桥架倾斜仪探头失效分析及改造

张 泰，周建平，靳瀚博

（中核核电运行管理有限公司，浙江嘉兴 314300）

0 引言

秦山第三核电厂从加拿大引进的70 万级重水堆机组，具有不停堆换料的特点，实现该功能的核心部件为装卸料机。通过Y 方向运动，桥架系统将装卸料机定位到不同高度的反应堆通道上完成换料操作。桥架位于不可达区域，其正常工作的条件之一是不能倾斜，因此在桥架上安装了一个倾斜探头来监测其水平状态。经统计，单台机组每年因探头输出信号漂移引起的维修工作超过10 次。探头的测量倾角范围为±2°，对应输出电压±2.0 VDC。输出电压通过主控室中的信号调整单元进行处理计算，达到设定值即报警，进而中断桥架的运行。桥架在完成水平测量调整后，探头的输出信号被设置为0 V。倾斜报警设定值为高报0.160 V，低报-0.160 V，报警值可通过信号调整单元进行调整。为保证桥架倾斜监测的可靠性，另有一套轴编码器系统也可用于监测桥架水平，两套系统互为冗余。

1 故障分析

1.1 故障现象

6 月18 日上午，换料操纵员在进行日常巡检时发现A 侧倾斜仪探头的读数达到0.197 V，联系维修人员临时修改了高报设定点，当日换料未再出现桥架倾斜报警，当天停役系统时发现A 侧桥架倾斜仪探头读数为0.189 V。次日下午A 侧桥架在换料期间再次发生桥架倾斜报警，检查发现A 侧桥架倾斜仪探头读数达到了+0.241 V。维修人员再次临时修改了高报设定点，后三天未再出现倾斜报警，维修人员将高报设定点恢复，但1 周之后再次出现报警。

1.2 故障分析

自电站调试起，倾斜仪探头在桥架静止的工况下输出信号漂移现象主要分为两类：一是输出信号在一段时间内存在往返漂移，每天的漂移量在0.010 V 左右，最大时输出信号漂移到0.1 V；二是输出信号在短时间内（约1 h）快速突变后恢复正常。考虑到探头工作在高辐射区域内，最初分析认为是由于长期辐照使探头性能老化而引起输出信号缓慢漂移，国外同行及生产厂家在相关交流中也提出过类似观点。但两台机组出现过多个探头在运行期间漂移，停堆后不漂移，起堆后再漂移的情况，说明长期辐照不是信号漂移的原因。

6 月18 日上午出现的情况与以往缺陷不同。该侧设备在故障发生前已停运两天，期间设备无任何动作，漂移量应该不会太大。但实际上探头的输出信号在本身系统未动作的情况下两天内漂移了0.170 V。因此猜测倾斜仪探头读数的漂移，是由其所在外部条件的改变而引起。19 日发生的故障也存在疑问，在早上的日常巡检中其读数为0 V，在换料期间突然快速漂移到0.214 V，而当天除换料以外，桥架系统之前一直未动作过。通过查询运行日志发现，18 日当天有多次风机切换操作。在端面风机进行切换操作后的较短时间内，倾斜仪探头的输出信号出现了大幅度的漂移情况。倾斜仪探头输出信号漂移与风机的切换操作符合时间上的逻辑关系，存在因果的可能性较大。探头所在区域有4 台风机，其所在位置正对有一台风机。考虑到风机对探头环境温度的影响，怀疑探头存在温漂。

由于机组运行期间，反应堆端面的温度并不是平均分布的。为进一步验证猜想，将桥架上升到不同位置并停留1 h，测量探头的输出电压及其环境温度。16 个通道中有6 个出现输出漂移现象，且环境温度均高于45 ℃。在整个换料过程中，探头随桥架上下运动的时间约在10 min 以内，而停留在所换料通道的时间约为60 min。由于上升和下降时间较短，倾斜仪探头本体的温度改变不大；而当桥架到达指定通道后，环境温度有足够的时间来改变探头的环境温度。

2 故障点确认

该倾斜仪探头在电站设计阶段就存在，但探头的生产厂家并未提供该探头关于温漂的测试报告。为了确认新探头是否存在温漂，将两个全新的倾斜仪探头送至苏州热工所进行不同温度下信号漂移测试，结果如图1 所示。由图1 可知，当温度从15 ℃上升至40 ℃时，两个倾斜仪探头的输出信号最大漂移量分别达到0.15 V 和0.16 V；而当温度达到60 ℃时，两个倾斜仪探头的输出信号最大漂移量分别达到0.15 V 和0.9V。测试结果表明，现有型号的探头输出信号确实受温度的影响。由于两个探头的输出漂移量、变化趋势均不一致，考虑不同探头的性能存在差异的可能。

