朱術(shù)超
(核電運行研究(上海)有限公司,上海 314000)
田灣核電站1 號、2 號機組為俄羅斯VVER 機組,控制棒共103 束、分為10 組(第1~第7 組為停堆棒組,第8~第10 組為調(diào)節(jié)棒組),控制棒的移動由控制棒驅(qū)動機構(gòu)驅(qū)動、工作電壓由控制棒控制機柜提供。其中,控制棒驅(qū)動機構(gòu)由俄羅斯OKB“GIDROPRESS”公司設(shè)計制造,主要有承壓殼體、電磁組件、移動組件(棘爪)、驅(qū)動桿和棒位傳感器等部件,主要功能是為驅(qū)動控制棒組件在堆芯燃料組件中上、下移動,實現(xiàn)反應(yīng)堆啟動、功率調(diào)節(jié)和停堆等,通過棒位傳感器傳送控制棒束在堆芯的位置信號。
兩個機組的棒控棒位系統(tǒng)(CPS 系統(tǒng))由俄羅斯VNIIEM 公司設(shè)計制造,包括保護預(yù)保護執(zhí)行子系統(tǒng)、控制棒供電子系統(tǒng)和棒位測量子系統(tǒng)(其中包含41 臺控制棒動力控制機柜),系統(tǒng)設(shè)計使用壽命為40 年,機柜內(nèi)模件使用壽命不低于10 年??刂瓢魟恿刂茩C柜主要包括交流供電模件(BU1)、直流供電模件、開關(guān)等部件,設(shè)備分級為CC1,安全等級為SR。動力控制機柜的主要功能是,為控制棒驅(qū)動機構(gòu)的提升線圈、鎖緊線圈、固定線圈提供工作電流,根據(jù)控制指令驅(qū)動控制棒驅(qū)動機構(gòu),實現(xiàn)控制棒在燃料組件中的移動。機柜交流供電模件BU1 發(fā)生故障時,可以切換到直流供電(110 V)實現(xiàn)控制棒雙保持功能。
2017—2021 年,1 號、2 號機組共計發(fā)生了10 次控制棒意外下落事件。針對此問題,江蘇核電組織國內(nèi)外設(shè)計院、制造廠家和同行電站專家進行咨詢評估,深入分析、研究控制棒意外下落原因。
控制棒動力控制機柜主要包括交流供電模件和直流供電模件,通過交流供電模件向控制棒驅(qū)動機構(gòu)保持線圈、提升線圈和鎖緊線圈提供交變電流,控制控制棒的上提和下插動作。如果交流供電模件出現(xiàn)故障,則立刻切換至直流供電模件,向驅(qū)動機構(gòu)保持線圈和鎖緊線圈供電,避免控制棒意外下落。在交流供電模件故障未能切換至直流供電情況下,會發(fā)生控制棒意外下落事件。
1.1.1 直流供電模件
直流供電模件的功能是在交流供電模件故障后,切換至直流供電模件,避免控制棒意外下落。直流供電模件故障不會直接導(dǎo)致驅(qū)動機構(gòu)失去供電,發(fā)生控制棒意外下落事件。根據(jù)1 號、2號機組10 次控制棒意外下落事件過程記錄,對相關(guān)直流供電模件的測試結(jié)果未發(fā)現(xiàn)異常。
1.1.2 交流供電模件
在2019 年1 月(1 號機組03-24 控制棒下落)和4 月(2 號機組12-35 控制棒下落)兩次下落事件分析過程,通過對控制棒交流供電模件的測試發(fā)現(xiàn),控制棒交流供電模件邏輯設(shè)計存在缺陷:模件供電切換監(jiān)測回路設(shè)計不合理,模件內(nèi)部供電切換監(jiān)測回路的監(jiān)測值取自放大單元的輸出端,未能監(jiān)測線圈實際的電流輸出值,在交流供電模件內(nèi)部元器件異常導(dǎo)致輸出電流減小或波形異常的情況下不能正確觸發(fā)其保護功能,未切換到直流供電模件供電,從而導(dǎo)致控制棒在移動過程中意外掉落。
