張 強(qiáng)，許金泉，王志先

(中廣核工程有限公司，廣東 深圳 518124)

0 引言

核電廠汽水分離再熱器(moisture separation reheater,MSR)的功能是去除高壓缸排汽中的水分、提高進(jìn)入低壓缸蒸汽的溫度，從而防止對(duì)低壓缸的葉片產(chǎn)生沖刷腐蝕。MSR分離高壓缸排汽中的水分經(jīng)過(guò)導(dǎo)管引入疏水箱。如疏水箱液位過(guò)高，在機(jī)組瞬態(tài)工況下可能導(dǎo)致液態(tài)水倒灌至汽輪機(jī)本體。因此，疏水箱設(shè)置了液位高報(bào)警及高高跳機(jī)保護(hù)。在MSR高溫高壓、高飽和蒸汽的工況下，傳統(tǒng)的差壓、聲波等液位計(jì)受溫度、壓力、介質(zhì)密度的影響，測(cè)量誤差較大。早期的核電廠MSR液位測(cè)量以浮筒式液位計(jì)為主。該液位計(jì)雖然有測(cè)量穩(wěn)定、準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，但由于體積大、機(jī)械部件多，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中故障頻發(fā)，且維修校驗(yàn)困難。當(dāng)前，核電廠普遍采用帶有動(dòng)態(tài)蒸汽補(bǔ)償功能的同軸式導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)。相比浮筒液位計(jì)，同軸式導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)具有測(cè)量精度高、抗干擾能力強(qiáng)、安裝維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。但導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)屬于精密儀器，受核電運(yùn)行工況、導(dǎo)桿選型、材料、安裝及密封工藝等因素的影響，液位計(jì)故障引發(fā)的機(jī)組降功率、自動(dòng)停機(jī)等事故時(shí)有發(fā)生。

本文結(jié)合核電廠典型運(yùn)行事件，對(duì)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)或組件以同樣方式失效的共模故障進(jìn)行深入分析(不含表頭故障、制造工藝缺陷等隨機(jī)偶發(fā)故障)，并提出了一系列具有針對(duì)性的優(yōu)化措施。

1 設(shè)備及故障事件概述

1.1 導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)簡(jiǎn)介

導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)基于時(shí)域反射原理測(cè)量液位[1-3]。其表頭發(fā)射的周期性脈沖電磁波沿導(dǎo)波桿傳播。當(dāng)電磁波遇到氣相介質(zhì)和待測(cè)液位介質(zhì)的分界面時(shí)，由于分界面處上下介質(zhì)的介電常數(shù)值相差較大，電磁波會(huì)發(fā)生反射并形成回波信號(hào)[4-5]。通過(guò)計(jì)算發(fā)射信號(hào)與回波信號(hào)的時(shí)間差，并根據(jù)電磁波傳播速度，即可得出待測(cè)的液位高度[6]。液位測(cè)量原理如圖1所示。

圖1 液位測(cè)量原理框圖

導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)主要根據(jù)導(dǎo)波桿的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類，工業(yè)上應(yīng)用廣泛的有同軸式、雙桿式、單桿式這3大類。由于同軸式導(dǎo)波桿靈敏度高、介電常數(shù)測(cè)量范圍廣，在核電廠MSR中均采用該導(dǎo)波桿。在MSR實(shí)際運(yùn)行中，疏水箱中充滿高溫高壓的飽和水和蒸汽。運(yùn)行工況的不同會(huì)導(dǎo)致蒸汽的介電常數(shù)發(fā)生變化，進(jìn)而影響電磁波的傳播速度。尤其是在瞬態(tài)工況下，壓力的降低會(huì)導(dǎo)致飽和液態(tài)水出現(xiàn)“閃蒸”[7]，造成測(cè)量誤差。因此，必須對(duì)蒸汽進(jìn)行氣相自動(dòng)補(bǔ)償。經(jīng)實(shí)測(cè)，在400 ℃、10.5 MPa的工況下，無(wú)補(bǔ)償功能的測(cè)量誤差高達(dá)18%，而補(bǔ)償后誤差在2%以內(nèi)[8]。針對(duì)這種情況的補(bǔ)償方法是在蒸汽目標(biāo)位置設(shè)置參考反射器。電磁波信號(hào)在蒸汽目標(biāo)位置形成固定的參照反射信號(hào)后，與真實(shí)液位產(chǎn)生的回波信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，補(bǔ)償由于蒸汽的變化對(duì)電磁波傳播速度造成的影響。因此，在核電廠MSR液位計(jì)選型中，普遍使用具有蒸汽動(dòng)態(tài)補(bǔ)償功能的同軸式導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)。

