的参数与原参考系统以及ASME标准的比较。

经对参考电站的松动部件监测系统的技术参数进行查阅和了解，发现其松动部件监视部分使用13个加速度测量通道（其中每个SG各3个；压力容器底部3个，顶部1个），但其加速度测量的范围达到1000g。

ASME OM-S/G-2007的12章的4.3.1 signal conditioner.章节中提到对测量范围的要求为：（d）dynamic range：signal level equivalent to at least 100g peak in the least-sensitive range.但同时，其对U型传热管的蒸汽发生器类型的压水堆的测量通道要求为18个。这在ASME OM-S/G-2007的12章的4.2.4 Accelerometer Locations-PWR. 章节中的描述，以及表格：Table 1 Recommended PWR Accelerometer Location 可看出使用在国产化的松动部件监测系统的设计的是两个参考项总合。如参考电站的系统，虽然只设13个通道，但从技术参数上来看，其测量的能力很强（1000g），从而能覆盖更广范围。又如ASME的标准，虽然其测量能力是100g，但其在可能发生松动部件的区域布置的通道更密集，也就是说，即使强冲击区有通道信号过载，其临近的通道亦能收到完整的信号，保证了测量范围的全面性。

4 系统设计的技术参数的风险

使用13通道且100g测量能力的方案有如下可能风险：

因压力容器顶盖只有一个测量通道，底部的三个通道安装在伸出压力容器的指套管上。当吊篮内存在松动部件撞击，当松动部件的质量大到能引起信号过载时，阵发波经过压力容器壁的衰减，再从压力容器壁传播到与其垂直连接的指套管上的加速度测量通道，其信号极有可被背景噪音掩盖。一个典型的阵发波的信息如图1所示，它包括上升沿、衰减和固定的特征频率等信息。而此时，仅从一个被削平的波形信息中辨别是松动部件还是电气异常，还是环境噪音，还是逆止阀动作或是其他功能部件动作，为相关部门提供计策依据，是风险极大的。

实际的运行过程中不能冀望于所有的松动部件，其产生的过程都遵循已知的：松动——脱落——传送到固定区域的固定过程，或者说，其全部过程的信息都能被恰当收集。对于不可预料的事件，遵循最保守的技术手段应是基本要求。从详细记录的过载清单也可看出，属于同一区域的通道很少能保持所接受到信号强度的一致，即曾在有同一事件段内一个通道过载，另外的通道收集到的信息会明显减弱。这样来看，将体积庞大的压力容器分为一个区域的做法是不恰当的。

因本系统的设计为收集松动部件理论上最终停留几率大的区域的信息。而当同一区域的通道有过载时，技术人员要从这些近似阶变的信号中辨别是松动部件、电气故障、逆止阀动作等有一定难度，延误对真实松动部件的决策时间，扩大事件后果（松动部件撞碎或是后续再此撞击能提供更丰富辨别的信息）。

从综上分析来看，系统要满足国标GB/T 11807-2008 /IEC 60988：1990中提到的。

能够监测松脱部件以0.7J的动能撞击反应堆冷却剂压力边界内表面，撞击点离开传感器的距离小于1m，探测的质量范围大约为0.1kg-15kg的基本要求，将会有争议。原型未使用10kg以上的大质量松动模拟物进行试验，也没有在近似一回路高流速中环境中试验，其用小质量的模拟物，已曾引发信号过载。

5 结论

根据上述分析，为完善系统的功能，建议从如下两方面考虑：

1）增加通道测量量程（或使用有两种量程的电荷转换器）

对于分布在蒸汽发生器上的通道，可考虑直接在原硬件配置上扩大量程。这样将从根本上解决信号过载问题，同时也能更全面的覆盖可能存在的松动部件所触发的阵发波振幅范围。但该方案要充分综合对系统分析精度的影响。

2）按ASME标准建议增加通道

对于分布在压力容器上的通道，因与松动部件监测部分共用通道的振动监测功能需要的是精度较高的振动信号，且其振幅一般很低，再扩大量程将会面临测量精度低到不可接受的问题。故可考虑按ASME标准的建议，增加测量通道，以扩大测量区域范围来弥补单个通道量程有局限的特点。经查看压力容器的设计图纸，其顶盖上设计有4处可安装探头的位置，目前还剩有3个位置可以使用。

【参考文献】

[1]ASME OM-S/G-2007[S].

[2]GB/T 11807-2008[S].

[3]IEC 60988：1990[S].

[责任编辑：邓丽丽]