蒸汽發生器傳熱管氦檢漏定量定位技術分析及驗證

趙 玄，周小龍

（中核武漢核電運行技術股份有限公司，武漢 430223）

蒸汽發生器傳熱管氦檢漏是核電廠蒸汽發生器十年大修的重要檢查項目，與一回路水壓試驗、蒸汽發生器傳熱管全渦流檢查形成一個整體，以實現對運行一定時間的蒸汽發生器傳熱管進行全面檢查的目的［1-3］。蒸汽發生器傳熱管氦檢漏的實施對電站重要設備的預防性維修有著重要的作用，同時也將提升電站的安全運行水平［4］。

在傳熱管發生泄漏時，及時準確地判定該傳熱管的泄漏率及泄漏位置，對于評定該根傳熱管是否需要堵管及分析泄漏產生原因有著十分重要的意義。

蒸汽發生器傳熱管停堆期間的泄漏檢驗技術主要分為三種：熒光檢漏、水分檢漏及氦檢漏［5］。熒光檢漏即將熒光素溶液加入二次側，通過用黑光燈照射檢查一次側的熒光信號來判斷傳熱管的泄漏，該方法存在熒光物質交錯污染、檢漏靈敏度低、無法定量、檢驗周期長等缺點；水分檢漏是采用水濃度傳感器來檢測一次側傳熱管水濃度變化的方法，該方法缺點是靈敏度低，無法定量；CANDU 堆氦檢漏是在一次側管板位置布置多管集氣罩，若能在集氣罩內檢測出氦氣，則進一步進行單管檢測，該方法的檢測效率較前面兩種方法大大提高，但缺點是無法精準定位［6］。筆者針對蒸汽發生器結構，采用專用吸槍組件對單管進行吸氣采樣檢測，根據對測得的濃度以及系統反應時間進行計算，精準分析了傳熱管漏點大小及漏點位置。

1 技術簡介

蒸汽發生器傳熱管氦檢漏技術是以氦氣為示蹤氣體的吸槍檢驗法。此方法原理是：將蒸汽發生器二次側充入一定壓力、濃度的氦氣，當傳熱管產生貫穿性缺陷時，氦氣會通過缺陷開口處進入傳熱管一次側內部，被固定在傳熱管口的吸氣組件吸出并由氦質譜儀進行分析。

2 技術分析

2.1 定量技術分析

傳熱管內的混合氣體以QB（單位為m3·h-1）的流量進行循環，其中檢漏氣體氦氣的濃度為CB（單位為%VOL）。當傳熱管內的某點出現泄漏時，蒸汽發生器二次側將向傳熱管內持續引入一股流量QL（單位為m3·h-1）、氦氣的濃度為CL（單位為%VOL）的混合氣體（其中CL由檢測人員控制，QL為檢測訴求量），此時傳熱管檢測端的混合氣體的流量和氦氣濃度發生變化，流量變為QM（單位為 m3·h-1），氦氣濃度變為CM（單位為%VOL），其中流量QM=QB+QL（理想氣體狀態下）。

而根據檢漏氣體氦氣總量的平衡，有以下等式：

則可以得到泄漏量：

式中，CM/CB——傳熱管檢測端氦檢漏儀讀數與傳熱管內循環氣體氦檢漏儀讀數之比；

CL/CB——二次側混合氣體中氦氣濃度與傳熱管內循環氣體的氦氣濃度之比。

2.2 定位技術分析

在泄漏處，吸氣流量的變化會立即引起氦濃度的變化。氦信號值在響應時間之后被氦質譜儀探測到。顯示氦信號變化所需的時間與造成泄漏的缺陷和吸槍端部之間的距離成正比。吸氣流量的兩次變化可取消吸槍響應時間的影響。系統查漏原理如圖1所示。

圖1 定位測試原理圖Fig.1 Schematic diagram of locational test

當傳熱管內某點出現泄漏時，管內氣體流量變為QM，氦氣從泄漏點到傳熱管檢漏端的移動時間tL內吸槍所吸氣總體積為VL（單位為m3），從泄漏點到傳熱管檢漏端的距離長度為HL，則有下列等式：

進行標準狀態修正后為：

因為氦檢漏系統的實際響應時間tM包含氣體從泄漏點到傳熱管檢漏端的移動時間tL和氦檢漏儀的響應時間Δt；由于沿程阻力與管路壓力會造成氣體損失，實際流量應為ε QM，上述公式應修正變為：

為了消除氦檢漏儀的響應時間Δt，可以利用二次不同流量的等式進行差值計算：

相減可得：

通過數學變換可得泄漏位置：

其中：HL——缺陷距吸氣管口的距離，m；

QM——第一次氣體完全轉移使用的流量值，N·m3·h-1；

Q′M——第二次氣體完全轉移使用的流量值，N·m3·h-1；

Ttube——傳熱管內流體的溫度，℃；

Stube——傳熱管橫截面積，m2；

tM——第一次氦氣氣體被檢測到時間，s；

tM’——第二次氦氣氣體被檢測到時間，s；

ε——流量修正系數。

3 試驗驗證及結果

3.1 定量技術驗證

本文先通過檢漏儀調整正壓漏孔的漏率，將其單位換算為N·cm3·h-1，再將正壓漏孔安裝至傳熱管模擬體不同位置并通過吸氣裝置進行檢測，將結果單位換算為N·cm3·h-1并進行比對。