1.2 故障事件及其分類

中國(guó)改進(jìn)型三環(huán)路壓水堆(CPR1000)A核電廠1#、2#機(jī)組MSR液位計(jì)2020年至今總計(jì)發(fā)生故障29次。經(jīng)調(diào)查，同類液位計(jì)在其他核電廠均有類似事件發(fā)生。以實(shí)際發(fā)生的一些核電廠典型事件為例，反復(fù)發(fā)生的共模故障主要為以下4類。

①測(cè)量筒底部堵頭泄漏。A核電廠1#機(jī)組汽水分離系統(tǒng)(gas-liquid seprate system,GSS)新蒸汽疏水箱液位計(jì)GSS001MN測(cè)量筒底部堵頭泄漏，引起筒內(nèi)泄壓，液態(tài)水短時(shí)汽化導(dǎo)致虛假低水位，進(jìn)而引發(fā)機(jī)組短時(shí)超功率及降功率運(yùn)行22 h。

②啟機(jī)過(guò)程產(chǎn)生虛假高水位。A核電廠4#機(jī)組大修后啟機(jī)沖轉(zhuǎn)至56 r/min時(shí)，MSR抽氣疏水箱GSS103BA 液位計(jì)GSS121/123MN瞬間上漲觸發(fā)液位高高跳機(jī)信號(hào)，導(dǎo)致汽輪機(jī)非預(yù)期跳閘。

③液位計(jì)輸出線性超差。A核電廠執(zhí)行導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)改造后，當(dāng)測(cè)量液位較高時(shí)測(cè)量偏差大，離線進(jìn)行冷水標(biāo)定發(fā)現(xiàn)在靠近探桿頂部15～20 cm時(shí)，所有液位計(jì)輸出線性均超差。

④導(dǎo)波桿支撐件碎裂。B核電廠1#機(jī)組汽輪機(jī)汽水分離再熱器殼側(cè)疏水箱GSS103BA水位信號(hào)由于導(dǎo)波桿支撐件碎裂短時(shí)突升至 1 846 mm，導(dǎo)致汽輪機(jī)自動(dòng)停機(jī)。

2 故障原因分析

2.1 測(cè)量筒底部堵頭泄漏

導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)測(cè)量筒堵頭采用的密封方式為螺紋+密封材料。其中：螺紋有平螺紋和錐螺紋2種；密封材料主要有魔繩、紫銅墊片。A核電廠近3 年堵頭泄漏故障記錄如表1所示。

表1 近3 年堵頭泄漏故障記錄

由表1可知，魔繩在高溫下長(zhǎng)期運(yùn)行存在碳化失效的問(wèn)題，而紫銅墊片在高溫高壓下易破損。因此，堵頭泄漏的原因?yàn)槊芊獠牧鲜?dǎo)致堵頭的內(nèi)螺紋與外螺紋密封不嚴(yán)。同時(shí)，受制于螺紋加工制造質(zhì)量，測(cè)量筒噴頭長(zhǎng)期運(yùn)行下易發(fā)生螺紋“咬死”情況。該故障的發(fā)生會(huì)給維修帶來(lái)較大困難。

2.2 啟機(jī)過(guò)程產(chǎn)生虛假高水位

汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)過(guò)程中，高溫蒸汽進(jìn)入處于負(fù)壓下的疏水箱內(nèi)。隨著溫度、壓力的變化，疏水箱內(nèi)充斥汽水混合物。由于通往凝汽器的通風(fēng)閥打開(kāi)，凝汽器真空抽取蒸汽使蒸汽流動(dòng)方向改變，汽水混合物浸入導(dǎo)波桿表面。疏水箱示意圖如圖2所示。

