核電廠余熱排出換熱器的氦質譜檢漏應用

彭恭斌 余其濤 盧 威 代 闖 金啟強

（中核武漢核電運行技術股份有限公司，湖北 武漢430000）

0 引言

余熱排出系統（RRA）是核電站一回路輔助系統，它由兩臺排除泵、兩臺熱交換器和相關的閥門、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的主要設備之一，其作用是當二回路不能運行時，排出反應堆剩余功率所產生的熱量。如果余排熱交換器一次側介質向二次側泄漏將導致設冷水放射性水平上漲，繼而導致電站輻射監測系統報警，當報警水平超過設定級別時，將會觸發自動停堆信號。所以定期對余排熱交換器進行檢漏顯得十分必要。

1 余排熱交換器結構介紹及漏點介紹

余排熱交換器通常為立式結構，由管板和換熱管壁將熱交換器分隔成殼側和管側；倒置的U形換熱管管束通過焊接和脹管安裝在管板上。反應堆冷卻劑從管側熱端進入，流經換熱管，將熱量傳遞給殼側的設備冷卻水，設備冷卻水從殼側上部進口流入，吸收熱量后，從殼側下部出口流出，見圖1。

圖1 余熱排出換熱器結構示意圖

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譜檢漏，漏率小于1.3×10-7Pam3/s合格。余排熱交換器發生泄漏有兩個位置：一個是換熱管發生破裂；另一個是換熱管與管板的間隙導致泄漏。

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。換熱管發生泄漏時，考慮到40年的使用壽期，所以，每次維修堵管量應控制在最低可接受的數量內。因此，漏點復核要慎之又慎，復核時除反復確認外，還應對同一根換熱管冷熱端進行數據對比。

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。即在堵管區目視滲透檢驗合格后，先對整個傳熱管區進行吹掃。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分別覆蓋，在薄膜上端留出檢漏用的閥嘴，以便反復多次測試。

2.1 數據分析與驗收標準

數據分析時，不要只關心某個最高點的數據，而是要結合吸槍吸口位置，通過數據變化曲線進行全面分析，確認引起氦峰值的真正原因。

在大量數據面前，應對數據進行合理篩選，再結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。重點分析大漏點區域的漏率變化趨勢，利用模糊數學理論，逐步分析出大漏點的準確位置。

對其終極驗收標準就是設備冷卻水系統（RRI）放射性水平平均值在小于電站輻射監測系統（KRT）的1級報警定值1E+04Bq/m3。目前業界的換熱器氦質譜檢漏方案的驗收標準是“與本底比較氦質譜檢漏儀檢測到被測點的氦氣濃度變化不超過半個數量級。”，而這個標準與目前所用的標準存在出入，造成一些混亂。因為檢漏儀的設置狀態不同，“半個數量級”所對應的漏孔的漏率是有差別的。

以德國萊寶PhoeniX L300氦質譜檢漏儀為例，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果見下表1：

表1 通道型漏孔隨機測試結果單

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果。

隨機測試結果表明：

（1）調整機器因數至1 000（或吸槍因數）可以將檢漏儀本底調高至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、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別；采用標準通型漏孔測試時，它們的顯示值也有很大的區別；也就是說：不同機器因數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，業界的換熱器氦質譜檢漏方案的驗收標準應該對檢漏儀的參數設置加以限定。否則可能會將堵管范圍擴大，造成不必要的受檢設備壽命縮短；反之，可能造成漏檢，建議統一采用吸槍模式（機器因數1 000）。

同時，這個驗收標準在應用中發現要求偏高，可能會導致大量的堵管。這顯然是不經濟、不切實際的。實際操作中，還是應根據漏點漏率排序結果，綜合評估它們在總漏率中權重和貢獻率，來決定堵管數量。

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時漏率評估的基礎。而氣體在漏孔中的流動狀態是通過漏孔的大小來評估的。在實踐中，首先通過化學取樣取得設冷水放射性水平，即反應堆主冷卻劑Co-58的含量MBq/t、設冷水體量，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，根據漏孔數量，按規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，此值常用0.6~0.64；

