單 強，陳英瑜，王永超

（中廣核核電運營有限公司，廣東 深圳 518000）

安全殼試驗中出現(xiàn)泄漏率超標將是一個非常棘手的問題。第一，由于安全殼邊界范圍特別大，其表面積甚至超過一個標準足球場；第二，潛在影響泄漏率結(jié)果的因素眾多；第三，該試驗處于大修關(guān)鍵路徑上。每當試驗人員面臨這種困難而又緊張的局面時，如何快速、準確地定位泄漏點將是一項十分復雜和艱巨的挑戰(zhàn)。

1 安全殼試驗簡介

安全殼作為核電廠最后一道安全屏障，其密封性直接關(guān)乎著公眾和環(huán)境的安全。根據(jù)法規(guī)要求，安全殼在建成投運前與裝料后每10 a 須進行1 次安全殼試驗，以保證其整體密封性滿足設(shè)計要求。

以中國改進型三環(huán)路壓水堆（CPR1000）機組為例，其安全殼為圓柱形預應(yīng)力鋼筋混凝土構(gòu)筑物，外徑約為37 m，地面上高度約為60 m，壁厚為900 mm，內(nèi)附鋼襯里厚度為6 mm，內(nèi)部自由體積約為50 000 m3，筒體上不同層高分布著數(shù)量眾多的貫穿件，根據(jù)設(shè)計，在核電廠發(fā)生一回路失水事故（LOCA）和二回路蒸汽管道、給水管道破裂事故時，安全殼能承受4.2 bar.g 內(nèi)壓，并限制放射性物質(zhì)向安全殼外泄漏。

有關(guān)安全殼整體泄漏率的測量，行業(yè)內(nèi)普遍采用的是絕對質(zhì)量法[1-3]，經(jīng)推導，泄漏率可通過求各個實時監(jiān)測參數(shù)（壓力、溫度、濕度）單位時間內(nèi)的相對變化，然后再線性合成（疊加）得到。安全殼內(nèi)在同一時刻，各處的壓力可認為是相同的，但溫度和濕度差異明顯。因此，為準確測量安全殼內(nèi)的溫度和濕度，試驗人員把安全殼內(nèi)的自由空間劃分為若干個溫度區(qū)域和濕度區(qū)域，在這些區(qū)域內(nèi)，各點的溫濕度可近似地認為是一致的，然后把位于不同區(qū)域傳感器采集到的數(shù)據(jù)統(tǒng)一匯集至泄漏率數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，再通過泄漏率數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)進行實時計算，從而得到安全殼泄漏率結(jié)果。

安全殼泄漏率測量系統(tǒng)的基本構(gòu)架如圖1 所示。

2 安全殼泄漏率超標原因分析

安全殼泄漏率的限值十分嚴苛，以CPR1000 機組為例，其驗收標準為：在LOCA 后24 h 內(nèi)安全殼總的泄漏率小于安全殼內(nèi)所含氣體質(zhì)量的0.3%，即安全殼在4.2 bar.g 的差壓下每小時泄漏量不得超過16 Nm3。相對于表面積約等于一個足球場的安全殼來講，如果存在一個鉛筆芯大小的貫穿孔就會導致泄漏率結(jié)果超標。

安全殼試驗的邊界范圍較廣，主要包括鋼內(nèi)襯、機械貫穿件、電氣貫穿件、人員閘門貫穿件、設(shè)備閘門貫穿件及核燃料傳輸貫穿件等，其中任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)異常都有可能導致安全殼泄漏率超標，因此，需根據(jù)其各自的結(jié)構(gòu)特點，結(jié)合歷史經(jīng)驗反饋并逐一分析[4]。

