王洪凱

(福建福清核電有限公司，福清 350318)

余熱排出系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱RRA)熱交換器是立式U形管式熱交換器，進(jìn)出管口共1 160個(gè)。在某次運(yùn)行期間，發(fā)現(xiàn)RRA熱交換器發(fā)生泄漏，該熱交換器的特點(diǎn)是傳熱管數(shù)量多、管程長(zhǎng)，給查漏工作帶來(lái)極大的困難。為了定位泄漏點(diǎn)，計(jì)劃實(shí)施氦氣檢漏，但對(duì)于二次側(cè)開(kāi)放式結(jié)構(gòu)的熱交換器，常規(guī)氦檢漏技術(shù)存在諸多弊端[1]，如二次側(cè)氦氣本底的污染給漏點(diǎn)的精準(zhǔn)定位帶來(lái)困難；氦氣本底濃度降低到環(huán)境正常水平需要較長(zhǎng)的時(shí)間，大大增加了檢查周期。如何提高工作效率、精確定位漏點(diǎn)均是查漏過(guò)程中需要考慮的問(wèn)題，對(duì)RRA熱交換器進(jìn)行了離線氦氣檢漏，在殼側(cè)充滿氦氣，為了保證本底氦氣濃度不影響氦氣檢漏的精度和進(jìn)度，提出“橡膠塞和覆塑料薄膜”相結(jié)合的方法，分別對(duì)熱交換器的每一根管束和管口脹接焊縫進(jìn)行檢測(cè)，檢漏過(guò)程采用的是正壓吸氦法，通過(guò)對(duì)每一個(gè)可疑漏點(diǎn)的檢查，最終成功定位到泄漏點(diǎn)并對(duì)其進(jìn)行封堵。在RRA熱交換器啟動(dòng)運(yùn)行后，專門監(jiān)測(cè)該系統(tǒng)的輻射監(jiān)測(cè)儀表，未有異常顯示，說(shuō)明本次熱交換器的漏點(diǎn)全部被查出并修復(fù)，達(dá)到了預(yù)期的檢修目的。

1 余熱排出系統(tǒng)熱交換器設(shè)備簡(jiǎn)介

1.1 余熱排出系統(tǒng)熱交換器功能

RRA熱交換器的主要功能是在電廠停堆期間，經(jīng)蒸汽發(fā)生器初步冷卻和降壓后，從堆芯和反應(yīng)堆冷卻劑中導(dǎo)出熱量，保證在反應(yīng)堆停堆20 h后，反應(yīng)堆達(dá)到冷停堆狀態(tài)。熱交換器的殼側(cè)流體是冷卻水，運(yùn)行期間為除鹽水，水質(zhì)良好；管側(cè)介質(zhì)是一回路水，具有高溫、高壓、高放射性的特點(diǎn)，環(huán)境條件惡劣。該熱交換器是一回路高溫、高壓、高放射性介質(zhì)的邊界，因此設(shè)備的密封性尤為重要。

1.2 余熱排出系統(tǒng)熱交換器組成

余熱排出系統(tǒng)熱交換器管側(cè)為雙程，殼側(cè)為單程。反應(yīng)堆冷卻劑由底部入口管進(jìn)入水室，流經(jīng)U形管至出口水室，由水室出口管流出，把熱量傳給設(shè)冷水；設(shè)冷水從頂部入口管流入導(dǎo)流筒，由折流板反復(fù)橫向流經(jīng)管束，在底部殼體流出，將熱量帶走。設(shè)備主要包括上封頭、筒體、U型管束、管板、折流板、下封頭、分程隔板等，設(shè)備組成如圖1所示，熱交換器管束如圖2所示。

圖1 RRA熱交換器組成示意

圖2 RRA熱交換器管束外觀

1.3 余熱排出系統(tǒng)熱交換器的出廠密封性要求

RRA熱交換器的傳熱管與管板采用先焊接后脹接工藝，在焊接之前進(jìn)行氣密性試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力為0.3 MPa(表壓)，經(jīng)檢測(cè)無(wú)泄漏后再實(shí)施焊接和脹接，在脹接后將熱交換器殼程抽真空至0.133 Pa1.33 Pa并進(jìn)行連續(xù)抽氣，再逐個(gè)沿著傳熱管與管板連接的焊縫進(jìn)行噴氦檢測(cè)，單個(gè)焊縫泄漏率小于1.3×10-7Pa·m3·s-1為合格。

