聲發射在核電廠二回路閥門內漏檢測中的應用

馬詠 邱憲苗 丁兆建 梁廣學

摘? 要：核電廠二回路管道系統中使用了大量的關斷型閥門，其中重要蒸汽與給水閥門的參數相對較高，一旦內漏，不僅直接影響機組出力，還會造成閥后管道的氣蝕、閃蒸、液滴沖擊及流動加速腐蝕等老化問題。本文介紹了聲發射內漏檢測法在核電現場的應用，并基于理論公式及試驗數據評估出內漏量，為電廠開展基于狀態的維修提供了指導，在提高機組出力的同時，減少了維修成本。

關鍵詞：聲發射? 閥門? 內漏? 老化機理? 監測

中圖分類號：TL38? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：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

核電廠常規島蒸汽與給水系統中使用了大量的關斷型閥門，這些閥門一旦發生內漏，將可能造成安全事故及機組出力不足的問題。此外，在高能的二回路管道系統中，閥門一旦發生內漏，還將引發一系列的腐蝕問題，形成更加隱蔽的缺陷。因此，閥門內漏長期以來一直是核電廠安全與經濟運行的關注技術問題。

1? 閥門內漏的危害

閥門內漏不僅將造成高品質工質的浪費以及安全風險，還將造成閥門上下游壓降過大，而引發一系列的潛在腐蝕老化問題，如氣蝕、閃蒸、液滴沖擊侵蝕[1]及流動加速腐蝕，這些老化降質如不能被及時探測到，一旦失效將可能造成嚴重的安全生產事故[2]。

1.1? 氣蝕

氣蝕也稱為空泡腐蝕，當流體通過閥門泄漏形成的通道時，流體的流速增大，壓力減小。當壓力低于液體在該溫度下的飽和蒸汽壓時，液體蒸發為小氣泡。當氣泡到達高壓區時將迅速崩潰，產生局部真空后導致閥門下游金屬管道表面產生損傷。氣蝕過程中壓力與距離的關系見圖1。

1.2 閃蒸

當高壓液流通過閥門泄漏區域時產生劇烈的壓降而形成氣泡，由于下游壓力低于飽和蒸汽壓，氣泡并不發生崩潰，產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，高速液體沖擊將對管道及其部件產生閃蒸損傷。閃蒸過程中壓力變化與距離之間的關系見圖2。

1.3 液滴沖擊侵蝕

閥門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，將會產生表面破壞。

1.4 流動加速腐蝕

流動加速腐蝕（FAC）是碳鋼或低合金鋼表面氧化膜溶進流動的水或者汽水混合物中，氧化膜變薄且保護性降低，同時腐蝕速率增加，最后腐蝕速率等于溶解速率并保持恒定的一個過程。當閥門發生內漏時，內漏處的流速、溫度可能使下游管道對FAC的敏感性加強。

2? 現有管理手段的不足

核電廠在閥門內漏檢測時通常采用上下游溫度比較法，即通過測溫槍對閥門上下游鄰近管道本體進行溫度測量。通常，當閥門下游溫度明顯低于上游溫度時，可判斷閥門未發生內漏;當閥門下游溫度接近上游溫度時，判斷閥門可能存在內漏。然而以上方法存在一定的局限性：（1）當閥門上下游溫度本來就接近時，該方法難以有效判斷出閥門是否發生內漏;（2）當閥門為非水平安裝時，即使發生內漏，造成下游臨近管道溫度的提高也有限;（3）當介質本身不引起管系溫度差異時，如常溫介質、氣體介質，溫度判斷法將無法使用;（4）僅能做定性判斷，無法評估內漏量，對檢修的指導性不強。為了有效提高核電廠閥門內漏的檢測與評估能力，有必要采用更加先進的檢測方法。

3? 聲發射閥門內漏檢測原理

由于高能管道泄漏時會發出聲信號，因此使用常規聽音檢測理論是可行的。然而，核電廠現場設備繁多，環境干擾信號將嚴重影響常規的聽音檢測的準確性。而聲發射是一種來自于材料內部，由于突然釋放應變能而形成的彈性應力波[3-4]。在一定壓差下，閥門內漏時將會發出聲發射信號，通過高靈敏度的聲發射傳感器接收后轉化為電信號，對電信號進行分析可判斷閥門是否存在泄漏。此外，通過理論分析與試驗數據，可進一步計算出泄漏率[5]。

4? 現場實施

4.1 檢測流程

使用聲發射法檢測閥門內漏時，流程主要如下：（1）確保閥門是關閉狀態，上下游存在足夠壓差，以產生湍流。（2）打磨閥門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點上。上下游測點應距離閥門0.5～1m。對于溫度較高的閥門，可在探頭上連接專用的波導桿進行檢測。（3）進行檢測，記錄穩定后的數值。（4）通過將讀數信息與實驗室數據庫進行對比，判斷是否泄漏及其泄漏率。（5）根據泄漏量對機組安全性與經濟性的影響，結合電廠檢修計劃，在合適的窗口執行閥門維修。

4.2 測試方法

在電廠現場測試閥門內漏時，應注意燙傷、誤碰以及走錯間隔等工作風險。為保證現場測試的準確性，現場上下游測點應距離閥門0.5～1m，閥門本體上可多測幾個點，以最高值作為閥門本體值。測量數據為平均信號電平（ASL）。

4.3 檢測結果

若閥門有泄漏，通常閥門下游讀數明顯高于閥門上游讀數（大約高5～10dB）。該檢測手段儀器便攜，可進行在線檢測或監測[6]。對核電廠汽輪機旁路排放系統（GCT）閥門檢測的結果見表1。

5? 結語

通過聲發射方法檢測了核電廠二回路汽水管道重要閥門的內漏，閥門解體檢查結果顯示該方法可靠有效。與電廠常規方法進行比對，聲發射法不僅檢測速率快，結果準確，還能應用于溫度法不能檢測的領域。

聲發射法可一定程度上計算出現場泄漏率，但該數據需要搭建專門的試驗臺架進行核實驗證。為更好地對現場汽水閥門進行內漏檢測，降低泄漏率評估誤差，建議進一步開展試驗工作以不斷優化定量評估能力。

參考文獻

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

[2] 李程，李強，羅林，等.閥門內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.基于聲學檢測系統理論的輸油管道閥門內漏問題分析[J].壓力容器，2017，34（12）：55-62.

[4] 吳猛猛，董秀臣，孫團.基于聲發射的艦船管路閥門內漏檢測技術研究[J].重慶理工大學學報：自然科學，2019，33（9）：166-169.

[5] 雷紅祥.基于聲發射的天然氣管道閥門內漏檢測技術研究[D].北京：中國石油大學，2017.

[6] 張庚.天然氣管道閥門內漏流量與聲發射信號特征量化關系實驗研究[D].北京：中國石油大學，2018.