基于CPR1000+核电机组的异物查找及控制方法的分析

王志明，李西安，王江洪，翟巴菁，王　磊，王昭强，白　旋，徐教珅，周亮亮

（中广核工程有限公司，广东 深圳 518124）

基于CPR1000+核电机组的异物查找及控制方法的分析

王志明，李西安，王江洪，翟巴菁，王磊，王昭强，白旋，徐教珅，周亮亮

（中广核工程有限公司，广东 深圳 518124）

某CPR1000+型核电机组在执行试验期间，KIR（松动部件和振动监测系统）出现报警，经分析认为一回路存在异物，为保证机组安全，机组停运下行，历时4个月完成异物查找及设备修复。文章着眼于一回路及其辅助管线、设备的结构特征，提出较为全面的异物查找分析方法和预防措施，确保整个系统内部完整地实现异物查找及清除，促使机组重新启动。

CPR1000+；核电机组；异物查找

CPR1000+型压水堆机组的核岛部分由一回路主系统、专设安全设施、核辅助系统及三废处理系统组成［1］。机组处于运行状态时，一回路主系统的反应堆产生热量，主泵通过循环冷却方式，将一回路热量通过蒸汽发生器传递至二回路，稳压器用于热量传递过程中一回路压力及温度的保持［2］。

CPR1000+型压水堆核岛系统运行时，如果核岛系统内存在异物，异物会向核岛一回路聚集，并且与反应堆设备发生碰撞，导致设备故障或损坏，对一回路保护层及结构造成破坏［3］。某核电厂机组试验时，KIR系统出现报警且异物现象明显，为保证设备安全对试验进行中止。文章结合机组试验停止后核岛系统异物处理的过程，对CPR1000+型核电机组异物查找及控制方法进行了细致的讨论和研究。

1　事故机组的基本试验情况及KIR报警问题

某核电机组在执行热态功能试验（简称热试，热试是核蒸汽供应系统首次在无核燃料装载的情况下，升温升压至热停平台，随后又降温降压过程中进行各项试验的总和，并在各个压力温度平台上对NSSS及其辅助系统的有关设备和系统功能进行全范围验证，以确定机组能够按照设计要求运行）期间，热停堆平台3台主泵运行，KIR系统在反应堆压力容器和3个蒸汽发生器上的加速度传感器出现多次报警。KIR系统显示一回路多点出现异物，经现场听音检查确认，异物存在于系统流质中。为了保证整个机组的安全，试验中止，机组下行。

2　异物检查的方式及范围

机组停运下行后，结合一回路设备及辅助管线的投运情况，为确保异物被完全拦截收集，采取了排水拦截的方式进行异物收集，并根据实际情况确定了异物查找方案。

2.1排水方式及异物拦截方案

异物在一回路随流质转移，存在于一回路及辅助管线的各个位置，为保证排水期间异物查找全面，采用滤网过滤排水方式。例如，一回路初始排水通过下泄管线排水，使用RCV001FI对异物进行过滤；对于无正式过滤器部位的排水，采用临时滤网，如U形管段以及RRA系统的内部残水。

2.2异物检查范围及步骤

基于KIR系统报警的发出位置及频率，采取三阶段进行查找：

第一阶段为出现报警较多的位置，较容易检查的一回路主管道。例如蒸汽发生器一次侧水室，热管段及过渡段。

第二阶段为报警出现频率较少的一回路，难于检查的压力容器。例如压力容器，上、下部堆内构件，冷管段及稳压器等。

第三阶段为与一回路相连的辅助系统管线及设备。

针对堆芯设备及压力容器部分，由于其内部结构复杂，主要有压力容器顶盖，CRDM组件，上部堆内构件，下部堆内构件及RIC导向管等。这些堆芯结构间隙较小，流道变化大，是异物检查的重点部位。

