彭恭斌 余其濤 盧 威 代 闖 金啟強(qiáng)

（中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)股份有限公司，湖北 武漢430000）

0 引言

余熱排出系統(tǒng)（RRA）是核電站一回路輔助系統(tǒng)，它由兩臺(tái)排除泵、兩臺(tái)熱交換器和相關(guān)的閥門(mén)、管道組成。其中余熱排出換熱器（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“余排熱交換器”）是核電站余熱排出系統(tǒng)的主要設(shè)備之一，其作用是當(dāng)二回路不能運(yùn)行時(shí)，排出反應(yīng)堆剩余功率所產(chǎn)生的熱量。如果余排熱交換器一次側(cè)介質(zhì)向二次側(cè)泄漏將導(dǎo)致設(shè)冷水放射性水平上漲，繼而導(dǎo)致電站輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)報(bào)警，當(dāng)報(bào)警水平超過(guò)設(shè)定級(jí)別時(shí)，將會(huì)觸發(fā)自動(dòng)停堆信號(hào)。所以定期對(duì)余排熱交換器進(jìn)行檢漏顯得十分必要。

1 余排熱交換器結(jié)構(gòu)介紹及漏點(diǎn)介紹

余排熱交換器通常為立式結(jié)構(gòu)，由管板和換熱管壁將熱交換器分隔成殼側(cè)和管側(cè)；倒置的U形換熱管管束通過(guò)焊接和脹管安裝在管板上。反應(yīng)堆冷卻劑從管側(cè)熱端進(jìn)入，流經(jīng)換熱管，將熱量傳遞給殼側(cè)的設(shè)備冷卻水，設(shè)備冷卻水從殼側(cè)上部進(jìn)口流入，吸收熱量后，從殼側(cè)下部出口流出，見(jiàn)圖1。

圖1 余熱排出換熱器結(jié)構(gòu)示意圖

余排熱交換器換熱管與管板采用鈰鎢極自動(dòng)脈沖旋轉(zhuǎn)氬弧焊，焊后進(jìn)行全深度液壓脹。換熱管與管板焊縫脹管前，需對(duì)換熱管與管板連接焊縫進(jìn)行氣密性試驗(yàn)[1]，試驗(yàn)壓力為0.3 MPa（表壓），經(jīng)檢驗(yàn)合格后，才能進(jìn)行脹管。脹管后，對(duì)換熱管與管板連接焊縫進(jìn)行真空法氦質(zhì)譜檢漏，漏率小于1.3×10-7Pam3/s合格。余排熱交換器發(fā)生泄漏有兩個(gè)位置：一個(gè)是換熱管發(fā)生破裂；另一個(gè)是換熱管與管板的間隙導(dǎo)致泄漏。

2 封堵檢驗(yàn)

換熱器換熱管有580根，允許堵管量為5%，約為29根。換熱管發(fā)生泄漏時(shí)，考慮到40年的使用壽期，所以，每次維修堵管量應(yīng)控制在最低可接受的數(shù)量?jī)?nèi)。因此，漏點(diǎn)復(fù)核要慎之又慎，復(fù)核時(shí)除反復(fù)確認(rèn)外，還應(yīng)對(duì)同一根換熱管冷熱端進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比。

在堵管完成后，必須進(jìn)行封堵檢驗(yàn)，以檢驗(yàn)堵管是否正確有效。封堵檢驗(yàn)的方法，一般采取單管重點(diǎn)檢漏和整體覆膜檢漏法。即在堵管區(qū)目視滲透檢驗(yàn)合格后，先對(duì)整個(gè)傳熱管區(qū)進(jìn)行吹掃。充氦保壓后進(jìn)行單管重點(diǎn)檢漏和整體覆膜檢漏。

單管重點(diǎn)檢漏主要是采用直接吸槍法對(duì)堵管區(qū)進(jìn)行重點(diǎn)檢漏，驗(yàn)證單根堵管效果；整體覆膜檢漏法是對(duì)整個(gè)管板堵管效果進(jìn)行檢驗(yàn)，整體覆膜是使用塑料薄膜將冷熱管板區(qū)分別覆蓋，在薄膜上端留出檢漏用的閥嘴，以便反復(fù)多次測(cè)試。