2.1 鋼內(nèi)襯

CPR1000 機組安全殼的密封性主要依靠鋼襯里來保證，這些鋼板通過焊接拼裝構(gòu)成了安全殼壓力邊界的主體，包括底板、截錐體、圓柱體和穹頂?shù)取？紤]到這些焊縫在建造期間已根據(jù)RCC-G《900 MWe 壓水堆核電站土建設(shè)計與建造規(guī)范》進行了100%比例的無損檢測，一般可認為通過鋼內(nèi)襯泄漏導致超標的概率是極低的。但假如在內(nèi)觀檢查時發(fā)現(xiàn)鋼內(nèi)襯出現(xiàn)明顯缺陷，包括被外部撞擊的痕跡、涂層粉化、剝落，甚至鼓泡開裂、銹蝕等，則需對相關(guān)區(qū)域進行重點分析，評估損傷情況。

需特別提醒的是，目前的內(nèi)觀檢查范圍僅針對暴露在外的鋼內(nèi)襯部分，而對于不可達部分暫時還無法檢查，隨著運行時間的延長，這些不可達位置就存在被腐蝕貫穿的可能，且很難被發(fā)現(xiàn)。國外某機組曾在安全殼試驗中出現(xiàn)泄漏率超標，經(jīng)過2 個多月的排查才最終定位了泄漏位置。泄漏點發(fā)生在混凝土底板周邊的鋼襯里部位（圖2），這個位置存在局部襯里腐蝕，腐蝕穿孔面積大約為3～10 mm2，可能由于腐蝕面積和伸縮縫間距太小不便于檢查的原因，在清除伸縮縫中的填充材料后，內(nèi)窺鏡檢查未能發(fā)現(xiàn)確切腐蝕點。但通過“底部浸沒”條件（試驗過程中實際是將底板上部浸沒高度為10 cm 的水，對應(yīng)LOCA 事故工況）下重新進行安全殼密封性試驗，結(jié)果合格，從而間接證實了泄漏位置。

圖2 安全殼底板混凝土結(jié)構(gòu)整體示意圖

為避免出現(xiàn)類似異常，應(yīng)建立對相關(guān)伸縮縫區(qū)域鋼襯里的定期檢查措施，以便盡早識別鋼襯里是否發(fā)生腐蝕減薄現(xiàn)象。

2.2 機械貫穿件

根據(jù)安全殼試驗的設(shè)置原則，機械貫穿件隔離閥上下游會進行排空并聯(lián)通大氣，雖然所有的閥門在試驗前都已進行貫穿件試驗以驗證其密封性，但在相關(guān)歷史經(jīng)驗反饋中，安全殼換氣通風系統(tǒng)（EBA）、安全殼內(nèi)大氣監(jiān)測系統(tǒng)（ETY）、核島排氣和疏水系統(tǒng)（RPE）等都多次在安全殼試驗期間發(fā)生隔離閥密封性不嚴導致泄漏率超標的情況。究其原因，大致可分為如下幾類。①密封面存在異物。在大修尤其是工程建設(shè)期間，安全殼內(nèi)存在大量的土建、焊接、切割和打磨等操作，這些作業(yè)都會產(chǎn)生大量的粉塵和雜屑，從而通過通風口或設(shè)備開口進入到相關(guān)系統(tǒng)中去。當然，這些雜屑也有可能來自系統(tǒng)內(nèi)部，如在某次安全殼試驗中，隔離閥密封面位置發(fā)現(xiàn)大量鐵銹，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)這些異物都是來自系統(tǒng)管道內(nèi)部因腐蝕而脫落的殘渣；②制造工藝不佳。這類情況一般在閥門出現(xiàn)換型或制造商變更時較多，具體表現(xiàn)為貫穿件試驗不合格率高，試驗結(jié)果復現(xiàn)性差，密封面需反復研磨才能達標，止回閥不回座等；③閥門狀態(tài)錯誤。在安全殼試驗前未正確設(shè)置閥門狀態(tài)，可能是由于人員疏忽或是文件錯誤，或者是某些需要遠動關(guān)閉的閥門，其執(zhí)行機構(gòu)實際行程未到位，但在主控室顯示已隔離關(guān)閉。

