彭恭斌 余其濤 盧 威 代 闖 金啟強

（中核武漢核電運行技術(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)，它由兩臺排除泵、兩臺熱交換器和相關(guān)的閥門、管道組成。其中余熱排出換熱器（以下簡稱“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)二回路不能運行時，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)測系統(tǒng)報警，當(dāng)報警水平超過設(shè)定級別時，將會觸發(fā)自動停堆信號。所以定期對余排熱交換器進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)上部進口流入，吸收熱量后，從殼側(cè)下部出口流出，見圖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脈沖旋轉(zhuǎn)氬弧焊，焊后進行全深度液壓脹。換熱管與管板焊縫脹管前，需對換熱管與管板連接焊縫進行氣密性試驗[1]，試驗壓力為0.3 MPa（表壓），經(jīng)檢驗合格后，才能進行脹管。脹管后，對換熱管與管板連接焊縫進行真空法氦質(zhì)譜檢漏，漏率小于1.3×10-7Pam3/s合格。余排熱交換器發(fā)生泄漏有兩個位置：一個是換熱管發(fā)生破裂；另一個是換熱管與管板的間隙導(dǎo)致泄漏。

2 封堵檢驗

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，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)量內(nèi)。因此，漏點復(fù)核要慎之又慎，復(fù)核時除反復(fù)確認外，還應(yīng)對同一根換熱管冷熱端進行數(shù)據(jù)對比。

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

單管重點檢漏主要是采用直接吸槍法對堵管區(qū)進行重點檢漏，驗證單根堵管效果；整體覆膜檢漏法是對整個管板堵管效果進行檢驗，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)多次測試。

2.1 數(shù)據(jù)分析與驗收標(biāo)準(zhǔn)

數(shù)據(jù)分析時，不要只關(guān)心某個最高點的數(shù)據(jù)，而是要結(jié)合吸槍吸口位置，通過數(shù)據(jù)變化曲線進行全面分析，確認引起氦峰值的真正原因。

在大量數(shù)據(jù)面前，應(yīng)對數(shù)據(jù)進行合理篩選，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圖。重點分析大漏點區(qū)域的漏率變化趨勢，利用模糊數(shù)學(xué)理論，逐步分析出大漏點的準(zhǔn)確位置。

對其終極驗收標(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)測系統(tǒng)（KRT）的1級報警定值1E+04Bq/m3。目前業(yè)界的換熱器氦質(zhì)譜檢漏方案的驗收標(biāo)準(zhǔn)是“與本底比較氦質(zhì)譜檢漏儀檢測到被測點的氦氣濃度變化不超過半個數(shù)量級?！?，而這個標(biāo)準(zhǔn)與目前所用的標(biāo)準(zhǔn)存在出入，造成一些混亂。因為檢漏儀的設(shè)置狀態(tài)不同，“半個數(shù)量級”所對應(yīng)的漏孔的漏率是有差別的。

以德國萊寶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，最小可檢漏率是1×10-7Pa·m3/s。對參考通道型漏孔的測試結(jié)果見下表1：

表1 通道型漏孔隨機測試結(jié)果單

表中①實測指用檢漏儀使用真空法對通道漏孔進行實測的結(jié)果。

隨機測試結(jié)果表明：

（1）調(diào)整機器因數(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，檢漏儀按清零功能（ZERO）可以使本底＜1×10-9；

（2）不同機器因數(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)通型漏孔測試時，它們的顯示值也有很大的區(qū)別；也就是說：不同機器因數(shù)和工作模式對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)譜檢漏方案的驗收標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該對檢漏儀的參數(shù)設(shè)置加以限定。否則可能會將堵管范圍擴大，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（機器因數(shù)1 000）。

同時，這個驗收標(biāo)準(zhǔn)在應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)要求偏高，可能會導(dǎo)致大量的堵管。這顯然是不經(jīng)濟、不切實際的。實際操作中，還是應(yīng)根據(jù)漏點漏率排序結(jié)果，綜合評估它們在總漏率中權(quán)重和貢獻率，來決定堵管數(shù)量。

2.2 檢漏檢驗靈敏度與漏率評估

確認氣體在漏孔中的流動狀態(tài)時漏率評估的基礎(chǔ)。而氣體在漏孔中的流動狀態(tài)是通過漏孔的大小來評估的。在實踐中，首先通過化學(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。通過柏努利方程（公式1）計算[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，可以認為是沾滯流；當(dāng)漏孔直徑d＜1μm時，可以認為是分子流[3]。這樣就可以推算出氦質(zhì)譜檢漏時所需要關(guān)注的最小漏孔漏率級別，簡化數(shù)據(jù)分析范圍。