A——裂口面積，m3；

ρ——液體密度，kg/m3；

P——容器內介質壓力，Pa；

P0——環境壓力，Pa；

g——重力加速度，m/s2；

h——裂口之上液位高度，m。

據有關資料介紹，當漏孔直徑d＞5μm時，可以認為是沾滯流；當漏孔直徑d＜1μm時，可以認為是分子流[3]。這樣就可以推算出氦質譜檢漏時所需要關注的最小漏孔漏率級別，簡化數據分析范圍。

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的氦分壓是已知的，而且只能評估氦罩內的總漏率。系統標定時，應使用被測設備所容許的最大漏率進行標定；如果僅是用于定位，則應使用設備所容許的最小漏率。

氦罩內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束時的濃度；

t0、t1：分別是試驗起始時和結束時的時間。

3 余排熱交換器泄漏檢驗

3．1 泄漏的產生

污染設冷水一般通過兩種途徑發生泄漏：一是換熱管發生破裂；二是高壓一回路冷卻劑通過換熱管與管板焊縫經換熱管與管板間隙向殼側泄漏。導致這種現象的原因主要是兩個：即制造階段產生的缺陷和運行階段產生的缺陷。

制造階段存在換熱管母材選用不當、彎管工藝不合理、焊接工藝不合理、裝配不當等問題。這些問題如果未及時發現或未徹底消除，可能會造成放射性污染設冷水事件。

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生的碰撞，導致相鄰的兩個換熱管減薄。此外，在殼側由于設冷水中雜質沉積和附著，可能引起換熱管產生腐蝕；在管側，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域：

（1）換熱管與管板焊縫區（以下簡稱管頭）；

（2）換熱管脹管區（以下簡稱脹管區）；

（3）除換熱管脹管以外的換熱管區（以下簡稱換熱管區）。

3.3 余排熱交換器氦質譜檢漏技術

余排熱交換器氦質譜檢漏技術主要討論以下幾個方面：清洗與烘干、充氦與保壓、單管或分區檢漏、復核與封堵鑒定、數據分析與驗收標準等。

3.4 清洗與烘干

清洗、烘干是氦質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，疏通漏孔，有效避免漏檢。

烘干應在管側和殼側可同時進行。管側和殼側烘干方法的烘干方法不同、對象也不同。

殼側烘干應使用壓縮空氣連續烘干，即從設冷水出水口法蘭引入干燥的壓縮空氣，從設冷水進水口法蘭排出，干燥重點是換熱管與管板的連接區。專用法蘭的剛性導管，強制將壓縮空氣吹向換熱管與管板的連接區。開始階段，可以將設冷水入口敞開烘干；烘干8~16小時后，安裝設冷水入口專用法蘭繼續烘干，直到殼側內部相對濕度小于65%[7]。

管側烘干采用50℃~60℃的熱風烘干，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，使濃度達到80%以上。經驗可知，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致本底異常升高，使精確定位漏點困難。而且，從工期和經濟效益角度考慮，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、漏孔的漏率大時應取小值，反之取大值。

關于漏孔通道的長度的影響因素，標準建議保壓時間為30 min/mm[5]。也就是說，如果不考慮脹管區長度，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，避免換熱管內部泄漏對其他的換熱管產生干擾，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，重點關注換熱管與管板焊縫以外的區域。如發現吸槍槍口經過換熱管口瞬間檢漏儀顯示數據有明顯的變化時，則應關注換熱管與管板焊縫，進行反復排查確認。排查需注意如下問題：

當漏點漏率較大（高于本底顯示值2個數量級）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域。此時，應對這片區域進行重點分析判斷。測試換熱管口、管內的氦氣分壓；然后進行單管臨時堵管，再測試這片區域換熱管口、管內的氦氣分壓，直到找出漏點的準確位置。

4 結語

余熱排出系統換熱器檢漏最直接有效的方法是氦質譜檢漏，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。氦質譜檢漏中，環境條件、設備狀態、人員技術水平等諸多因素會影響檢漏的準確性和可靠性，必須注重細節，合理評估，反復驗證，才能準確定位漏點位置。

目前，采用本文描述的氦質譜檢漏技術在國內某核電站2號機組余排換熱器檢漏過程中，成功地發現了超出驗收標準的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系統時，電廠輻射監測系統未發生報警，各項分析數據恢復正常，保證了核電廠系統的安全運行。