图1 倾斜仪探头输出信号在不同温度下的漂移测试

3 国外经验

根据对国外电厂信息的咨询结果确认，秦山核电三厂两台机组使用的倾斜仪探头与Pickering 电站使用的探头型号相同，后者在2000—2002 年期间安装了倾斜仪设备，在运行过程中也存在信号漂移问题，在2006 年发现与秦山核电三厂两台机组类似的信号漂移问题，由于无法解决该问题，在2010 年变更拆除了倾斜仪回路。在与Pickering 电站对该问题进行交流时，对方得出的结论是辐照累积可能导致倾斜仪探头的输出信号漂移。AECL 与厂家经过分析给出的结论也基本与Pickering 电站的结论一致，而对温度是否可能对输出产生影响未有明确的论证。但根据前文的分析，实际上辐照累积并不对探头功能造成影响。

4 解决方案及实施

4.1 探头换型的可行性

根据分析结论，可以确定的是环境温度变化是探头输出信号失效的主要诱因，而故障原因是探头的温漂问题。在无法消除环境温度变化这个诱因的情况下，只能考虑更换倾斜仪探头的型号。

通过AECL了解到加拿大Pt.Lepreau 电站、Wolsong 电站2 号、3 号、4 号机组和罗马尼亚Cernavoda 电站使用的是由Honeywell供货的设备，到目前为止没有设备故障报告。AECL 针对倾斜仪探头输出漂移的建议是更换由Honeywell 提供的探头。但由于Honeywell 供货的探头受出口限制，只能选择其他厂家的探头。根据换型可行性调研结果，确认国内有北京兴华机械厂可以制造相似功能的产品。进一步沟通确认该厂也有供货意向，且其价格优势明显（包括研发成本在内，单台价格仅为原型号产品的10%），基于此，确认装卸料桥架倾斜仪探头具备尝试进行国产替代的必要。根据对方提供的产品技术规格书发现，与原型号探头相比较：功能接口与原探头相同，完全可互换；安装接口及接线不做任何改变，与原探头完全相容；供电电压，信号范围，精度指标等均相同，完全相容。考虑到倾斜仪探头工作在高辐射环境中，结合旧型号探头失效原因（温漂），根据核电厂保守决策的原则，需要将厂家已经测试好的探头进行额外的测试。

4.2 辐照性能测试

由于对部件进行辐照试验价格成本昂贵，即使可以进行辐照试验，辐照试验的剂量和剂量率也无法与现场实际工况完全吻合。基于此，决定将已完成制造和测试的探头安装到现场进行现场离线辐射试验确认。为了找到符合现场工况的剂量率，领取两个电子剂量计，分别安装在装卸料机推杆的尾部和滑车的顶部。在通道换料期间进行现场剂量率的测量。当次换料，装卸料机在堆时间80 min，乏燃料在装卸料机的时间65 min。推杆尾部的电子剂量计累积达到1.57 Sv，滑车上的电子剂量计由于滑车不锈钢的屏蔽仅有0.3 Sv 的累积剂量。因此，决定将用于测试的新探头放在剂量较高的推杆尾部进行2 个月的辐照测试。

经过辐照测试后的两个探头送回厂家进行功能测试，确认复测结果与辐照前的测试结果没有明显差别，且均满足技术规格书对参数的性能要求。探头在送往厂家进行功能检测时，重点关注了探头的温漂性能。考虑到原探头所处的工作温度在50 ℃左右，要求厂方在50 ℃的环境下测量，每小时记录一次输出电压，持续24 h。对于现场工作温度存在变化的问题，在测试中也进行了考虑，检验方法如下：探头置于40 ℃的环境下，每3 min升温1 ℃，升温至60 ℃；达到60 ℃后每3 min 温度下降1 ℃，降温至40 ℃，记录每个温度下的输出电压。验证结果显示：经过2 个月辐照的探头在不同的温度变化环境下，输出信号很稳定，最大漂移量0.002 V，温漂很小。根据测试结果，确定新型号的探头输出稳定性很高。为进一步确认新型号的探头能否适用于现场复杂的工作环境，决定在1 号机组大修期间将新型号探头安装到系统中进行检验。

5 现场安装测试

2015 年5 月，在OT108 大修中，1 号机组A/C 两侧桥架倾斜仪探头均更换为国产探头。整个运行周期内，未再出现倾斜仪探头输出信号漂移的现象。由于1 号机组更换的新型号探头在整个周期内均未出现输出信号漂移的问题，决定在OT208 大修期间将2 号机组C 两侧的倾斜仪探头更换为新型号探头。目前2 号机组新型号探头已服役近3 个月，期间未发生输出信号漂移的问题。

6 总结

本文针对倾斜仪探头输出信号频繁漂移问题，通过长期、大量的试验，找出了温度是影响倾斜仪探头输出信号频繁漂移的原因，经过深入分析后确认原探头存在严重的温漂现象。根据电站自身情况，通过大量的试验找到了功能更加稳定的替代产品并应用于现场，成功解决了关键设备的难题。