核電閥門的真空泄漏檢測

孫 明

(蘇州紐威閥門股份有限公司，江蘇 蘇州 215129)

在實(shí)際工況中，閥門經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)泄漏，這主要是因?yàn)槟茉椿ば袠I(yè)中閥門多處于環(huán)境惡劣的工況，例如溫差較大、介質(zhì)壓力較高或具有強(qiáng)腐蝕性、易燃易爆、甚至可能含有毒性。而在核電行業(yè)中，閥門可能處于高溫高壓工況，且可能存在一定的輻射。根據(jù)國際原子能組織(IAEA)核電站事故案例反映，因閥門故障和失效造成的停機(jī)或停堆、乃至核泄漏事故占的比重不小。

當(dāng)前，國際社會(huì)已認(rèn)識(shí)到低泄漏閥門對環(huán)保的重要性，因此，降低閥門對外界環(huán)境微小介質(zhì)的逸散，已成為改善環(huán)境污染的必要措施。這種極其微小的泄漏靠常規(guī)的水或氮?dú)庠囼?yàn)無法判定，需要借助更加科學(xué)的手段以及精密的儀器來量化檢測。本文介紹了核電行業(yè)中常用的低泄漏檢測方法以及工藝規(guī)程，以期為同行提供參考與借鑒。

1 閥門真空檢測相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

在核電行業(yè)中，閥門真空檢測常用的國際標(biāo)準(zhǔn)有ASME《鍋爐壓力容器規(guī)范》第5卷第10章的檢測方法和RCC-M《壓水堆核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則》第3卷MC篇檢驗(yàn)方法。國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)主要是NB/T 47013.8《承壓設(shè)備無損檢測》第8部分：泄漏檢測。

2 閥門真空泄漏檢測方法

閥門泄漏主要分為內(nèi)漏和外漏兩種情況。內(nèi)漏是指因?yàn)殚y門關(guān)閉件和閥座之間密封失效，介質(zhì)無法截?cái)鄰亩a(chǎn)生的泄漏，這種泄漏往往只發(fā)生在閥門內(nèi)部；而外漏則是指介質(zhì)通過法蘭密封面或是閥桿密封處泄漏至大氣中，除此之外，外界的氣體進(jìn)入閥門內(nèi)部所產(chǎn)生的泄漏也被稱為外漏。以下介紹閥門外漏的檢測方法。

閥門的外漏檢測方法主要分為示蹤探頭技術(shù)和護(hù)罩技術(shù)。示蹤探頭技術(shù)主要用于閥門外漏的定性檢測，而護(hù)罩技術(shù)用于閥門泄漏的定量檢測。以下介紹護(hù)罩技術(shù)的試驗(yàn)過程。

2.1 護(hù)罩技術(shù)

用護(hù)罩技術(shù)檢測閥門的原理見圖1。

圖1 護(hù)罩技術(shù)檢測閥門原理

2.1.1氦質(zhì)譜檢漏儀校準(zhǔn)

用經(jīng)校驗(yàn)后的標(biāo)準(zhǔn)漏孔進(jìn)行氦質(zhì)譜檢漏儀校準(zhǔn)之前，設(shè)備應(yīng)先通電預(yù)熱。檢漏儀按照儀器制造商的操作手冊，用滲透型標(biāo)準(zhǔn)漏孔建立儀器最佳的靈敏度。儀器靈敏度至少為1×10-10Pa·m3/s。

2.1.2系統(tǒng)校準(zhǔn)

用經(jīng)校驗(yàn)后的標(biāo)準(zhǔn)漏孔與閥門相連，并盡可能地遠(yuǎn)離檢漏儀與閥門的連接處。在使用校準(zhǔn)檢測系統(tǒng)時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)漏孔應(yīng)保持開啟并跟系統(tǒng)連接。

(1)響應(yīng)時(shí)間。通過輔助泵將閥門抽空至足以允許氦質(zhì)譜檢漏儀與系統(tǒng)相連接的絕對壓力，將標(biāo)準(zhǔn)漏孔前端的控制閥打開，使其與系統(tǒng)相連通。標(biāo)準(zhǔn)漏孔前端的控制閥應(yīng)保持開啟，直至檢漏儀信號(hào)穩(wěn)定。記錄經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)漏孔到閥門開啟的時(shí)間，以及輸出信號(hào)的增大至穩(wěn)定的時(shí)間，兩個(gè)數(shù)之間所經(jīng)歷的時(shí)間差即為響應(yīng)時(shí)間，檢漏儀穩(wěn)定的讀數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)漏孔在系統(tǒng)中的漏率，記為q1。

(2)系統(tǒng)漏率。系統(tǒng)漏率q2是在測定響應(yīng)時(shí)間后確定的。關(guān)閉標(biāo)準(zhǔn)漏孔前端的控制閥，將標(biāo)準(zhǔn)漏孔與真空系統(tǒng)斷開，當(dāng)檢漏儀讀數(shù)穩(wěn)定時(shí)，記錄儀器的讀數(shù)即為q2。

(3)初始校準(zhǔn)。初始系統(tǒng)靈敏度S1應(yīng)按式(1)計(jì)算：

(1)

