趙 偉，王金龍，汪兆軍，趙 玄

(中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)股份有限公司, 武漢 430223)

核電站乏燃料水池轉(zhuǎn)運(yùn)艙如果出現(xiàn)超過系統(tǒng)規(guī)定限值的放射性物質(zhì)泄漏，會(huì)引起污染區(qū)域擴(kuò)散，人員受輻射劑量增加，從而帶來(lái)一定的核安全風(fēng)險(xiǎn)。因此，研究乏燃料水池的泄漏問題，并制定相應(yīng)的檢測(cè)方案，查找出泄漏位置是很有必要的。

1 檢測(cè)對(duì)象的結(jié)構(gòu)

核電廠乏燃料轉(zhuǎn)運(yùn)艙水池屬核安全二級(jí)設(shè)備．是轉(zhuǎn)運(yùn)核燃料組件的區(qū)域。為防止放射性含硼水泄漏，混凝土水池內(nèi)壁會(huì)設(shè)計(jì)有一層鋼襯里，通常稱鋼覆面。鋼覆面以混凝土墻或底板中預(yù)埋的支撐骨架為墊板進(jìn)行組對(duì)焊接。整個(gè)乏燃料轉(zhuǎn)運(yùn)艙水池為長(zhǎng)方體形狀，池底部有一臺(tái)倒料機(jī)，其在換料期間轉(zhuǎn)運(yùn)燃料組件，負(fù)載運(yùn)作，對(duì)池底鋼敷面施加壓力，轉(zhuǎn)運(yùn)艙結(jié)構(gòu)示意見圖1。在轉(zhuǎn)運(yùn)艙底部有一引流管，用于收集從水池鋼覆面泄漏出的水。

圖1 乏燃料轉(zhuǎn)運(yùn)艙結(jié)構(gòu)示意圖

2 泄漏理論分析

水池轉(zhuǎn)運(yùn)艙的工作介質(zhì)為水，檢測(cè)使用的介質(zhì)為空氣和氦氣，故需將液體的泄漏率轉(zhuǎn)換為氣體的泄漏率，轉(zhuǎn)換公式如式(1)所示。

(1)

對(duì)比正常大氣壓下的氣體泄漏率，可換算出不同氣體的泄漏率，但其并不能反映真實(shí)的泄漏率，目前對(duì)流體的泄漏率測(cè)量還沒有一個(gè)較為精確的手段。文章采用估算的公式來(lái)計(jì)算的泄漏率。

空氣的動(dòng)力黏度為ηq=1.84×10-5Pa·s，可得Qq=1.035×10-7×10-2Pa·m3·s-1，即該系統(tǒng)用空氣檢漏時(shí)，泄漏率為1.035×10-2Pa·m3·s-1。

3 檢漏難點(diǎn)和方法選擇

乏燃料水池的檢漏受以下幾個(gè)因素影響。

(1) 殘留水干擾。乏燃料水池轉(zhuǎn)運(yùn)艙泄漏后，水池鋼敷面與混凝土墻會(huì)殘留大量流出水，在現(xiàn)有條件下，無(wú)法去除這些殘留水，從而對(duì)檢測(cè)產(chǎn)生較大影響。

(2) 池壁冷凝水干擾。核電站位于沿海地帶，空氣濕度大，鹽分含量高，空氣中的水份易在池壁內(nèi)壁凝結(jié)成水，長(zhǎng)時(shí)間后形成水滴，存在堵塞泄漏口的可能性。

(3) 檢測(cè)靈敏度問題。通過液體泄漏率換算出的氣體泄漏率為1.005×10-2Pa·m3·s-1，則所選擇的檢漏方法靈敏度要高于10-3Pa·m3·s-1(要高于所測(cè)泄漏率一個(gè)數(shù)量級(jí))。

(4) 池壁尺寸因素。水池尺寸為深12 m，長(zhǎng)15 m，寬3 m，池壁的面積大會(huì)延長(zhǎng)檢測(cè)人員的工作時(shí)間，而增加其受輻射風(fēng)險(xiǎn)。