2.1 數(shù)據(jù)分析與驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)

數(shù)據(jù)分析時(shí)，不要只關(guān)心某個(gè)最高點(diǎn)的數(shù)據(jù)，而是要結(jié)合吸槍吸口位置，通過(guò)數(shù)據(jù)變化曲線(xiàn)進(jìn)行全面分析，確認(rèn)引起氦峰值的真正原因。

在大量數(shù)據(jù)面前，應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行合理篩選，再結(jié)合換熱管在管板上位置圖，繪制出換熱管漏率分布變化趨勢(shì)圖。重點(diǎn)分析大漏點(diǎn)區(qū)域的漏率變化趨勢(shì)，利用模糊數(shù)學(xué)理論，逐步分析出大漏點(diǎn)的準(zhǔn)確位置。

對(duì)其終極驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)就是設(shè)備冷卻水系統(tǒng)（RRI）放射性水平平均值在小于電站輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（KRT）的1級(jí)報(bào)警定值1E+04Bq/m3。目前業(yè)界的換熱器氦質(zhì)譜檢漏方案的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)是“與本底比較氦質(zhì)譜檢漏儀檢測(cè)到被測(cè)點(diǎn)的氦氣濃度變化不超過(guò)半個(gè)數(shù)量級(jí)。”，而這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)與目前所用的標(biāo)準(zhǔn)存在出入，造成一些混亂。因?yàn)闄z漏儀的設(shè)置狀態(tài)不同，“半個(gè)數(shù)量級(jí)”所對(duì)應(yīng)的漏孔的漏率是有差別的。

以德國(guó)萊寶PhoeniX L300氦質(zhì)譜檢漏儀為例，在吸槍模式，使用短吸槍最小可檢漏率是<1×10-8Pam3/s，而使用快速吸槍QT100+20 m吸槍時(shí)，最小可檢漏率是1×10-7Pa·m3/s。對(duì)參考通道型漏孔的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)下表1：

表1 通道型漏孔隨機(jī)測(cè)試結(jié)果單

表中①實(shí)測(cè)指用檢漏儀使用真空法對(duì)通道漏孔進(jìn)行實(shí)測(cè)的結(jié)果。

隨機(jī)測(cè)試結(jié)果表明：

（1）調(diào)整機(jī)器因數(shù)至1 000（或吸槍因數(shù)）可以將檢漏儀本底調(diào)高至1×10-9級(jí)，檢漏儀按清零功能（ZERO）可以使本底＜1×10-9；

（2）不同機(jī)器因數(shù)、不同的工作模式在接入QT100+20 m吸槍后的顯示值有很大的區(qū)別；采用標(biāo)準(zhǔn)通型漏孔測(cè)試時(shí)，它們的顯示值也有很大的區(qū)別；也就是說(shuō)：不同機(jī)器因數(shù)和工作模式對(duì)某一特定漏孔的顯示值存在很大差異的。所以，業(yè)界的換熱器氦質(zhì)譜檢漏方案的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該對(duì)檢漏儀的參數(shù)設(shè)置加以限定。否則可能會(huì)將堵管范圍擴(kuò)大，造成不必要的受檢設(shè)備壽命縮短；反之，可能造成漏檢，建議統(tǒng)一采用吸槍模式（機(jī)器因數(shù)1 000）。

同時(shí)，這個(gè)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)在應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)要求偏高，可能會(huì)導(dǎo)致大量的堵管。這顯然是不經(jīng)濟(jì)、不切實(shí)際的。實(shí)際操作中，還是應(yīng)根據(jù)漏點(diǎn)漏率排序結(jié)果，綜合評(píng)估它們?cè)诳偮┞手袡?quán)重和貢獻(xiàn)率，來(lái)決定堵管數(shù)量。