3　异物查找结果及分析

3.1第一阶段、第二阶段异物排查结果

异物排查第一阶段、第二阶段完成主回路相关3个蒸汽发生器冷侧、热侧水室，主管道冷段、热段、过渡段，反应堆压力容器顶盖，上部堆内构件，下部堆内构件，反应堆压力容器底部，稳压器等设备的检查。本阶段检查共发现体积较大的异物7个：2个来自SG3热侧水室，3个来自SG1热侧水室，2个来自上部堆内构件控制棒导向筒，同时也发现一系列体积较小的金属碎片，典型异物照片见图1。

3.2第三阶段异物排查结果

异物排查第三阶段，主要完成了一回路相连的辅助系统管线及设备检查，包括卸压箱、压力容器底部RIC管道、RCV过滤器及换热器、与一回路相连接管线的逆止阀等。此阶段发现的异物比较细小，多为金属碎屑或碎片，质量也较小。

图1　异物排查样品图Fig.1　Sample of foreign matter inspection

3.3异物排查结果分析

通过各阶段查找的异物，对异物进行汇总称重，并结合异物发现的位置，将存在于一回路相关管线的异物进行统计（见图2、图3）。

图2　一回路相关设备异物分布概率柱状图（按重量分布）Fig.2　The probability histogram of foreign matter distribution inside the primary loop related equipment (by weight)

图3　一回路相关设备异物分布概率柱状图（按数量分布）Fig.3　The probability histogram of foreign matter distribution inside the primary loop related equipment (by quantity)

从图2、图3中可以发现，一回路存在异物及破损后的碎片主要集中在SG1、SG3热侧水室及结构较为复杂的上部堆内构件中，此部位的异物体积和质量都较大，其他区域为细小的金属碎片或碎屑；从数量上看，上部堆内构件异物数量最多，由于其结构复杂，缝隙及死角较多，异物在一回路循环过程中形成汇集，并卡在上部堆内构件的缝隙或流质死角区域里；另外，堆腔底部区域及SG冷侧水室由于流质涡流的原因，易形成细小异物的汇集。同时，细小的金属碎片或碎屑会随着下泄等管线向辅助系统扩散，从收集的异物分布可以得到证实。

3.4异物来源分析

整个过程收集到的异物，基本分为三种：第一种，体积较大，有较规则的几何形状金属，质量也较大；第二种，体积较小的金属碎屑或碎片；第三种为非金属的碎屑。

针对第一种体积较大异物，可采用金相分析、光谱分析及形状比对等方式对其来源进行分析。图1异物均属于第一种，经过金相分析，其材质与下部堆内构件小格架板的螺栓材质相同，因此可以确定该异物来自下部堆内构件小格架板的紧固螺栓。这些异物无法从外观判断是否为螺栓，原因在于这些螺栓从下部堆内构件脱落后，跟随一回路流质进入蒸汽发生器热管段，以约15 m/s的速度撞击蒸汽发生器下管板，同时由于其体积较大不能随流质流过换热管，被反弹后，再次对蒸汽发生器下管板形成撞击，此种撞击1分钟将进行几十次，直至螺栓形状不断发生变化。撞击后的SG水室的照片可参见图4。

图4　撞击后的SG水室Fig.4　The SG water chamber after impact

针对第二类金属碎屑类异物，属于金属残片，由于其体积较小，要找到其属于哪些设备脱落，也需要采用金相分析的方法。另外，由于螺栓碰撞会变形，对于其碰撞比较严重的部位同样进行金相分析，并将两种分析结果进行比对。结果证明，这些通体黑色或亮灰色的小金属碎片来自脱落的螺栓，如图5所示。

导致产生这种结果的原因有：脱落的螺栓不停地在蒸汽发生器水室内碰撞，猛烈的撞击造成金属表面变形并逐渐出现褶皱边，褶皱边发生疲劳断裂并逐渐与螺栓本体分离。异物撞击导致材料表面冷作硬化会影响材料的抗腐蚀性能，脱落的螺栓及金属褶皱片处高温高压的环境，并且流质中添加了LiOH及联氨用于化学钝化，在这样的液体环境中，螺栓及金属碎片的表层由于钝化的原因逐渐变为黑色。金属碎片脱落的时间有先后，故个别金属碎屑还呈现出亮灰色的特征。