2 氦氣檢漏試驗(yàn)準(zhǔn)備

2.1 氦氣檢漏時(shí)機(jī)的選擇

氦氣檢漏可以分為在線檢漏和離線檢漏。在線檢漏對(duì)熱交換器不進(jìn)行解體，采用正壓泄漏法，通過(guò)外接管線在熱交換器的殼側(cè)充滿氦氣，同時(shí)在冷卻劑出入口進(jìn)行氦氣的檢測(cè)，總體工期少，能確定熱交換器整體是否有泄漏，但是無(wú)法精確定位泄漏管束；離線檢漏同樣采用正壓吸氦法(見(jiàn)圖3)，需要對(duì)熱交換器上半部分進(jìn)行解體并吊裝運(yùn)至檢修廠房進(jìn)行查漏，工期長(zhǎng)，吊裝、翻轉(zhuǎn)過(guò)程困難、風(fēng)險(xiǎn)大，但是能精確定位泄漏管束。為了能確定某單一泄漏點(diǎn)的具體位置，以便進(jìn)行修補(bǔ)，并驗(yàn)證返修后的泄漏情況[2]，選擇離線氦氣檢漏的方法。

圖3 正壓吸氦法示意

2.2 試驗(yàn)原理與損傷

2.2.1 試驗(yàn)原理

為了保證氦氣檢漏試驗(yàn)?zāi)軌驒z查出全部的漏點(diǎn)，工作分為初次檢漏和維修后檢漏兩個(gè)步驟。初次檢漏是該項(xiàng)工作最重要的一個(gè)步驟，是能否查出漏點(diǎn)的關(guān)鍵，其主要內(nèi)容是對(duì)熱交換器漏點(diǎn)進(jìn)行查找并定位。經(jīng)試驗(yàn)前分析，該工作主要有以下難點(diǎn)：① 如何準(zhǔn)確地判斷漏點(diǎn)在傳熱管束內(nèi)還是管口的脹接焊縫處；② 試驗(yàn)過(guò)程中如何控制環(huán)境中氦氣本底的濃度；③ 對(duì)于管口的脹接焊縫處的檢查如何分區(qū)。為克服以上難點(diǎn)，提出“橡膠塞和覆塑料薄膜”法進(jìn)行氦氣檢漏。設(shè)計(jì)并加工專用橡膠塞，在熱交換器殼側(cè)充氦氣前，使用橡膠塞對(duì)傳熱管管口進(jìn)行密封封堵，實(shí)現(xiàn)管束和管口脹接焊縫的分離檢查，精確定位漏點(diǎn)；考慮到管口脹接焊縫可能存在漏點(diǎn)，對(duì)其整個(gè)熱端和冷端進(jìn)行覆膜，保證環(huán)境中氦氣本底濃度維持在較低的水平；由于設(shè)備出廠驗(yàn)收時(shí)，廠家對(duì)傳熱管與管板連接的焊縫進(jìn)行過(guò)漏點(diǎn)檢查，認(rèn)為存在漏點(diǎn)的可能性較小，為了提高工作效率，對(duì)熱端和冷端分為9個(gè)區(qū)域進(jìn)行檢查，查漏分區(qū)模型如圖4所示。

圖4 查漏分區(qū)模型

2.2.2 氦檢漏的步驟及要求

對(duì)熱交換器的殼側(cè)進(jìn)行烘干、充氦氣、保壓。使用吸槍抽取每一個(gè)分區(qū)塑料薄膜內(nèi)的氣體，送入氦質(zhì)譜儀進(jìn)行分析[3]，確定脹接焊縫區(qū)域內(nèi)是否有漏點(diǎn)，如果有泄漏，進(jìn)一步縮小檢查范圍，直至確定漏點(diǎn)；每一個(gè)區(qū)域檢查完成后，對(duì)檢查區(qū)域進(jìn)行重新覆膜密封，防止泄漏的氦氣提升本底濃度。待氦氣本底濃度降為環(huán)境濃度時(shí)，繼續(xù)檢查下一個(gè)區(qū)域。所有區(qū)域檢查完畢后，對(duì)每一根換熱管束的檢查，都需要拔掉傳熱管的橡膠塞，逐一確定傳熱管是否有泄漏，最終達(dá)到定位的目的。如果發(fā)現(xiàn)泄漏的傳熱管，需進(jìn)行標(biāo)記并進(jìn)行后續(xù)處理。