圖2 疏水箱示意圖

由于導(dǎo)波桿外部護(hù)桿與探桿間是低負(fù)壓區(qū)，汽水混合物易在此聚集并在探桿上逐漸凝結(jié)，最終輸出虛假液位[9]。

為證明凝結(jié)水對(duì)液位測(cè)量的影響，采用漏斗直接向?qū)РU保護(hù)套筒的孔中注水。凝結(jié)水回波信號(hào)如圖3所示。

圖3 凝結(jié)水回波信號(hào)示意圖

由于液位的雷達(dá)信號(hào)沿導(dǎo)波桿傳播，在注水過(guò)程中，雷達(dá)信號(hào)探測(cè)到附著在導(dǎo)波桿上的水流信號(hào)后形成了回波信號(hào)。根據(jù)圖3，當(dāng)信號(hào)強(qiáng)度超過(guò)閾值被認(rèn)為是有效信號(hào)，從而影響真實(shí)液位的測(cè)量。通過(guò)模擬凝結(jié)水的試驗(yàn)表明，凝結(jié)水對(duì)導(dǎo)波桿的回波有影響。因此，觸發(fā)虛假高水位的根本原因是導(dǎo)波桿產(chǎn)生了凝結(jié)水。

2.3 液位計(jì)輸出線性超差

MSR導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)采用蒸汽補(bǔ)償型探桿。該探桿的特點(diǎn)是雷達(dá)波信號(hào)在探桿的蒸汽目標(biāo)位置會(huì)形成參照反射信號(hào)，與液位信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，以補(bǔ)償由于汽側(cè)水蒸汽對(duì)雷達(dá)發(fā)射速度造成的影響。但液位信號(hào)靠近蒸汽目標(biāo)所形成的正向反射波的情況下，液位的雷達(dá)信號(hào)會(huì)受其干擾，造成線性超差?；夭ㄐ盘?hào)干擾如圖4所示。

圖4 回波信號(hào)干擾示意圖

A核電廠液位計(jì)改造采用的是66 cm長(zhǎng)度的導(dǎo)波桿，高液位測(cè)量時(shí)液面與蒸汽補(bǔ)償模塊過(guò)于接近。因此，液位信號(hào)在探桿頂部出現(xiàn)信號(hào)超差的原因是液位信號(hào)和蒸汽目標(biāo)的反射信號(hào)相互干擾造成的。

2.4 導(dǎo)波桿支撐件碎裂

同軸式導(dǎo)波桿需要保證中心探桿與外管之間保持一定的距離，因此同軸探桿內(nèi)部需加裝支撐件。支撐件普遍采用芳香族結(jié)晶型高分子材料聚醚醚酮(polyetheretherketone,PEEK)。該材料具有良好的耐高溫、穩(wěn)定性與抗氧化性。但實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，PEEK長(zhǎng)時(shí)間在高溫、高壓的環(huán)境中會(huì)發(fā)生脆化。由于MSR在不同工況中，尤其是負(fù)荷變化時(shí)會(huì)使探桿不斷晃動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致脆化后的支撐件碎裂，支撐件碎裂會(huì)導(dǎo)致探桿傾斜，造成液位測(cè)量值異常上漲。

3 優(yōu)化措施

3.1 測(cè)量筒底部密封材料與密封方式優(yōu)化

根據(jù)2.1節(jié)的分析，首先考慮優(yōu)化密封材料。選取可耐受350 ℃高溫的樂(lè)泰596密封膠，在使用的初期階段密封性能良好。但密封膠存在熱老化特性，溫度越高，則性能下降速度越快，運(yùn)行9～10個(gè)月后即需更換。更換過(guò)程經(jīng)常存在螺紋“咬死”情況，增加維修成本。

將螺紋密封的方式更換為法蘭密封，可有效改善螺紋“咬死“情況，提高更換效率；同時(shí)，可配合高溫生料帶進(jìn)一步提高密封質(zhì)量。A核電廠1#機(jī)組液位計(jì)測(cè)量筒首次采用法蘭+高溫生料帶的密封方式，經(jīng)13個(gè)月的運(yùn)行驗(yàn)證，未發(fā)生泄漏。