綜上，即便貫穿件隔離閥在安全殼試驗前都已進行過貫穿件試驗，但由于制造工藝、運行環(huán)境、人員疏忽和機械可靠性等多種因素的影響，再加上這些閥門數(shù)量龐大（CPR1000 機組共布置84 組機械貫穿件，對應(yīng)的安全殼隔離閥接近300 個），貫穿件試驗結(jié)束到安全殼試驗開始之間還有一段時間間隔，導致后續(xù)出現(xiàn)密封性不嚴的概率依然較大。因此，一旦出現(xiàn)安全殼泄漏率超標，它們也是最值得關(guān)注和排查的對象。

2.3 電氣貫穿件

電氣貫穿件結(jié)構(gòu)如圖3 所示。電氣貫穿件安裝在鋼襯套管內(nèi)，在安全殼墻壁內(nèi)外兩側(cè)通過2 個鋼板密封，電纜通過密封裝置穿過這2 塊鋼板。這一鋼襯套管與貫穿件鋼襯筒焊接在一起。另外，在安全殼墻壁外側(cè)鋼板上，安裝有充壓和測壓裝置，可用于實時監(jiān)視貫穿件內(nèi)氮氣的壓力。由于電氣貫穿件基本為焊接形式，在安全殼試驗期間出現(xiàn)泄漏的可能性并不大，日常期間曾出現(xiàn)過氮氣壓力下降的案例，經(jīng)核實是壓力表連接處的密封圈老化所致。

2.4 人員閘門、設(shè)備閘門、燃料傳輸通道

這類設(shè)備的等效直徑較大，其密封效果主要是通過橡膠材質(zhì)的密封圈來實現(xiàn)的。大修期間，這些設(shè)備的使用頻率非常高，如果密封圈年久老化或安裝不規(guī)范，都有可能導致泄漏。此外，還需重點關(guān)注閘門上局部貫穿件的密封狀態(tài)，以往安全殼試驗中就出現(xiàn)過內(nèi)門平衡閥密封圈老化失效、彈簧壓緊力不足導致氣閘門過渡艙壓力異常上漲的情況，如圖4 所示。另外，歷史上還多次發(fā)生閘門密封圈在設(shè)備運輸時不小心撞擊或劃傷人員的案例。

圖4 電氣貫穿件結(jié)構(gòu)示意圖

為保證該類設(shè)備的密封可靠性，建議采取如下措施：①大修期間增加對閘門密封圈的保護措施，如加裝蓋板；②試驗前確認各橡膠圈的老化情況，必要時更換新的橡膠圈；③試驗前確認各平衡閥的彈簧壓緊力設(shè)置是否正確；④試驗前安全殼正式關(guān)門后加做一次密封性驗證試驗；⑤試驗前核實局部貫穿件各儀表閥的狀態(tài)設(shè)置是否正確。

2.5 蒸汽發(fā)生器（SG）二次側(cè)

SG 二次側(cè)屬于安全殼試驗的承壓邊界，國外經(jīng)驗反饋曾出現(xiàn)過SG 二次側(cè)泄漏導致安全殼泄漏率超標的案例，為保證泄漏率計算的準確性，在安全殼試驗期間須采取一定的措施避免向水-蒸氣的二回路泄漏。

目前較普遍的做法是在試驗期間維持SG 二次側(cè)和安全殼內(nèi)的壓力基本相等，以此消除這種干擾。但在試驗中常常出現(xiàn)二次側(cè)邊界閥門內(nèi)漏導致壓力下降的現(xiàn)象，這就需密切關(guān)注二次側(cè)壓力并及時對其補氣至額定壓力。

2.6 壓力測量管線

根據(jù)泄漏率計算式可知，安全殼壓力的測量參數(shù)是最關(guān)鍵的，為準確地測量，除了使用高精度的壓力計，還需對壓力測量管線進行嚴格的密封性試驗，這里需特別注意的是，因為完整的壓力測量通道不僅包括現(xiàn)場固定的管線，還包括壓力計所使用的轉(zhuǎn)接頭、軟管等配件，在壓力測量管線密封性試驗合格后最好不要改變系統(tǒng)連接狀態(tài)，做好隔離、防止被誤碰的措施，否則需重新對整個管路進行密封性試驗。