維修后檢漏是對(duì)處理后的漏點(diǎn)進(jìn)行檢查。為提高工作效率，維修后檢漏只對(duì)傳熱管進(jìn)行覆膜封堵，使用吸槍抽取薄膜內(nèi)的氣體進(jìn)行檢測(cè)。

2.3 驗(yàn)收準(zhǔn)則確定

熱交換器內(nèi)部的流體介質(zhì)是水，使用氦氣進(jìn)行檢漏，為能找出全部漏點(diǎn)，需確定試驗(yàn)合理的氦氣泄漏率。漏孔的泄漏率不僅受漏孔壓力大小的影響，而且漏孔兩端壓差的大小也對(duì)氣流的流動(dòng)起關(guān)鍵作用，在粘滯流的作用下，漏孔的泄漏率與漏孔兩端的壓力平方差成正比[4]，參考式(1)。

(1)

式中：Q為氣體泄漏率，Pa·m3·s-1;p1為漏孔入口端壓力，Pa；p2為漏孔出口端壓力，Pa。

根據(jù)1.3節(jié)可知，出廠的氦氣檢漏泄漏率低于1.3×10-7Pa·m3·s-1為合格，出廠泄漏檢查的入口壓力為1.0×105Pa，出口壓力為0 Pa；在試驗(yàn)時(shí)，殼側(cè)壓力為4.0×105Pa，出口壓力為1.0×105Pa。

根據(jù)式(1)，Q標(biāo)準(zhǔn)=1.95×10-6Pa·m3·s-1，考慮到現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境等情況的影響，保守決策，氦氣檢漏試驗(yàn)按照Q為5×10-7Pa·m3·s-1的標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，泄漏率大于該標(biāo)準(zhǔn)的傳熱管需進(jìn)行處理。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 傳熱管編號(hào)設(shè)置

傳熱管數(shù)量為580根，共1 160個(gè)管口。為了更精確、快速地定位到某一根傳熱管，對(duì)每一根傳熱管進(jìn)行編號(hào)，標(biāo)號(hào)原則為：首先按照冷卻劑的流動(dòng)方向分為冷端和熱端，冷卻劑入口區(qū)域?yàn)闊岫?，為HOT端，簡(jiǎn)稱H端，冷卻劑出口區(qū)域?yàn)槔涠?，為COLD端，簡(jiǎn)稱C端，每一端以直角坐標(biāo)方式(Rxxx，Cxxx)表示傳熱管的編號(hào)。余熱排出熱交換器拆除下封頭后，水平放置于工作區(qū)域，并使冷卻水進(jìn)、出口位于同一水平面。面向管板，當(dāng)冷卻水出口位于左側(cè)時(shí)：定義x方向(180°往0°)為行(Row，縮寫為R)方向，最靠近下封頭隔板為R1，向外相鄰的一行為R2，依此類推，最大為R14；定義y方向(270°往90°)為列(Column，縮寫為C)方向，每列管束上方最高的一根為C1，第二高度的一根為C2，依此類推，最大為C46。如冷端的第5行、第6列表示為C(R5，C6)。

3.2 初次氦氣檢漏試驗(yàn)