(5) 沾污風(fēng)險(xiǎn)。該乏燃料水池轉(zhuǎn)運(yùn)艙已服役，池壁表面有放射性物質(zhì)，存在放射性污染，增加了檢漏工作的實(shí)施難度和風(fēng)險(xiǎn)。

(6) 本底干擾。水池為半開口式結(jié)構(gòu)，采用氦氣為示蹤氣體時(shí)，會(huì)干擾儀器的顯示值。

(7) 鋼敷面承壓。鋼敷面設(shè)計(jì)時(shí)，承受正向壓力，并不能承受背面(指鋼覆面與水接觸面的反面)的正向壓力。

通過分析，對(duì)以上的難點(diǎn)可采取以下的應(yīng)對(duì)措施：對(duì)于(1)中的問題，可以排空水池中的水并空置2個(gè)月，以使殘留水盡可能減少；對(duì)于(2)中的問題，可將檢測(cè)時(shí)機(jī)選擇在秋冬季，如來(lái)年2月前，此時(shí)空氣中水蒸氣少，濕度對(duì)于泄漏率的影響會(huì)降低；對(duì)于(3)中的問題，可采用真空罩氣泡法和質(zhì)譜儀吸槍氦罩法來(lái)解決，這兩種方法采用空氣和氦氣等作為特征氣體，對(duì)鋼覆面無(wú)腐蝕，且空氣和氦氣不易殘留，較易排空，后期處理簡(jiǎn)單；對(duì)于(4)和(5)中存在的問題，應(yīng)用核電站積累的相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)可以消除。

綜上所述，可采用的方法為真空罩氣泡法和質(zhì)譜儀吸槍氦罩法，真空罩氣泡法的最小檢測(cè)靈敏度為10-5Pa·m3·s-1，質(zhì)譜儀吸槍氦罩法最小檢測(cè)靈敏度為10-9Pa·m3·s-1。第一步采用真空罩氣泡法對(duì)鋼覆面的焊縫進(jìn)行檢測(cè)，如未發(fā)現(xiàn)缺陷，擴(kuò)大檢測(cè)范圍；第二步將水池底面與側(cè)面的母材和焊縫，分成數(shù)個(gè)檢測(cè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域相互隔離，避免氣體逸散，采用氦罩法對(duì)池壁進(jìn)行檢測(cè)，快速查尋到泄漏的大致范圍后，再采用真空罩氣泡法進(jìn)行精確定位。

3.1 氦質(zhì)譜儀吸槍氦罩法檢測(cè)原理

氦質(zhì)譜儀吸槍氦罩法檢測(cè)設(shè)備主要由氦質(zhì)譜儀、吸槍和輔助泵、塑料膜、氦氣等組成(見圖2)。其基本原理是用塑料膜將被檢件的外部覆蓋住，以保證其密封性，被檢件的內(nèi)部充入一定的氦氣，吸槍插入塑料膜內(nèi)進(jìn)行檢測(cè)，如果有泄漏，氦質(zhì)譜儀讀數(shù)超過本底值，表明被塑料膜覆蓋的區(qū)域有泄漏。吸槍氦罩法的檢測(cè)靈敏度為10-210-9Pa·m3·s-1。吸槍檢漏時(shí)，檢漏儀的反應(yīng)值與檢漏儀的入口壓力和收集包的體積無(wú)關(guān)[1]，故可以采用面積較大的塑料膜覆蓋鋼覆面，使用數(shù)量較少的塑料收集包，在較快的時(shí)間內(nèi)完成塑料收集包的制作。實(shí)際泄漏率可由式(2)得到。

QL=K·Qs/β

(2)

式中:QL為實(shí)際泄漏率；K為機(jī)器因子；Qs為儀器讀數(shù)；β為氦氣濃度。

圖2 氦質(zhì)譜儀吸槍氦罩法檢測(cè)設(shè)備框圖

3.2 真空罩法檢測(cè)原理

真空罩檢漏技術(shù)屬于氣泡泄漏檢漏法的一種，檢漏設(shè)備主要由真空罩、真空泵、真空表、放氣閥等組成[2]。該方法主要用于檢測(cè)不能直接加壓的承壓部件的泄漏。其原理和基本方法為：在被檢部件局部區(qū)域涂刷起泡劑，并在其上放置真空罩，對(duì)真空罩抽真空以使局部區(qū)域的內(nèi)外兩側(cè)形成壓力差，如果被檢部件中存在穿透性缺陷，則缺陷位置處的起泡劑會(huì)因氣體通過而形成氣泡，氣泡冒出的位置可判定為漏孔位置，根據(jù)泄漏點(diǎn)氣泡的大小和出現(xiàn)頻次可判斷泄漏程度。真空罩氣泡法的靈敏度為10-410-5Pa·m3·s-1，其檢測(cè)原理示意如圖3所示。