针对第三种异物，数量很少，其材质基本上为非金属碎屑，为设备拆检过程中引入，比如排水水管内壁的残留物，排水过程中排水管下游的过滤网可将这些微小异物汇集。从这一点可以看出，异物查找过程中工器具本身的洁净程度必须予以考虑。

4　CPR1000+核电机组异物控制

综合以上分析可以看出，异物有来自系统内部的螺栓及螺栓锁紧帽，也有来自系统外部的金属条及非金属物质。螺帽、螺栓的设计制造质量，安装人员的技能及方法，现场的安装环境，安装工具是否合适等因素都有可能导致事件的发生。那么，可以从“人、机、料、法、环”等5个维度［4］对异物来源进行分析，如图6所示。

4.1人员管理方面

经过调查取证， 螺栓安装活动相关的施工人员经验不足，比如原安装技术员在下部堆内构件仪表柱安装前3个月离职，实际承担该机组堆内构件安装的另外的技术员没有相关工作经验，属于第一次参加该类活动。人员的素质和管理成为了此次事件诱因，可以用如下的方式进行提高。

1）针对培训管理：培训要制度化，工作授权需要经过培训取得，人员不经培训不得开展工作；另外还需要加强施工规章的教育、宣传力度，加强班前会、工前会自查。

2）针对疲劳作业：合理安排施工人员工作量和工作时间，确保现场人员状态良好。

3）针对质量意识：细化质量计划并设点检查，同时还需要组织人员不定期巡查。

4）关于经验反馈方面［5］：定期反馈学习并建立跟踪机制，对于重要操作及关键步骤，制订经验反馈跟踪单，并在实际工作中予以落实。

从以上4个维度进行改进，可以弥补人为导致的技能、经验上的欠缺及监管失控问题，并减小异物产生的风险。

图5　脱落螺栓边缘金相分析图Fig.5　The metallurgical analysis for the shedding screw edge

图6　异物引入的途径及方式Fig.6　Ways and approaches of introducing foreign matter

4.2设备方面

针对设备自身，检查了螺栓图纸与参考电厂的符合性，安装设计标准，螺栓、锁紧帽制造质量符合性验证，筒体与法兰焊接热处理验证及制造厂组装质量验证等，均未发现异常，此次事件设备本身导致的诱因排除。

4.3材料方面

经检查组件的预装、清洁和包装质量，焊接材料的性能，以及使用的工器具，仅发现部分螺栓有磨损现象，此方面因素导致异物产生的原因较小。

4.4方法方面

方法方面可以分为两个层面，一个是管理层面，一个是具体操作层面。管理层面有施工质量管理，四会三单，工作票等方面；具体操作层面有试验超工况，巡检、维护不到位，现场风险分析不到位等方面。而本次事件，管理层面、具体操作方法都出现了问题。具体有：

1）施工质量管理存在缺失，本次事件调查取证，整个螺栓的安装质量文件虽有签字，但是整个签字确认过程失效，监管失效。工前会、班前会等流于形式，没有在开工前准备充足预案，工前会、班前会等记录单缺失或不完善，并且工作人员对需要执行的工作认识有偏差，螺栓的识别，焊接方式的确认都未能在工作交底前完成。工作票有超期问题，致使监管失控。以上3种管理方法的缺陷，导致了安装质量的缺陷，引发螺栓脱落的原因最多。

2）实际操作方面，热试超基准运行的工况不存在，一回路流体按正常工况运行，方法正确。但安装使用的程序文件中螺栓紧固顺序和力矩要求不明确导致现场打力矩的方法存在错误；实际执行的螺栓紧固顺序与设计要求有偏差，导致紧固方法错误，这些原因直接就导致了螺栓连接失效，成了本次事件的直接诱因。

由于管理及实际操作方法上的失误，纠正措施就必须对症下药，要针对性地加强过程质量控制。第一，要完善技术交底环节，QC人员必须参加施工单位组织的技术交底，并给予必要的澄清支持。第二，过程QC必须核实作业活动相关的上游设计要求是否正确；质量计划中的监督检查，涉及现场作业活动的见证，必须到现场见证作业过程，并确保作业符合性。