考慮試驗(yàn)應(yīng)盡可能減少工期，降低人員的輻照劑量。按照實(shí)施方案將冷端區(qū)域分為9份，分別進(jìn)行橡膠塞封堵并在橡膠塞外進(jìn)行覆膜，將熱端區(qū)域分為9份，只進(jìn)行覆膜并未進(jìn)行橡膠塞封堵。只對(duì)冷端進(jìn)行橡膠塞封堵和覆膜法檢查的目的是由于傳熱管的冷端和熱端是連通的，冷端傳熱管的檢查數(shù)據(jù)可以代表整根傳熱管的數(shù)據(jù)；對(duì)熱端區(qū)域只進(jìn)行了整體覆膜，這是因?yàn)閭鳠崞髟诜胖脮r(shí)，管板側(cè)使用枕木墊高了20 cm左右，存在泄漏的情況下氦氣會(huì)向熱端的傳熱管口方向飄移，對(duì)冷端的沒(méi)有影響，覆膜的目的是讓泄漏的氦氣包裹在覆膜內(nèi)，避免影響氦氣本底。保壓2 h后開(kāi)始對(duì)其進(jìn)行檢查，系統(tǒng)本底值為3.0×10-9Pa·m3·s-1，儀器顯示正常。首先對(duì)冷熱端薄膜進(jìn)行檢查，氦質(zhì)樸儀器讀數(shù)均大于1.0×10-6Pa·m3·s-1，檢查結(jié)果不合格，后續(xù)對(duì)冷端的單管進(jìn)行檢查，完成1，2列的檢查，發(fā)現(xiàn)大漏，即大于10-710-6數(shù)量級(jí)的不合格管束較多，繼續(xù)檢查還是同樣情況。

通過(guò)數(shù)據(jù)的收集及分析，無(wú)論是覆膜內(nèi)還是傳熱管內(nèi)氦氣濃度均偏高，說(shuō)明熱交換器存在泄漏，由于本底濃度過(guò)高，并不能精確定位泄漏傳熱管，分析原因如下：① 熱端氦氣濃度偏高屬于正常現(xiàn)象，說(shuō)明傳熱管泄漏的氦氣積聚在熱端的覆膜內(nèi)；② 冷端單根傳熱管內(nèi)氦氣濃度均偏高，說(shuō)明氦氣在熱端集聚混合后由熱端管口向冷端管口擴(kuò)散；③ 冷端橡膠塞外覆膜內(nèi)氦氣濃度偏高，是冷端管束內(nèi)的氦氣通過(guò)分子熱運(yùn)動(dòng)在塞子密封不嚴(yán)的情況下，在長(zhǎng)達(dá)2 h的時(shí)間積累下造成的?？梢缘贸鼋Y(jié)論：初次氦氣檢漏失敗，原因?yàn)椴荒苤粚?duì)傳熱管的一端進(jìn)行檢查，需對(duì)兩端均進(jìn)行封堵并檢查。

3.3 方案修改后的氦氣檢漏試驗(yàn)

通過(guò)對(duì)方案進(jìn)行調(diào)整，對(duì)冷熱兩端區(qū)域的傳熱管均進(jìn)行橡膠塞封堵并在橡膠塞外整體覆膜。檢測(cè)流程為對(duì)覆膜內(nèi)的每個(gè)區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)，以確定管板與管口脹接焊縫是否有泄漏；然后對(duì)管束進(jìn)行檢漏，其流程如圖5所示。

圖5 RRA熱交換器氦氣檢漏的流程

3.3.1 脹接焊縫區(qū)域檢查

保壓1 h后，開(kāi)始對(duì)冷熱端區(qū)域的覆膜內(nèi)氣體進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)以下問(wèn)題：① 部分區(qū)域內(nèi)的氦氣濃度較高，高出本底濃度34個(gè)數(shù)量級(jí)，分別是熱端的H1，H4，H5，H7區(qū)域，冷端的C1，C4，C5，C6區(qū)域，列為可疑區(qū)域，后續(xù)重點(diǎn)檢查，具體分區(qū)如圖4所示；② 熱端區(qū)域數(shù)值比冷端區(qū)域數(shù)值高。隨后，對(duì)冷端和熱端每一個(gè)區(qū)域的覆膜逐一去除，并使用壓縮空氣進(jìn)行吹掃，確保環(huán)境氦氣濃度水平與試驗(yàn)前本底濃度基本一致，氦氣吸槍在管口脹接焊縫處進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)氦氣濃度并不高，濃度最高的區(qū)域高出本底濃度2個(gè)數(shù)量級(jí)。對(duì)于以上現(xiàn)象，推斷如下：① 覆膜區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)較高的氦氣濃度，說(shuō)明存在漏點(diǎn)，具體的漏點(diǎn)定位不能確定；② 覆膜區(qū)域的氦氣濃度比去除覆膜后的濃度高，說(shuō)明覆膜有一定的氦氣積累；③ 去除覆膜后的檢測(cè)表明，氦氣濃度不算高，可能管口脹接焊縫處漏點(diǎn)很小或是不存在漏點(diǎn)，同時(shí)存在橡膠塞對(duì)管束密封不嚴(yán)的可能性，導(dǎo)致管束內(nèi)的氦氣泄漏至覆膜內(nèi)。