2.2 檢漏檢驗(yàn)靈敏度與漏率評(píng)估

確認(rèn)氣體在漏孔中的流動(dòng)狀態(tài)時(shí)漏率評(píng)估的基礎(chǔ)。而氣體在漏孔中的流動(dòng)狀態(tài)是通過(guò)漏孔的大小來(lái)評(píng)估的。在實(shí)踐中，首先通過(guò)化學(xué)取樣取得設(shè)冷水放射性水平，即反應(yīng)堆主冷卻劑Co-58的含量MBq/t、設(shè)冷水體量，然后折算出余熱排出換熱器的總泄漏率。通過(guò)柏努利方程（公式1）計(jì)算[2]出漏孔的總的截面，根據(jù)漏孔數(shù)量，按規(guī)則輪廓評(píng)估漏孔尺寸。

式中：

QL——液體泄漏速度，kg/s；

Cd——液體泄漏系數(shù)，此值常用0.6~0.64；

A——裂口面積，m3；

ρ——液體密度，kg/m3；

P——容器內(nèi)介質(zhì)壓力，Pa；

P0——環(huán)境壓力，Pa；

g——重力加速度，m/s2；

h——裂口之上液位高度，m。

據(jù)有關(guān)資料介紹，當(dāng)漏孔直徑d＞5μm時(shí)，可以認(rèn)為是沾滯流；當(dāng)漏孔直徑d＜1μm時(shí)，可以認(rèn)為是分子流[3]。這樣就可以推算出氦質(zhì)譜檢漏時(shí)所需要關(guān)注的最小漏孔漏率級(jí)別，簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)分析范圍。

吸槍法檢測(cè)（Sniffing test B.4）的最小可檢漏率為10-7Pa.m3/s，且只能用來(lái)定位[4]。在使用正壓累積法檢測(cè)（Pressure technique by accumulation-B.3）時(shí)，漏率是可以評(píng)估的，但前提是氦罩的容積以及氦罩內(nèi)的氦分壓是已知的，而且只能評(píng)估氦罩內(nèi)的總漏率。系統(tǒng)標(biāo)定時(shí)，應(yīng)使用被測(cè)設(shè)備所容許的最大漏率進(jìn)行標(biāo)定；如果僅是用于定位，則應(yīng)使用設(shè)備所容許的最小漏率。

氦罩內(nèi)的總漏率可用下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：

qG：總漏率，單位Pa·m3/s。

p，V：氦罩的壓力和體積，單位分別是Pa、m3；

C0、C1：分別是在t0、t1，氦罩試驗(yàn)起始時(shí)和結(jié)束時(shí)的濃度；

t0、t1：分別是試驗(yàn)起始時(shí)和結(jié)束時(shí)的時(shí)間。

3 余排熱交換器泄漏檢驗(yàn)

3．1 泄漏的產(chǎn)生

污染設(shè)冷水一般通過(guò)兩種途徑發(fā)生泄漏：一是換熱管發(fā)生破裂；二是高壓一回路冷卻劑通過(guò)換熱管與管板焊縫經(jīng)換熱管與管板間隙向殼側(cè)泄漏。導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因主要是兩個(gè)：即制造階段產(chǎn)生的缺陷和運(yùn)行階段產(chǎn)生的缺陷。

制造階段存在換熱管母材選用不當(dāng)、彎管工藝不合理、焊接工藝不合理、裝配不當(dāng)?shù)葐?wèn)題。這些問(wèn)題如果未及時(shí)發(fā)現(xiàn)或未徹底消除，可能會(huì)造成放射性污染設(shè)冷水事件。