圖3 真空罩氣泡法檢測(cè)原理示意

氣泡位于液面上方時(shí)，氣泡內(nèi)的壓力Pb可用式(3)表示。

pb=pa+4σ/Db

(3)

式中：Db為測(cè)得氣泡的直徑；σ為表面張力系數(shù)；Pa為大氣壓力。

對(duì)應(yīng)于檢測(cè)溫度T和氣泡內(nèi)的壓力Pb，泄漏率如式(4)所示。

(4)

式中：n為氣泡形成的頻率;D為氣泡直徑。

折算到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體的泄漏率為(對(duì)于液面上方的氣泡)[3]

(5)

式中:Ts,Ps分別為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的溫度，氣壓。

由式(3)(5)可以推導(dǎo)出氣泡泄漏法檢測(cè)時(shí)的泄漏率，但并不是很精確，其可以作為一個(gè)參考值來(lái)研判泄漏率的數(shù)量級(jí)。

4 檢測(cè)分區(qū)的建立

先采用真空罩氣泡法對(duì)鋼覆面焊縫進(jìn)行檢測(cè)，若未發(fā)現(xiàn)缺陷，擴(kuò)大檢測(cè)范圍，再次用氦質(zhì)譜儀吸槍氦罩法進(jìn)行檢測(cè)。

4.1 真空罩氣泡法檢測(cè)分區(qū)的建立

真空罩氣泡法操作方便，對(duì)檢測(cè)順序的要求不高，對(duì)鋼覆面焊縫采用自上而下的方式進(jìn)行檢測(cè)。

4.2 氦質(zhì)譜儀吸槍氦罩法檢測(cè)分區(qū)的建立

參考文獻(xiàn)[1]中提到①吸槍法可以對(duì)單點(diǎn)泄漏率進(jìn)行定量檢測(cè)；②吸槍檢漏時(shí)，檢漏儀的反應(yīng)值與檢漏儀的入口壓力和收集包的體積無(wú)關(guān)；③收集包的體積與檢漏儀的入口壓力會(huì)影響測(cè)試的時(shí)間，為縮短吸槍檢漏的周期，可以采用較小的收集體積和較大的入口壓力。

由于轉(zhuǎn)運(yùn)艙鋼覆面的檢測(cè)區(qū)域較大，故收集包采取以下的分布方案：① 對(duì)于壓應(yīng)力小的區(qū)域采用體積大的塑料收集包；② 對(duì)于壓應(yīng)力大的區(qū)域采用體積小的塑料收集包。

根據(jù)鋼敷面的結(jié)構(gòu)以及流體的流向，將其分為三個(gè)大區(qū)域，分別為W、B、F，其中W區(qū)為側(cè)面墻壁，分為12個(gè)小區(qū)；B區(qū)為底面，分為12個(gè)小區(qū)；F區(qū)為前部和尾部，分為4個(gè)小區(qū)，具體分布如圖4所示?？梢?，W區(qū)靠近引流管，F(xiàn)區(qū)距離引流管較遠(yuǎn)，B區(qū)與引流管距離最近，B區(qū)采用體積大的收集包，W區(qū)和F區(qū)采用體積小的收集包。

圖4 檢測(cè)分區(qū)示意

5 檢測(cè)結(jié)果

5.1 真空罩氣泡法的檢測(cè)結(jié)果

采用表1所示的檢測(cè)參數(shù)，實(shí)施檢測(cè)(檢測(cè)時(shí)間為2018年4月)。

表1 真空罩氣泡法的檢測(cè)參數(shù)