3.3.2 管束區(qū)域檢查

為進(jìn)一步定位漏點(diǎn)，逐一拔出橡膠塞后對(duì)管束進(jìn)行檢查。通過(guò)對(duì)冷熱端區(qū)域每一根傳熱管進(jìn)行檢查，制作數(shù)據(jù)分布圖，并用不同顏色進(jìn)行標(biāo)記，漏點(diǎn)可疑區(qū)域示意如圖6所示，顏色越深說(shuō)明氦質(zhì)樸檢漏儀顯示的數(shù)據(jù)越大，漏點(diǎn)存在的可能性越大，并標(biāo)出7個(gè)區(qū)域(熱端4個(gè)、冷端3個(gè))作為后續(xù)重點(diǎn)排查的區(qū)域，其與覆膜檢查的可疑區(qū)域相吻合。

圖6 漏點(diǎn)可疑區(qū)域示意

3.3.3 檢查結(jié)果

通過(guò)對(duì)可疑區(qū)域及可疑的零星傳熱管進(jìn)行反復(fù)檢查和確認(rèn)，最終發(fā)現(xiàn)5根傳熱管超出驗(yàn)收準(zhǔn)則，具體數(shù)據(jù)如表1所示。其中只有R(5)-C(30)即表1中的序號(hào)2為管口脹接焊縫處漏點(diǎn)，其他的均為管束內(nèi)部的漏點(diǎn)，間接說(shuō)明橡膠塞對(duì)管束的密封性并不是很嚴(yán)密，后續(xù)作為注意事項(xiàng)進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)反饋。

表1 超出驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的傳熱管

3.4 維修后試驗(yàn)

通過(guò)對(duì)發(fā)現(xiàn)的5根泄漏傳熱管進(jìn)行堵管處理，對(duì)冷熱端進(jìn)行覆膜檢漏，在保壓1 h后，薄膜內(nèi)的泄漏率均在半個(gè)數(shù)量級(jí)內(nèi)，說(shuō)明泄漏的傳熱管均得到了維修。在啟動(dòng)RRA系統(tǒng)后，專門監(jiān)測(cè)RRA系統(tǒng)內(nèi)部放射性的電廠輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)未顯示放射性異常，說(shuō)明RRA系統(tǒng)熱交換器的漏點(diǎn)全部被查出并封堵合格，消除了設(shè)備的缺陷，保證了系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

4 結(jié)語(yǔ)

在余熱排出系統(tǒng)熱交換器的檢漏工作中，提出“橡膠塞和覆塑料薄膜”相結(jié)合的方法，采用對(duì)冷端和熱端區(qū)域均進(jìn)行封堵的方式，分別對(duì)熱交換器的管束和管口脹接焊縫進(jìn)行氦氣檢漏。

(1)U形管式熱交換器發(fā)生熱端泄漏的概率明顯大于冷端的，說(shuō)明熱端管束的運(yùn)行環(huán)境更為惡劣，存在泄漏的風(fēng)險(xiǎn)更大。

(2)使用“橡膠塞和覆塑料薄膜”相結(jié)合的方法對(duì)U形管式熱交換器的管束和脹接焊縫進(jìn)行氦氣檢漏，可有效縮小檢查范圍，定位準(zhǔn)確，大大縮短了檢漏時(shí)間，提高了檢漏效率。