2.7 泄漏率測量系統(tǒng)

根據(jù)前文介紹，安全殼泄漏率是通過泄漏率測量和分析系統(tǒng)實施采集和計算的，但有時計算結(jié)果顯示“泄漏率超標”并非是安全殼密封狀態(tài)的真實體現(xiàn)，而是由于泄漏率測量系統(tǒng)自身出現(xiàn)故障所致，包括溫度或濕度探頭數(shù)值失真、軟件參數(shù)設(shè)置錯誤等，這就要求泄漏率測量人員一定要精通測量原理和系統(tǒng)設(shè)備，可在第一時間判斷和消除故障。

3 安全殼試驗查漏策略

考慮到導致安全殼泄漏率超標的原因非常復雜，為快速、準確地定位泄漏點，應(yīng)根據(jù)故障發(fā)生概率、最佳查漏窗口、人力優(yōu)化配置等維度綜合考慮來制定查漏策略，具體如下。

3.1 故障發(fā)生概率

通過前文對泄漏率超標可能原因進行分類，結(jié)合歷史經(jīng)驗反饋數(shù)據(jù)庫，可將這些故障發(fā)生的概率進行統(tǒng)計（圖5），并根據(jù)概率大小分為高、中、低3 個等級（圖6），為后續(xù)查漏檢查時設(shè)置優(yōu)先級提供了依據(jù)。

圖5 泄漏量超標故障發(fā)生概率統(tǒng)計

圖6 泄漏量超標故障發(fā)生概率分級

3.2 最佳查漏窗口

典型的安全殼試驗壓力曲線如圖7 所示，為保證查漏效率與試驗工期，查漏策略依次在上行階段設(shè)置了3 個查漏窗口，主要遵循如下原則。查漏窗口應(yīng)盡量前提，越早發(fā)現(xiàn)異常，越有利于后續(xù)的處理；查漏與故障處理最好不影響試驗的連續(xù)性；安全殼內(nèi)外有一定的差壓，便于試驗人員識別泄漏點；查漏期間安全殼壓力不超過聽音檢查人員承壓鍛煉的上限。

圖7 安全殼試驗壓力曲線示意圖

3.2.1 0 bar.g 查漏窗口

在安全殼關(guān)閉所有閘門、正式隔離完成后應(yīng)立刻開始0 bar.g 平臺的泄漏率計算，主要目的為：①檢驗泄漏率采集分析系統(tǒng)所有設(shè)備的運行狀態(tài)是否良好，如安全殼內(nèi)各探頭的顯示是否正常，這個窗口進行更換相對方便；②通過計算泄漏率，可對安全殼初始的密封狀態(tài)有一個基本的判定。雖然這個階段安全殼內(nèi)外的差壓很小（此時安全殼內(nèi)壓力應(yīng)比周圍輔助廠房的壓力稍低），但依然可通過剔除溫、濕度影響后的壓力變化趨勢判斷是否存在較大的漏孔。

3.2.2 0.5 bar.g 查漏窗口

如果0 bar.g 平臺的泄漏率計算判斷有泄漏，此時無需暫停安全殼試驗，試驗可按正常流程開始充壓，同時查漏小組可進行必要的準備工作。待安全殼內(nèi)壓力達到0.5 bar.g 時，便可直接開始安全殼島外查漏操作，這樣安排即保證了充分的準備時間，也避免了關(guān)鍵路徑時間的延誤。

3.2.3 1 bar.g 查漏窗口

1 bar.g 平臺是安全殼試驗中特別關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)，假如在該平臺經(jīng)換算后的泄漏率結(jié)果合格，那么由于升壓至設(shè)計壓力的過程中安全殼密封狀態(tài)基本不會發(fā)生改變，根據(jù)安全殼漏孔的泄漏特性，其設(shè)計壓力平臺泄漏率結(jié)果也會合格。假如這個平臺的泄漏率結(jié)果不合格，那么須在該平臺找到漏點并處理完畢后才可繼續(xù)升壓。

