馬詠 邱憲苗 丁兆建 梁廣學(xué)

摘? 要：核電廠二回路管道系統(tǒng)中使用了大量的關(guān)斷型閥門(mén)，其中重要蒸汽與給水閥門(mén)的參數(shù)相對(duì)較高，一旦內(nèi)漏，不僅直接影響機(jī)組出力，還會(huì)造成閥后管道的氣蝕、閃蒸、液滴沖擊及流動(dòng)加速腐蝕等老化問(wèn)題。本文介紹了聲發(fā)射內(nèi)漏檢測(cè)法在核電現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用，并基于理論公式及試驗(yàn)數(shù)據(jù)評(píng)估出內(nèi)漏量，為電廠開(kāi)展基于狀態(tài)的維修提供了指導(dǎo)，在提高機(jī)組出力的同時(shí)，減少了維修成本。

關(guān)鍵詞：聲發(fā)射? 閥門(mén)? 內(nèi)漏? 老化機(jī)理? 監(jiān)測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào)：TL38? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2021）05（c）-0045-03

Application of Acoustic Emission Method in Internal Leakage Detection of Secondary Loop Valves in Nuclear Power Plant

MA Yong? QIU Xianmiao? DING Zhaojian? LIANG Guangxue

（Guangxi Fangchenggang Nuclear Power Plant， Fangchenggang， Guangxi Zhuang Autonomous Region， 538001? China）

Abstract：A large number of shut-off valves are used in the secondary pipeline system of nuclear power plant， among which the parameters of important steam and feed water valves are relatively high. Once the internal leakage not only directly affects the output of the unit， but also causes aging problems such as cavitation， flash， droplet impact and flow accelerated corrosion of the pipeline behind the valve. This paper introduces the application of acoustic emission internal leakage detection method in nuclear power field， and evaluates the internal leakage based on theoretical formula and test data， which provides guidance for the state-based maintenance of power plant， and reduces the maintenance cost while increasing the unit output.

Key Words： Acoustic emission; Valve; Internal leakage; Aging mechanism; Monitoring

核電廠常規(guī)島蒸汽與給水系統(tǒng)中使用了大量的關(guān)斷型閥門(mén)，這些閥門(mén)一旦發(fā)生內(nèi)漏，將可能造成安全事故及機(jī)組出力不足的問(wèn)題。此外，在高能的二回路管道系統(tǒng)中，閥門(mén)一旦發(fā)生內(nèi)漏，還將引發(fā)一系列的腐蝕問(wèn)題，形成更加隱蔽的缺陷。因此，閥門(mén)內(nèi)漏長(zhǎng)期以來(lái)一直是核電廠安全與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的關(guān)注技術(shù)問(wèn)題。

1? 閥門(mén)內(nèi)漏的危害

閥門(mén)內(nèi)漏不僅將造成高品質(zhì)工質(zhì)的浪費(fèi)以及安全風(fēng)險(xiǎn)，還將造成閥門(mén)上下游壓降過(guò)大，而引發(fā)一系列的潛在腐蝕老化問(wèn)題，如氣蝕、閃蒸、液滴沖擊侵蝕[1]及流動(dòng)加速腐蝕，這些老化降質(zhì)如不能被及時(shí)探測(cè)到，一旦失效將可能造成嚴(yán)重的安全生產(chǎn)事故[2]。

1.1? 氣蝕

氣蝕也稱(chēng)為空泡腐蝕，當(dāng)流體通過(guò)閥門(mén)泄漏形成的通道時(shí)，流體的流速增大，壓力減小。當(dāng)壓力低于液體在該溫度下的飽和蒸汽壓時(shí)，液體蒸發(fā)為小氣泡。當(dāng)氣泡到達(dá)高壓區(qū)時(shí)將迅速崩潰，產(chǎn)生局部真空后導(dǎo)致閥門(mén)下游金屬管道表面產(chǎn)生損傷。氣蝕過(guò)程中壓力與距離的關(guān)系見(jiàn)圖1。