對(duì)于運(yùn)行過(guò)程中管束振動(dòng)造成的減薄主要有兩種情況，一種是由于管子的流致振動(dòng)，與折流板不斷地摩擦和撞擊，使得換熱管在折流板部位產(chǎn)生槽狀減薄缺陷。另一種是相鄰的兩個(gè)傳熱管之間由于振動(dòng)產(chǎn)生的碰撞，導(dǎo)致相鄰的兩個(gè)換熱管減薄。此外，在殼側(cè)由于設(shè)冷水中雜質(zhì)沉積和附著，可能引起換熱管產(chǎn)生腐蝕；在管側(cè)，由于水流高速?zèng)_刷也會(huì)引起換熱管與管板焊縫沖蝕。溫度和壓力變化還可能在換熱管與管板焊縫上產(chǎn)生疲勞裂紋。

3.2 漏點(diǎn)位置分析

余排換熱器漏點(diǎn)位置大致可以分成如下幾個(gè)區(qū)域：

（1）換熱管與管板焊縫區(qū)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)管頭）；

（2）換熱管脹管區(qū)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)脹管區(qū)）；

（3）除換熱管脹管以外的換熱管區(qū)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)換熱管區(qū)）。

3.3 余排熱交換器氦質(zhì)譜檢漏技術(shù)

余排熱交換器氦質(zhì)譜檢漏技術(shù)主要討論以下幾個(gè)方面：清洗與烘干、充氦與保壓、單管或分區(qū)檢漏、復(fù)核與封堵鑒定、數(shù)據(jù)分析與驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)等。

3.4 清洗與烘干

清洗、烘干是氦質(zhì)譜檢漏的重要步驟之一，它的目的是清除可能堵塞漏孔的油脂、水分等雜質(zhì)，疏通漏孔，有效避免漏檢。

烘干應(yīng)在管側(cè)和殼側(cè)可同時(shí)進(jìn)行。管側(cè)和殼側(cè)烘干方法的烘干方法不同、對(duì)象也不同。

殼側(cè)烘干應(yīng)使用壓縮空氣連續(xù)烘干，即從設(shè)冷水出水口法蘭引入干燥的壓縮空氣，從設(shè)冷水進(jìn)水口法蘭排出，干燥重點(diǎn)是換熱管與管板的連接區(qū)。專(zhuān)用法蘭的剛性導(dǎo)管，強(qiáng)制將壓縮空氣吹向換熱管與管板的連接區(qū)。開(kāi)始階段，可以將設(shè)冷水入口敞開(kāi)烘干；烘干8~16小時(shí)后，安裝設(shè)冷水入口專(zhuān)用法蘭繼續(xù)烘干，直到殼側(cè)內(nèi)部相對(duì)濕度小于65%[7]。

管側(cè)烘干采用50℃~60℃的熱風(fēng)烘干，干燥時(shí)間不小于8小時(shí)。即從換熱管熱端吹入，冷端排出。

3.5 充氦與保壓

由于換熱器殼側(cè)有效容積較?。ㄐ∮? m3），所以在低壓（0.3 MPa）時(shí)，可以采用純氦氣進(jìn)行直接充壓，使?jié)舛冗_(dá)到80%以上。經(jīng)驗(yàn)可知，在足夠長(zhǎng)的保壓時(shí)間條件下，選擇0.3 MPa充氦壓力就可以滿(mǎn)足氦質(zhì)譜檢漏靈敏度的要求。

保壓時(shí)間是影響正壓吸槍累積法檢漏靈敏度的重要因素。理論上，累計(jì)時(shí)間越長(zhǎng)，檢漏靈敏度越高。但實(shí)際上，是在存在“大漏”的情況下，過(guò)長(zhǎng)的累計(jì)時(shí)間將導(dǎo)致本底異常升高，使精確定位漏點(diǎn)困難。而且，從工期和經(jīng)濟(jì)效益角度考慮，也希望盡量縮短保壓時(shí)間。

換熱器充氦后保壓時(shí)間應(yīng)在0.5~12小時(shí)左右，它取決于充氦壓力、漏孔通道的長(zhǎng)度、示蹤氣體濃度以及漏孔的位置與漏率。充氦壓力高、漏孔通道的長(zhǎng)度短、示蹤氣體濃度高、漏孔靠近管頭、漏孔的漏率大時(shí)應(yīng)取小值，反之取大值。