試驗步驟如下：

（1）將正壓漏孔安裝至氦質譜儀，調整進氣口壓力，將氦質譜儀測得正壓漏孔的漏率換算為泄漏量，大約為3 N·cm3·h-1；

（2）安裝正壓漏孔至傳熱管模擬體上；

（3）將吸氣裝置安裝于傳熱管管口，打開檢漏儀吸氣系統（吸氣流量：1 200 L·h-1）；

（4）等待氣體完全轉移后（20 s），讀取檢漏儀數值，利用公式（2）計算泄漏率，與實際泄漏率進行對比，重復測量4次；

（5）改變進氣口壓力，調節漏點泄漏量，改變漏孔位置，重復上述步驟（2）～（4）。

改變參數后實驗測得數據見表1。

定量試驗平臺如圖2 所示，傳熱管一端與檢漏儀連接，在傳熱管上不同位置的模擬漏點安裝正壓漏孔。

圖2 定量試驗系統示意圖Fig.2 Schematic diagram of quantitative test system

表1 定量試驗驗證結果表Table 1 Quantitative test verification results

圖3 定量試驗結果偏差圖Fig.3 Deviation diagram of quantitative test results

本文以表1計算結果誤差制作定量試驗結果偏差圖，如圖3所示。由圖3可知，改變漏點位置以及吸氣壓力等參數，由漏率測量公式計算所得數值與實際漏率間誤差均小于±20%，且反復測量的偏差均小于10%，試驗的可重復性高。因此，漏率測量公式［即公式（2）］滿足實際檢驗中的定量要求。

3.2 定位技術確定與驗證

3.2.1 定位技術參數確認

定位技術參數確認過程如下：將正壓漏孔安裝至傳熱管模擬體，兩次改變傳熱管內的吸氣流量，分別記錄氦信號值，利用定位公式，初步計算泄漏位置；通過試驗確立兩個定位用吸氣流量值，并結合理論結果及實際結果進行公式修正，使計算得出的泄漏位置盡量接近實際泄漏位置。試驗系統示意如圖4所示，驗證結果見表2。

圖4 定位試驗系統示意圖Fig.4 Schematic diagram of locational test system

表2 定位試驗測試參數表Table 2 Parameters of locational test

具體試驗步驟如下：

（1）將正壓漏孔安裝至21.534 m接口法蘭處；

（2）吸氣裝置安裝于傳熱管管口，打開正壓漏孔；

（3）打開檢漏儀，吸氣系統，記錄時間T0吸氣流量Qv1；

（4）記錄檢漏儀測量到信號的時間t1；

（5）待信號穩定后，降低吸氣流量至Qv2，記錄檢漏儀測量到更高信號值的時間t2；

（6）根據公式（8）計算修正參數ε；

（7）改變Qv1及Qv2，反復測量，計算修正參數ε；

（8）根據多組修正參數ε，進行圖像擬合，得出最佳ε值，最終得出算法公式。

本文通過改變Qv1及Qv2值（即QM與Q’M），測算t1與t2（即tM與t’M）。表3 給出了相應試驗組的測試參數和測算結果。

參數QM、Q’M、響應時間差tM-t’M、傳熱管截面積S、安裝位置HL與傳熱管溫度T均可通過試驗臺或者相關測試儀器測得，根據公式（8）可求得修正系數ε，如圖5所示。對于上述6組試驗所求得的修正系數ε值散點圖，如圖5所示，本文以ε=a直線擬合，擬合結果為ε=1.11。

圖5 修正系數ε散點圖Fig.5 Divergence of the corrected coefficient

則公式（8）最終確定為下式：

3.2.2 定位技術驗證

試驗過程如下：將正壓漏孔安裝至傳熱管模擬體1.705 m、2.826 m、3.946 m、6.188 m、7.309 m、8.430 m、21.33 m和22.451 m漏點位置，兩次改變傳熱管內的吸氣流量，分別記錄氦信號值，利用定位公式（9），計算泄漏位置，與標準位置進行對比，重復4次，確認是否處于允許誤差之內。驗證結果見表3。

表3 定位試驗測試結果表Table 3 Locational test verification results

圖6 定位試驗結果偏差圖Fig.6 Deviation diagram of locational test results

以表3 計算結果制作定位試驗結果偏差圖，如圖6所示。由圖6可知，改變漏點位置、兩次的吸氣流量等參數，利用修正后公式計算所得數值與實際漏率間誤差均小于±500 mm，反復測量4次，定位偏差小于200 mm，試驗的可重復性高。因此，漏點定位公式［即公式（9）］在實際檢驗中可滿足定位要求。

4 結論

本文針對蒸汽發生器傳熱管氦檢漏漏點定量定位分析提出了一套計算公式，通過理論技術分析并結合試驗驗證，誤差和重復性均滿足實際蒸發器傳熱管氦檢漏中的定位及定量要求。其算法公式如下：

定量公式［上述公式（2）］：

定位公式［上述公式（9）］：