1.2 閃蒸

當(dāng)高壓液流通過(guò)閥門(mén)泄漏區(qū)域時(shí)產(chǎn)生劇烈的壓降而形成氣泡，由于下游壓力低于飽和蒸汽壓，氣泡并不發(fā)生崩潰，產(chǎn)生比液體平均密度低得多的兩相混合流，這將使下游流體的流速大大增加，高速液體沖擊將對(duì)管道及其部件產(chǎn)生閃蒸損傷。閃蒸過(guò)程中壓力變化與距離之間的關(guān)系見(jiàn)圖2。

1.3 液滴沖擊侵蝕

閥門(mén)泄漏流體中的高速流體或者包含液滴的兩相蒸汽沖擊下游管道表面，將造成液滴沖擊侵蝕（LDE），如液滴直徑足夠大并且速度足夠高，將會(huì)產(chǎn)生表面破壞。

1.4 流動(dòng)加速腐蝕

流動(dòng)加速腐蝕（FAC）是碳鋼或低合金鋼表面氧化膜溶進(jìn)流動(dòng)的水或者汽水混合物中，氧化膜變薄且保護(hù)性降低，同時(shí)腐蝕速率增加，最后腐蝕速率等于溶解速率并保持恒定的一個(gè)過(guò)程。當(dāng)閥門(mén)發(fā)生內(nèi)漏時(shí)，內(nèi)漏處的流速、溫度可能使下游管道對(duì)FAC的敏感性加強(qiáng)。

2? 現(xiàn)有管理手段的不足

核電廠在閥門(mén)內(nèi)漏檢測(cè)時(shí)通常采用上下游溫度比較法，即通過(guò)測(cè)溫槍對(duì)閥門(mén)上下游鄰近管道本體進(jìn)行溫度測(cè)量。通常，當(dāng)閥門(mén)下游溫度明顯低于上游溫度時(shí)，可判斷閥門(mén)未發(fā)生內(nèi)漏;當(dāng)閥門(mén)下游溫度接近上游溫度時(shí)，判斷閥門(mén)可能存在內(nèi)漏。然而以上方法存在一定的局限性：（1）當(dāng)閥門(mén)上下游溫度本來(lái)就接近時(shí)，該方法難以有效判斷出閥門(mén)是否發(fā)生內(nèi)漏;（2）當(dāng)閥門(mén)為非水平安裝時(shí)，即使發(fā)生內(nèi)漏，造成下游臨近管道溫度的提高也有限;（3）當(dāng)介質(zhì)本身不引起管系溫度差異時(shí)，如常溫介質(zhì)、氣體介質(zhì)，溫度判斷法將無(wú)法使用;（4）僅能做定性判斷，無(wú)法評(píng)估內(nèi)漏量，對(duì)檢修的指導(dǎo)性不強(qiáng)。為了有效提高核電廠閥門(mén)內(nèi)漏的檢測(cè)與評(píng)估能力，有必要采用更加先進(jìn)的檢測(cè)方法。

3? 聲發(fā)射閥門(mén)內(nèi)漏檢測(cè)原理

由于高能管道泄漏時(shí)會(huì)發(fā)出聲信號(hào)，因此使用常規(guī)聽(tīng)音檢測(cè)理論是可行的。然而，核電廠現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備繁多，環(huán)境干擾信號(hào)將嚴(yán)重影響常規(guī)的聽(tīng)音檢測(cè)的準(zhǔn)確性。而聲發(fā)射是一種來(lái)自于材料內(nèi)部，由于突然釋放應(yīng)變能而形成的彈性應(yīng)力波[3-4]。在一定壓差下，閥門(mén)內(nèi)漏時(shí)將會(huì)發(fā)出聲發(fā)射信號(hào)，通過(guò)高靈敏度的聲發(fā)射傳感器接收后轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，對(duì)電信號(hào)進(jìn)行分析可判斷閥門(mén)是否存在泄漏。此外，通過(guò)理論分析與試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可進(jìn)一步計(jì)算出泄漏率[5]。