關(guān)于漏孔通道的長(zhǎng)度的影響因素，標(biāo)準(zhǔn)建議保壓時(shí)間為30 min/mm[5]。也就是說(shuō)，如果不考慮脹管區(qū)長(zhǎng)度，保壓時(shí)間在30~60 min就可滿(mǎn)足靈敏度要求。

3.6 單管或分區(qū)檢漏

換熱管的隔離是精確定位漏點(diǎn)的前提。熱交換器換熱管與管板焊縫是相互重疊的，而且表面有焊波，見(jiàn)圖2。換熱管間的隔離只能用黏合劑加塑料薄膜做臨時(shí)封堵。但是黏合劑與塑料薄膜可能會(huì)堵塞換熱管與管板焊縫可能存在的漏點(diǎn)。而且目前使用的黏合劑主要是凡士林，它的去除十分困難，若去除不徹底將影響焊接堵管的焊接質(zhì)量。解決方案是采用專(zhuān)用塞子對(duì)換熱管進(jìn)行隔離，避免換熱管內(nèi)部泄漏對(duì)其他的換熱管產(chǎn)生干擾，專(zhuān)用塞子由天然橡膠制成，形狀見(jiàn)圖3。

圖2 熱交換器換熱管與管板焊縫

圖3 專(zhuān)用塞子示意圖

單管檢漏就是使用吸槍對(duì)每個(gè)隔離的換熱管進(jìn)行逐一排查，重點(diǎn)關(guān)注換熱管與管板焊縫以外的區(qū)域。如發(fā)現(xiàn)吸槍槍口經(jīng)過(guò)換熱管口瞬間檢漏儀顯示數(shù)據(jù)有明顯的變化時(shí)，則應(yīng)關(guān)注換熱管與管板焊縫，進(jìn)行反復(fù)排查確認(rèn)。排查需注意如下問(wèn)題：

當(dāng)漏點(diǎn)漏率較大（高于本底顯示值2個(gè)數(shù)量級(jí)）時(shí)，泄漏的氦氣可能會(huì)對(duì)周?chē)膿Q熱管檢查造成很大的干擾，尤其是對(duì)漏點(diǎn)以上區(qū)域。此時(shí)，應(yīng)對(duì)這片區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)分析判斷。測(cè)試換熱管口、管內(nèi)的氦氣分壓；然后進(jìn)行單管臨時(shí)堵管，再測(cè)試這片區(qū)域換熱管口、管內(nèi)的氦氣分壓，直到找出漏點(diǎn)的準(zhǔn)確位置。

4 結(jié)語(yǔ)

余熱排出系統(tǒng)換熱器檢漏最直接有效的方法是氦質(zhì)譜檢漏，它不但能精確地定位出漏點(diǎn)在管板上的2D位置，還能對(duì)封堵效果進(jìn)行封堵效果檢驗(yàn)。氦質(zhì)譜檢漏中，環(huán)境條件、設(shè)備狀態(tài)、人員技術(shù)水平等諸多因素會(huì)影響檢漏的準(zhǔn)確性和可靠性，必須注重細(xì)節(jié)，合理評(píng)估，反復(fù)驗(yàn)證，才能準(zhǔn)確定位漏點(diǎn)位置。

目前，采用本文描述的氦質(zhì)譜檢漏技術(shù)在國(guó)內(nèi)某核電站2號(hào)機(jī)組余排換熱器檢漏過(guò)程中，成功地發(fā)現(xiàn)了超出驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的5根傳熱管。實(shí)施堵管后，采用單管重點(diǎn)檢漏和整體覆膜檢漏法對(duì)堵管效果進(jìn)行了檢驗(yàn)。在機(jī)組啟動(dòng)RRA系統(tǒng)時(shí)，電廠輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)未發(fā)生報(bào)警，各項(xiàng)分析數(shù)據(jù)恢復(fù)正常，保證了核電廠系統(tǒng)的安全運(yùn)行。