對(duì)高度2 m以下的鋼覆面焊縫檢測(cè)未發(fā)現(xiàn)氣泡。

5.2 氦質(zhì)譜儀吸槍氦罩法的檢測(cè)結(jié)果

檢測(cè)參數(shù)見表2，檢測(cè)時(shí)間為2019年1月份。

充入氦氣40 L，體積濃度為15%，充入完成后，5 min內(nèi)收集包的數(shù)據(jù)如表3所示。

表2 氦質(zhì)譜儀吸槍氦罩法的檢測(cè)參數(shù)

充入氦氣40 L，體積濃度為15%，充入完成后，20 min內(nèi)收集包的數(shù)據(jù)如表4所示。

表3 5 min內(nèi)收集包的泄漏顯示值 Pa·m3·s-1

根據(jù)采集所得的數(shù)據(jù)，得出如圖5所示的泄漏區(qū)域分布示意，從圖5可知，以B9區(qū)域?yàn)橹行?，B7、B10、B11以及W5共5個(gè)區(qū)域存在泄漏的可能性，根據(jù)文獻(xiàn)可知，0.1 mm的泄漏孔對(duì)應(yīng)著10-1Pa·m3·s-1泄漏率，0.01 mm的泄漏孔對(duì)應(yīng)著10-3Pa·m3·s-1泄漏率，0.1 mm和0.01 mm的泄漏孔可以通過肉眼觀察到，分析有以下的可能性：① B9、B7、B10、B11、W5這5個(gè)區(qū)域都有泄漏，但是泄漏點(diǎn)的泄漏率不超過10-4Pa·m3·s-1，為多個(gè)小泄漏點(diǎn)的累積泄漏；② B9區(qū)域存在大的泄漏點(diǎn)，因收集包和固定膠布固有的密封性問題，收集包的密封性能不足以密封住氦氣，存在氦氣彌散至附近區(qū)域的現(xiàn)象，B7、B10、B11、W5區(qū)域的顯示值高于本底是受到了B9區(qū)域泄漏點(diǎn)的影響。

表4 20 min內(nèi)收集包的泄漏顯示值 Pa·m3·s-1

圖5 泄漏區(qū)域分布示意圖

通過重新測(cè)量，找到位于池底母材上的區(qū)域B9，儀器讀數(shù)為6×10-6Pa·m3·s-1，超過本底3個(gè)數(shù)量級(jí)，機(jī)器因子為1 000。機(jī)器因子是在內(nèi)部校準(zhǔn)后要考慮的檢漏儀與測(cè)量模式以及使用的測(cè)量模式(GROSS/FINE)下抽真空系統(tǒng)中泵的有效氦抽速之比。最終的檢測(cè)結(jié)果是測(cè)量漏率與機(jī)器因子的乘積。B9區(qū)域泄漏點(diǎn)的測(cè)量值如表5所示。

表5 B9區(qū)域泄漏點(diǎn)的4次測(cè)量值

經(jīng)過核算，得出真實(shí)的泄漏值為

3.6×10-2Pa·m3·s-1

后續(xù)采用真空罩氣泡法進(jìn)一步確認(rèn)，檢測(cè)參數(shù)如表1所示。真空罩氣泡法驗(yàn)證后σ=7.2×10-2N·m-1，氣泡直徑為5 mm，n為4，真空度為-0.05 MPa。得出Ls為1.3×10-2Pa·m3·s-1，QL為3.6×10-2Pa·m3·s-1，兩者換算的值在同一數(shù)量級(jí)內(nèi)，表明泄漏值的數(shù)量級(jí)是準(zhǔn)確的。

6 結(jié)論

(1) 氦質(zhì)譜儀吸槍氦罩法和真空罩氣泡法是有效的檢漏方法，兩者結(jié)合起來(lái)，可明顯地檢測(cè)出10-4Pa·m3·s-1以下泄漏率的泄漏點(diǎn)，并大幅提高檢測(cè)效率。

(2) 沿海地帶濕度大，易形成冷凝水附著于鋼覆面上從而堵塞缺陷口，應(yīng)在排空水池干燥2月后，來(lái)年后的2個(gè)月份前進(jìn)行檢測(cè)為佳。

(3) 服役期間的燃料水池，低放射性環(huán)境對(duì)泄漏檢測(cè)無(wú)影響。