4? 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施

4.1 檢測(cè)流程

使用聲發(fā)射法檢測(cè)閥門(mén)內(nèi)漏時(shí)，流程主要如下：（1）確保閥門(mén)是關(guān)閉狀態(tài)，上下游存在足夠壓差，以產(chǎn)生湍流。（2）打磨閥門(mén)本體外殼及上下游管道上的疏松鐵銹，在探頭上涂抹耦合劑，并將其用力按壓在測(cè)點(diǎn)上。上下游測(cè)點(diǎn)應(yīng)距離閥門(mén)0.5～1m。對(duì)于溫度較高的閥門(mén)，可在探頭上連接專(zhuān)用的波導(dǎo)桿進(jìn)行檢測(cè)。（3）進(jìn)行檢測(cè)，記錄穩(wěn)定后的數(shù)值。（4）通過(guò)將讀數(shù)信息與實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行對(duì)比，判斷是否泄漏及其泄漏率。（5）根據(jù)泄漏量對(duì)機(jī)組安全性與經(jīng)濟(jì)性的影響，結(jié)合電廠檢修計(jì)劃，在合適的窗口執(zhí)行閥門(mén)維修。

4.2 測(cè)試方法

在電廠現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試閥門(mén)內(nèi)漏時(shí)，應(yīng)注意燙傷、誤碰以及走錯(cuò)間隔等工作風(fēng)險(xiǎn)。為保證現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的準(zhǔn)確性，現(xiàn)場(chǎng)上下游測(cè)點(diǎn)應(yīng)距離閥門(mén)0.5～1m，閥門(mén)本體上可多測(cè)幾個(gè)點(diǎn)，以最高值作為閥門(mén)本體值。測(cè)量數(shù)據(jù)為平均信號(hào)電平（ASL）。

4.3 檢測(cè)結(jié)果

若閥門(mén)有泄漏，通常閥門(mén)下游讀數(shù)明顯高于閥門(mén)上游讀數(shù)（大約高5～10dB）。該檢測(cè)手段儀器便攜，可進(jìn)行在線檢測(cè)或監(jiān)測(cè)[6]。對(duì)核電廠汽輪機(jī)旁路排放系統(tǒng)（GCT）閥門(mén)檢測(cè)的結(jié)果見(jiàn)表1。

5? 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)聲發(fā)射方法檢測(cè)了核電廠二回路汽水管道重要閥門(mén)的內(nèi)漏，閥門(mén)解體檢查結(jié)果顯示該方法可靠有效。與電廠常規(guī)方法進(jìn)行比對(duì)，聲發(fā)射法不僅檢測(cè)速率快，結(jié)果準(zhǔn)確，還能應(yīng)用于溫度法不能檢測(cè)的領(lǐng)域。

聲發(fā)射法可一定程度上計(jì)算出現(xiàn)場(chǎng)泄漏率，但該數(shù)據(jù)需要搭建專(zhuān)門(mén)的試驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行核實(shí)驗(yàn)證。為更好地對(duì)現(xiàn)場(chǎng)汽水閥門(mén)進(jìn)行內(nèi)漏檢測(cè)，降低泄漏率評(píng)估誤差，建議進(jìn)一步開(kāi)展試驗(yàn)工作以不斷優(yōu)化定量評(píng)估能力。

參考文獻(xiàn)

[1] 申罡.核電廠二回路冷卻系統(tǒng)的沖蝕管理[J].腐蝕與防護(hù)，2018，39（7）：535-538.

[2] 李程，李強(qiáng)，羅林，等.閥門(mén)內(nèi)漏原因的分析及解決方案[J].化工管理，2021（7）：132-133.

[3] 李偉，馬云棟，蔣鵬，等.基于聲學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)理論的輸油管道閥門(mén)內(nèi)漏問(wèn)題分析[J].壓力容器，2017，34（12）：55-62.

[4] 吳猛猛，董秀臣，孫團(tuán).基于聲發(fā)射的艦船管路閥門(mén)內(nèi)漏檢測(cè)技術(shù)研究[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)，2019，33（9）：166-169.

[5] 雷紅祥.基于聲發(fā)射的天然氣管道閥門(mén)內(nèi)漏檢測(cè)技術(shù)研究[D].北京：中國(guó)石油大學(xué)，2017.

[6] 張庚.天然氣管道閥門(mén)內(nèi)漏流量與聲發(fā)射信號(hào)特征量化關(guān)系實(shí)驗(yàn)研究[D].北京：中國(guó)石油大學(xué)，2018.