經(jīng)安全殼島外查漏并處理完畢后，假如泄漏率仍不合格，則需啟動島內(nèi)聽音檢查。由于此時安全殼內(nèi)所有機械設(shè)備已斷電隔離，安全殼外高功率泵（如反應(yīng)堆和乏燃料水池冷卻和處理系統(tǒng)（PTR）泵）也會暫時停運，殼內(nèi)環(huán)境非常安靜，檢查人員可通過用耳朵聽的方式發(fā)現(xiàn)泄漏點，但由于安全殼內(nèi)屬高氣壓環(huán)境，需對相應(yīng)的高氣壓風險進行預防，進島人員須是經(jīng)承壓鍛煉合格的人員。

考慮更為極端的情況，假如按上述步驟檢查完畢后仍未發(fā)現(xiàn)泄漏點，則需考慮擴大查漏范圍，主要的方向包括以下內(nèi)容。①結(jié)合C 類試驗結(jié)果，對進行過解體維修或泄漏率值偏大的閥門所屬貫穿件優(yōu)先通過新增對空點或擴邊界隔離的方式進行定向查漏，直至覆蓋所有貫穿件邊界；②結(jié)合內(nèi)外觀檢查結(jié)果，對安全殼結(jié)構(gòu)進行檢查，重點檢查貫穿件處孔洞與殼體結(jié)構(gòu)結(jié)合部及安全殼結(jié)構(gòu)敏感區(qū)域。

3.3 查漏人員優(yōu)化配置

查漏小組成員一般由安全殼試驗各子項工作組成員兼任，數(shù)量十分有限，并在試驗初期各子項的工作安排已非常緊湊，如果再參與后續(xù)的查漏工作，對他們的體力將是極大的考驗。另一方面，查漏工作應(yīng)根據(jù)被檢查對象類型分組同時進行，因此，查漏策略在安排人員時應(yīng)綜合考慮各子項的工作窗口及檢查人員的專業(yè)技能背景，有助于提高查漏效率與檢查質(zhì)量。

綜合考慮以上因素，優(yōu)化后的安全殼試驗查漏整體策略如圖8 所示。

圖8 安全殼試驗查漏整體策略

4 總結(jié)與展望

該安全殼試驗查漏策略已成功應(yīng)用，多次在大修實踐中幫助試驗人員快速、準確地定位到泄漏點，節(jié)省了大修關(guān)鍵路徑時間，保障了試驗的順利進行。

考慮到查漏階段如果安全殼邊界有些區(qū)域暫時不可達（輻射劑量率較高、需腳手架等），僅依靠目視、聽音等傳統(tǒng)方式可能會對查漏進程帶來一定程度的延誤。為突破這種局限性，試驗人員正積極跟蹤泄漏檢測行業(yè)最新的技術(shù)發(fā)展趨勢，并創(chuàng)造性地與安全殼試驗應(yīng)用場景相結(jié)合，未來著重在如下幾個方向展開研究。①利用紅外成像檢漏技術(shù)，能夠非常直觀地對泄漏源進行檢測和定位[4]，特別適合安全殼不可達區(qū)域的檢查；②采用氦氣作為示蹤劑，按照一定比例充壓到安全殼內(nèi)，利用電廠輻射監(jiān)測系統(tǒng)（KRT）在安全殼廠房周圍的分布特點，捕捉從安全殼泄漏出來的氣體量，分析判斷泄漏區(qū)域[5]；③引入基于無線傳輸聲發(fā)射泄漏檢測新技術(shù)，通過傳感器捕捉在安全殼出現(xiàn)漏孔時聲發(fā)射源釋放的應(yīng)變能，采用傳感器三角形蜂窩狀布局組網(wǎng)，利用波束形成定位法和互相關(guān)強度普定位法實現(xiàn)安全殼整體泄漏的缺陷定位[6]。

隨著上述研究成果的逐步應(yīng)用，未來可進一步提高泄漏定位效率，豐富泄漏檢查手段，為后續(xù)查漏策略的不斷完善打下良好的基礎(chǔ)。