吸槍法檢測（Sniffing test B.4）的最小可檢漏率為10-7Pa.m3/s，且只能用來定位[4]。在使用正壓累積法檢測（Pressure technique by accumulation-B.3）時，漏率是可以評估的，但前提是氦罩的容積以及氦罩內(nèi)的氦分壓是已知的，而且只能評估氦罩內(nèi)的總漏率。系統(tǒng)標(biāo)定時，應(yīng)使用被測設(shè)備所容許的最大漏率進行標(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行計算：

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，氦罩試驗起始時和結(jié)束時的濃度；

t0、t1：分別是試驗起始時和結(jié)束時的時間。

3 余排熱交換器泄漏檢驗

3．1 泄漏的產(chǎn)生

污染設(shè)冷水一般通過兩種途徑發(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：即制造階段產(chǎn)生的缺陷和運行階段產(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)葐栴}。這些問題如果未及時發(fā)現(xiàn)或未徹底消除，可能會造成放射性污染設(shè)冷水事件。

對于運行過程中管束振動造成的減薄主要有兩種情況，一種是由于管子的流致振動，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傳熱管之間由于振動產(chǎn)生的碰撞，導(dǎo)致相鄰的兩個換熱管減薄。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)，由于水流高速沖刷也會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 漏點位置分析

余排換熱器漏點位置大致可以分成如下幾個區(qū)域：

（1）換熱管與管板焊縫區(qū)（以下簡稱管頭）；

（2）換熱管脹管區(qū)（以下簡稱脹管區(qū)）；

（3）除換熱管脹管以外的換熱管區(qū)（以下簡稱換熱管區(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)可同時進行。管側(cè)和殼側(cè)烘干方法的烘干方法不同、對象也不同。

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)冷水進水口法蘭排出，干燥重點是換熱管與管板的連接區(qū)。專用法蘭的剛性導(dǎo)管，強制將壓縮空氣吹向換熱管與管板的連接區(qū)。開始階段，可以將設(shè)冷水入口敞開烘干；烘干8~16小時后，安裝設(shè)冷水入口專用法蘭繼續(xù)烘干，直到殼側(cè)內(nèi)部相對濕度小于65%[7]。

管側(cè)烘干采用50℃~60℃的熱風(fēng)烘干，干燥時間不小于8小時。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)有效容積較小（小于5 m3），所以在低壓（0.3 MPa）時，可以采用純氦氣進行直接充壓，使?jié)舛冗_到80%以上。經(jīng)驗可知，在足夠長的保壓時間條件下，選擇0.3 MPa充氦壓力就可以滿足氦質(zhì)譜檢漏靈敏度的要求。

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

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

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

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，見圖2。換熱管間的隔離只能用黏合劑加塑料薄膜做臨時封堵。但是黏合劑與塑料薄膜可能會堵塞換熱管與管板焊縫可能存在的漏點。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。解決方案是采用專用塞子對換熱管進行隔離，避免換熱管內(nèi)部泄漏對其他的換熱管產(chǎn)生干擾，專用塞子由天然橡膠制成，形狀見圖3。

圖2 熱交換器換熱管與管板焊縫

圖3 專用塞子示意圖

單管檢漏就是使用吸槍對每個隔離的換熱管進行逐一排查，重點關(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)過換熱管口瞬間檢漏儀顯示數(shù)據(jù)有明顯的變化時，則應(yīng)關(guān)注換熱管與管板焊縫，進行反復(fù)排查確認。排查需注意如下問題：

當(dāng)漏點漏率較大（高于本底顯示值2個數(shù)量級）時，泄漏的氦氣可能會對周圍的換熱管檢查造成很大的干擾，尤其是對漏點以上區(qū)域。此時，應(yīng)對這片區(qū)域進行重點分析判斷。測試換熱管口、管內(nèi)的氦氣分壓；然后進行單管臨時堵管，再測試這片區(qū)域換熱管口、管內(nèi)的氦氣分壓，直到找出漏點的準(zhǔn)確位置。

4 結(jié)語

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在管板上的2D位置，還能對封堵效果進行封堵效果檢驗。氦質(zhì)譜檢漏中，環(huán)境條件、設(shè)備狀態(tài)、人員技術(shù)水平等諸多因素會影響檢漏的準(zhǔn)確性和可靠性，必須注重細節(jié)，合理評估，反復(fù)驗證，才能準(zhǔn)確定位漏點位置。

目前，采用本文描述的氦質(zhì)譜檢漏技術(shù)在國內(nèi)某核電站2號機組余排換熱器檢漏過程中，成功地發(fā)現(xiàn)了超出驗收標(biāo)準(zhǔn)的5根傳熱管。實施堵管后，采用單管重點檢漏和整體覆膜檢漏法對堵管效果進行了檢驗。在機組啟動RRA系統(tǒng)時，電廠輻射監(jiān)測系統(tǒng)未發(fā)生報警，各項分析數(shù)據(jù)恢復(fù)正常，保證了核電廠系統(tǒng)的安全運行。