(1)2019 年1 月1 號機組03-24 控制棒下落的具體原因為:控制棒交流供電模件內(nèi)部放大單元可變電阻故障,導(dǎo)致固定線圈輸出電流降低。由于模件供電切換監(jiān)測回路設(shè)計不合理,模件內(nèi)部供電切換回路監(jiān)測值取自放大器單元的輸出端,未監(jiān)測線圈實際的電流輸出值,導(dǎo)致交流供電模件輸出電流偏低時未及時切換至直流供電模件,控制棒意外下落事件發(fā)生。
(2)2019 年4 月2 號機組12-35 控制棒下落的原因為:控制棒交流供電模件內(nèi)部可控硅控制器故障,導(dǎo)致鎖緊線圈輸出電流降低且輸出波形異常。由于模件供電切換監(jiān)測回路設(shè)計不合理,模件內(nèi)部供電切換回路監(jiān)測值取自放大器單元的輸出端,未監(jiān)測線圈實際的電流輸出值,導(dǎo)致交流供電模件輸出電流偏低時未及時切換至直流供電模件,控制棒意外下落事件發(fā)生。
1.1.3 交流供電模件元器件的故障
1 號、2 號機組控制棒動力控制機柜分別在2003 年、2004年完成安裝和調(diào)試,開始投入運行。柜內(nèi)的交流供電模件執(zhí)行糾正性維修策略,在2017 年前未設(shè)置定期更換項目。根據(jù)糾正性維修記錄,控制棒交流供電模件故障次數(shù)約在5 次/年。
2021 年6 月,在控制棒活動性試驗前進行供電回路檢查過程意外下落。對交流供電模件進行臺架檢查測試發(fā)現(xiàn),交流供電模件上的PRT1 卡件的可擦除存儲器EPROM 老化,導(dǎo)致模件性能下降。進行鎖緊線圈供電回路檢查時,EPROM 輸出異常影響固定線圈的輸出電流降低,但未達到直流供電模件切換閾值。可以判定,固定線圈電流減小導(dǎo)致形成的磁力不足,固定棘爪無法抓住驅(qū)動桿,致使11-28 控制棒意外下落。
2021 年8 月,在控制棒活動性試驗過程進行上提時意外下落。檢查在線電流監(jiān)測記錄發(fā)現(xiàn),02-33 控制棒的交流供電模件鎖緊線圈和固定線圈的輸出電流時序異常,控制棒上提過程中鎖緊線圈電流異常降低且固定線圈無輸出,交流供電模件輸出電流異常未切換至直流供電,導(dǎo)致控制棒掉落。通過對交流供電模件進行臺架檢查測試發(fā)現(xiàn),模件PRT1 板卡的數(shù)模轉(zhuǎn)換器故障,影響固定線圈和鎖緊線圈電流輸出,致使02-33 控制棒意外下落。
VVER 機組的控制棒驅(qū)動機構(gòu)主要包括承壓殼體、電磁組件、移動組件、驅(qū)動桿和棒位傳感器等,而移動組件主要由可動磁極、不可動磁極和棘爪組成。其工作原理為:交變電流通過電磁線圈產(chǎn)生磁場,可動磁極和不可動磁極按照磁場變化動作,帶動相應(yīng)的棘爪實現(xiàn)對驅(qū)動桿的夾持和移動。如果可動磁極、不可動磁極、套筒或棘爪出現(xiàn)短時失效,就有可能會出現(xiàn)棘爪動作異常,導(dǎo)致控制棒在移動過程中意外下落。
1.2.1 移動組件短時失效的原因