4.5外部环境方面

外部环境因素也会导致一回路引入异物事件的发生，如交叉作业、照明不足、物料堆放不规范、废弃杂物清理不及时、照明不足等。可以采取的改进措施有：

1）合理安排施工逻辑，尽力避免同一施工点交叉作业，如不可避免，务必做好交叉施工风险评估，协调各作业方负责人做好监督，并加强防异物意识。

2）工作结束后及时清理废弃物，物料需要办理临时存放证，堆放整齐规范，并定期巡查、清点物质，确认物资不遗失。

5　结论

通过此次CPR1000+核电机组一回路异物事件的研究，分析出了如下结论。第一，若一回路相关设备异物出现异物并进入一回路，重点地检查区域和范围在SG水室、上部堆内构件及压力容器底部；第二，金属异物会对一回路的设备造成破坏，并随着破坏的进行自身也会逐步分解变化，直至演变为金属碎屑或碎片，并且异物需要尽早取出，否则影响的范围会逐渐扩大并加剧。对于异物控制方面，“人、机、料、法、环”等5个维度都可以进行控制，并进行相应提高。但是对于此次事件本身，人的因素和施工方法方面是导致本次事件产生的原因，只有加强人员培训及管理，加强QC的过程控制，严格按程序及规程办事，使所有的安装质量及步骤满足设计要求，才能有效地提高核电厂的安装质量，达到更高的核安全标准。

［1］ 核电厂系统及设备（第2版） ［M］. 北京：清华大学出版社，2010.（Systems and Components of Nuclear Power Plant （Version 2） ［M］. Beijing： Tsinghua University Press， 2010. ）

［2］ 压水堆核电厂调试与运行［M］. 北京：中国电力出版社，2008. （Commissioning and Operation of PWR NPP［M］. Beijing： China Electric Power Press， 2008. ）

［3］ 核电厂事故分析［M］. 北京：清华大学出版社，2012.（Nuclear Power Plant Accident Analysis ［M］. Beijing： Tsinghua University Press， 2012. ）

［4］ 浅谈“人机料法环”五因素对施工质量管理成果的影响［J］. 内蒙古水利，2008， 6：121-122. （Brief Introduction to the Influence of Five Factors（“man， machine， material， method and cycle”）on the Construction Quality Control［J］. Water Conservancy in Inner Mongolia， June 2008： 121-122. ）

［5］ 江振标，刘志成，李冠英. 压水堆核电厂主管道静态铸造质量控制措施的研究［J］. 中国核电，2013，6（4）：343-347.（Study on the Static Casting Quality Control Measures for the Primary Pipe of PWR NPP［J］. China Nuclear Power， 2013，6（4）：343-347. ）

Analysis of Foreign Matter Searching and Controll Method Based on CPR1000+ Nuclear Power Plant

WANG Zhi-ming， LI Xi-an， WANG Jiang-hong， ZHAI Ba-jing， WANG Lei，WANG Zhao-qiang， BAI Xuan， XU Jiao-shen， ZHOU Liang-liang
（China Nuclear Power Engineering Co.， Ltd.， Shenzhen， Guangdong Prov. 518124，China）

During the test of a CPR1000 + nuclear power plant in 2014， the KIR system （loosen parts and vibration monitoring system） alarmed. The alarm analysis indicated the presence of some foreign matter inside the primary loop. For safety， the unit was shut down to search foreign matter and fix damaged equipment， which lasted for four months. This paper focuses on the structural features of the primary loop and its auxiliary pipelines and equipment. On this basis， a more comprehensive method and preventive measure for foreign matter analysis is proposed， which can ensure complete implementation of foreign matter searching inside the entire system.

CPR 1000+； nuclear power unit； foreign matter searching

TM623 Article character：A Article ID：1674-1617（2016）03-0208-06

TM623

A

1674-1617（2016）03-0208-06

2016-04-14

王志明（1982—），男，山东曲阜人，高工，学士，主要从事核设备及相关系统的调试及研究工作。