3.2 啟機(jī)過(guò)程運(yùn)行程序優(yōu)化

針對(duì)2.2節(jié)的故障原因，在汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)前，向疏水箱中注入一定量的水。經(jīng)試驗(yàn)，水量以淹沒(méi)探桿底部100 mm左右為宜。沖轉(zhuǎn)時(shí)，液態(tài)水能緩解高溫蒸汽引起的汽水混合物擾動(dòng)，加速高溫蒸汽的凝結(jié)，防止汽水混合物在探桿附近聚集。同時(shí)，由于疏水箱的非空罐狀態(tài)，導(dǎo)波桿能接觸到實(shí)際液位。由于實(shí)際液位的回波信號(hào)強(qiáng)，根據(jù)圖1可知信號(hào)經(jīng)混頻器處理后能抑制虛假信號(hào)，進(jìn)而提高儀表的抗干擾能力。經(jīng)后續(xù)機(jī)組的啟機(jī)驗(yàn)證，該優(yōu)化措施可有效抑制虛假高水位的產(chǎn)生。

3.3 導(dǎo)波桿長(zhǎng)度選型及安裝位置優(yōu)化

液位計(jì)探桿蒸汽補(bǔ)償模塊位于表頭15 cm處。經(jīng)實(shí)測(cè)，干擾區(qū)范圍為±5 cm。優(yōu)化方案為延長(zhǎng)探桿頂部的長(zhǎng)度，避開(kāi)了蒸汽補(bǔ)償?shù)姆瓷湫盘?hào)的影響區(qū)域。通過(guò)將66 cm導(dǎo)波桿更換為90 cm導(dǎo)波桿，使上部連通孔至表頭預(yù)留約40 cm高度，從而避開(kāi)蒸汽補(bǔ)償模塊的反射區(qū)域。筒體長(zhǎng)度如圖5所示。

圖5 筒體長(zhǎng)度示意圖

優(yōu)化后的安裝方式可有效避開(kāi)反射干擾區(qū)域，提高測(cè)量精度。因此，導(dǎo)波桿選型時(shí)，需確保導(dǎo)波桿長(zhǎng)度能滿足表頭與測(cè)量筒連通孔之間的距離要求，使其能完全避開(kāi)蒸汽補(bǔ)償反射信號(hào)的區(qū)域。優(yōu)化后，A核電廠運(yùn)行情況良好。

3.4 導(dǎo)波桿支撐件材料優(yōu)化

根據(jù)2.4節(jié)的故障原因，需對(duì)支撐件的材料進(jìn)行優(yōu)化。氧化鋁陶瓷材料(99.7%純度的AI2O3)具有硬度大、彈性強(qiáng)、熔點(diǎn)高、耐磨性好等特點(diǎn)[10]，介電常數(shù)可高達(dá)9.0，是支撐件的理想材料。某核電廠實(shí)際運(yùn)行表明，該材料十分穩(wěn)定可靠，目前已在A核電廠及其他核電廠MSR液位計(jì)中進(jìn)行推廣使用，效果良好。

4 結(jié)論

導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)具有測(cè)量準(zhǔn)確、性能可靠、安裝維護(hù)便利等優(yōu)點(diǎn)，在核電領(lǐng)域的液位測(cè)量中得到了廣泛應(yīng)用。本文通過(guò)對(duì)MSR同軸式導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)4類常見(jiàn)故障的分類研究，深入分析了導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)的選型、安裝方式、密封材料、運(yùn)行操作方式，并針對(duì)性地提出了切實(shí)可行的優(yōu)化措施。以中國(guó)改進(jìn)型三環(huán)路壓水堆(CPR1000)A核電廠1#機(jī)組為例，采用優(yōu)化措施后，液位計(jì)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行13個(gè)月，未發(fā)生故障導(dǎo)致的運(yùn)行事件。實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，優(yōu)化措施效果顯著，降低了液位計(jì)故障導(dǎo)致的運(yùn)行事件給運(yùn)行維修部門帶來(lái)的管理成本，為后續(xù)機(jī)組提供了良好經(jīng)驗(yàn)反饋。