控制棒驅(qū)動機構(gòu)移動組件短時失效的可能原因有兩個,分別為移動組件內(nèi)部機械磨損和移動組件內(nèi)部進入外部雜質(zhì)。
(1)內(nèi)部機械磨損。根據(jù)研究表明,制造控制棒驅(qū)動機構(gòu)的鋼材均具有高耐腐蝕性、高耐磨損性,同時該型號控制棒驅(qū)動機構(gòu)做過20 萬步的全壽命型式試驗,并且在俄羅斯、保加利亞多個核電站有長期應(yīng)用經(jīng)驗。田灣核電站1 號、2 號機組歷次大修對控制棒驅(qū)動機構(gòu)的檢查記錄表明,均未發(fā)現(xiàn)異常腐蝕和磨損現(xiàn)象;并且發(fā)生過落棒事件的驅(qū)動機構(gòu)在后續(xù)燃料循環(huán)內(nèi)經(jīng)歷了多次移動操作,結(jié)果均正常。因此,可以排除驅(qū)動機構(gòu)內(nèi)部機械磨損導(dǎo)致控制棒意外下落的可能。
(2)移動組件內(nèi)部進入雜質(zhì)。當(dāng)一回路不溶性雜質(zhì)進入移動組件內(nèi)部,可能會導(dǎo)致控制棒驅(qū)動機構(gòu)的移動組件短時失效。另外,棘爪與套筒間存在雜質(zhì)。根據(jù)相關(guān)結(jié)構(gòu)圖,棘爪與套筒之間的間隙較小,雜質(zhì)容易到達且不易移除,只有在動作振動或棘爪與套筒之間的擠壓力下將雜質(zhì)擊碎,才能消除影響。如果雜質(zhì)擠壓在此,每次提升后驅(qū)動桿對棘爪的向下的沖擊力,可能導(dǎo)致雜質(zhì)向更狹窄的下方區(qū)域移動,從而形成棘爪的短時失效。隨著不溶性雜質(zhì)在棘爪動作、驅(qū)動機構(gòu)設(shè)備振動、一回路冷卻劑流動等情況下從棘爪處脫離,棘爪動作又恢復(fù)正常。因此,棘爪與套筒之間的雜質(zhì)可能會使帶套筒的可動磁極未達到全行程,棘爪未完全抱住驅(qū)動桿,造成驅(qū)動機構(gòu)部件短時失效,導(dǎo)致控制棒意外下落。
1.2.2 移動組件動作失效的雜質(zhì)來源
(1)控制棒驅(qū)動機構(gòu)腐蝕性產(chǎn)物的堆積??刂瓢趄?qū)動機構(gòu)部件制造時使用了馬氏體不銹鋼,由于制造商在出廠前沒有對驅(qū)動機構(gòu)進行足夠的鈍化處理,在新的驅(qū)動機構(gòu)使用初期,還沒有形成完整的保護膜(保護膜形成一般需要10 周)之前,會生成腐蝕產(chǎn)物。1 號、2 號機組控制棒驅(qū)動機構(gòu)的轉(zhuǎn)動軸和棘爪材料為馬氏體不銹鋼,存在形成腐蝕產(chǎn)物的可能。但在出現(xiàn)控制棒意外下落事件時,相應(yīng)的控制棒驅(qū)動機構(gòu)移動組件已長期運行,轉(zhuǎn)動軸和棘爪表面鈍化膜早已形成。因此可以排除由于控制棒驅(qū)動機構(gòu)自身形成的腐蝕產(chǎn)物導(dǎo)致控制棒滑步和意外下落的可能原因。
(2)控制棒驅(qū)動機構(gòu)運行磨損產(chǎn)生雜質(zhì)??刂瓢粼谶\動過程中,固定磁極與可動磁極之間、棘爪與驅(qū)動桿之間相互撞擊,在長期作用下存在一定程度的正常磨損,會有小顆粒物質(zhì)從部件上脫落形成雜質(zhì)。根據(jù)1 號、2 號機組控制棒驅(qū)動機構(gòu)設(shè)計文件,控制棒驅(qū)動機構(gòu)設(shè)計壽命為30 年,全雙行程次數(shù)不少于6000 次,緊急落棒次數(shù)不少于300 次。2017 年控制棒意外下落首次發(fā)生時,1 號、2 號機組控制棒驅(qū)動機構(gòu)運行約10 年,經(jīng)估算雙行程次數(shù)不大于300 次、緊急落棒次數(shù)不大于50 次,控制棒驅(qū)動機構(gòu)運行年限和移動行程均未超過設(shè)計值的20%。同時,大修期間對控制棒驅(qū)動機構(gòu)的檢查項目結(jié)果表明,未發(fā)現(xiàn)有明顯磨損現(xiàn)象。因此,由于控制棒驅(qū)動機構(gòu)運行磨損產(chǎn)生雜質(zhì)的可能性較低。
(3)一回路化學(xué)離子結(jié)合形成不溶性雜質(zhì)。一回路中存在硼酸、氯離子、硫酸根離子、硅酸根等化學(xué)離子,如果它們與其他物質(zhì)結(jié)合產(chǎn)生不溶性雜質(zhì),該雜質(zhì)進入驅(qū)動機構(gòu)部件內(nèi)部就可能導(dǎo)致控制棒驅(qū)動機構(gòu)部件的短時失效。根據(jù)一回路化學(xué)特性,化學(xué)離子可能會產(chǎn)生硅酸鹽類物質(zhì)、SiO2結(jié)晶、硼酸結(jié)晶、其他雜質(zhì)等。根據(jù)對一回路中化學(xué)離子含量的分析,一回路中并不存在鈣、鎂、鋁離子,無法形成硅酸鹽類物質(zhì)。硅酸離子與微量鐵離子在冷卻劑中呈離子形態(tài),也不會形成硅酸鹽;一回路中SiO2濃度為373 μg/L,機組運行初期最高為842 μg/L,遠(yuǎn)未達到SiO2的析出點,因此在機組運行過程一回路設(shè)備表面不會形成SiO2結(jié)晶;在高溫水中硼酸與水完全互溶,也不存在硼酸析出形成晶體的可能;一回路中其他離子(氯離子、硫酸根離子、鐵離子)及TOC(Total Organic Carbon,總有機碳)均含量極低,硼酸—總堿金屬濃度控制合理,未發(fā)生過控制指標(biāo)偏離的情況,不存在析出形成雜質(zhì)的可能。因此,大修期間和正常運行期間,可以排除一回路化學(xué)離子結(jié)合形成不溶性雜質(zhì)的可能。
(4)外部不溶性雜質(zhì)隨設(shè)備檢修被帶入一回路。大修期間,大量一回路設(shè)備處于開口檢修狀態(tài),外部不溶性雜質(zhì)可能會隨著設(shè)備檢修過程被帶入一回路。壓力容器開口檢修階段,由于設(shè)備閘門雙開,存在外部雜質(zhì)隨空氣進入一回路的可能。根據(jù)VVER機組設(shè)計,一回路冷卻劑凈化系統(tǒng)中沒有設(shè)置機械過濾器,而是通過樹脂床進行過濾,經(jīng)估算有效過濾孔徑約100 μm。因此,一些細(xì)小雜質(zhì)有較大可能被一回路冷卻劑帶入驅(qū)動機構(gòu)部件并進入棘爪,造成棘爪動作過程的短時失效。因此,存在外部不溶性雜質(zhì)隨設(shè)備檢修和一回路開口進入的可能。
通過對田灣核電站1 號、2 號機組控制棒意外下落事件的檢查和分析,導(dǎo)致控制棒意外下落的原因主要有兩個:一是控制棒供電系統(tǒng)模件故障(包括偶發(fā)故障);二是設(shè)備檢修和一回路開口期間,外部不溶性雜質(zhì)隨著一回路冷卻劑被帶入移動組件內(nèi)部,可能會造成控制棒驅(qū)動機構(gòu)棘爪短時動作異常。