式中，S1為初始系統(tǒng)靈敏度，Pa·m3/s；Q為標(biāo)準(zhǔn)漏孔漏率，Pa·m3/s。

(4)當(dāng)泄漏檢測真空系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)改變(即采用輔助泵而旁路至輔助泵的氦氣流分配有所變化時(shí))，或經(jīng)校準(zhǔn)的泄漏率有變動(dòng)，就應(yīng)重新進(jìn)行校準(zhǔn)。當(dāng)完成系統(tǒng)初始靈敏度校準(zhǔn)后，關(guān)閉標(biāo)準(zhǔn)漏孔前端控制閥，將標(biāo)準(zhǔn)漏孔與真空系統(tǒng)斷開。

最終校準(zhǔn)。當(dāng)系統(tǒng)泄漏率檢測完成，且閥門仍然處于護(hù)罩之中，標(biāo)準(zhǔn)漏孔關(guān)閉的情況下，測定檢漏儀輸出的讀數(shù)q3。然后再次打開標(biāo)準(zhǔn)漏孔前端控制閥，將標(biāo)準(zhǔn)漏孔連入被檢真空系統(tǒng)中，檢漏儀輸出漏率增大至讀數(shù)q4。

最終系統(tǒng)靈敏度S2按式(2)計(jì)算：

(2)

式中，S2為最終系統(tǒng)靈敏度，Pa·m3/s；Q為標(biāo)準(zhǔn)漏孔漏率，Pa·m3/s。

如果最終系統(tǒng)靈敏度S2減小為初始靈敏度S1的35%以下，氦質(zhì)譜檢漏儀應(yīng)進(jìn)行維護(hù)修理、重新校準(zhǔn)后，再從步驟(1)開始重新檢測。

2.1.3閥門在真空系統(tǒng)中的泄漏率檢測

對于閥門，護(hù)罩容器可以采用塑料袋。在完成初始校準(zhǔn)之后，閥門外表面與塑料袋之間，在閥門被抽空以后應(yīng)充入已知濃度的氦氣(估算出充在塑料袋中的氦氣濃度)。

(1)檢測持續(xù)時(shí)間。用氦氣填充護(hù)罩，在經(jīng)過以上確定的響應(yīng)時(shí)間以后，應(yīng)記錄儀器的輸出讀數(shù)q3，如果輸出信號(hào)不穩(wěn)定，檢測持續(xù)時(shí)間要保持到輸出信號(hào)穩(wěn)定。

(2)閥門的泄漏率。對閥門進(jìn)行最終校準(zhǔn)后，閥門泄漏率應(yīng)按如下步驟確定：①如果檢測到的泄漏率不發(fā)生變化(即q2=q3)，閥門的泄漏率應(yīng)記錄為“低于系統(tǒng)的可探測范圍”和檢測合格；②對于檢測到的泄漏率q3發(fā)生改變，但泄漏率在可檢范圍內(nèi)，泄漏率QS應(yīng)按式(3)計(jì)算：

(3)

式中，S2為最終系統(tǒng)靈敏度，Pa·m3/s；QS為實(shí)測漏率，Pa·m3/s；C為檢測時(shí)塑料袋中氦氣的實(shí)際濃度估算值(以%表示)。③對于檢測到的泄漏率q3超過系統(tǒng)可檢測范圍的情況，系統(tǒng)泄漏率應(yīng)記錄為“大于系統(tǒng)可檢測范圍”和檢測不合格。

2.1.4評(píng)價(jià)

按標(biāo)準(zhǔn)要求(或客戶要求)對比檢測出的泄漏率應(yīng)不超過規(guī)定的允許漏率，則該閥門可進(jìn)行驗(yàn)收。

當(dāng)閥門泄漏率超過允許值時(shí)，所有法蘭、填料和其他可疑區(qū)域應(yīng)采用示蹤探頭技術(shù)重新檢測，確定泄漏位置。

3 檢測難點(diǎn)及解決方案

閥門檢測均在常溫下進(jìn)行，閥門的主要測試難點(diǎn)在于兩個(gè)方面。

3.1 閥門連接端不統(tǒng)一

由于閥門口徑、壓力不同，故其連接端的尺寸不一，且閥門連接端的形式分為法蘭端、對焊端和承插焊端，因此檢測用的工裝較多，裝配過程占用了較多的時(shí)間。

圖2 閥門泄漏檢測工裝

為提高工作效率，設(shè)計(jì)工裝的結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 真空工裝結(jié)構(gòu)

在底板打孔的過程中，需要將支撐板軸承等裝好后放在底板上，以免出現(xiàn)錯(cuò)位。浮動(dòng)球頭的作用在于避免出現(xiàn)因氣缸軸與支撐板軸不平行而造成卡頓的現(xiàn)象(見圖4)。

圖4 浮動(dòng)球頭

安裝換氣閥，以控制通入氣缸空壓氣的方向(見圖5)。

圖5 手動(dòng)換氣閥

閥門兩頭的密封主要靠O型圈密封，兩側(cè)分別由底座加堵頭組成，根據(jù)閥門的大小，連接端形式需要調(diào)整堵頭的種類，故堵頭與底座之間的設(shè)計(jì)需要靈活拆卸(見圖6)。O型圈的材質(zhì)為氟橡膠，這種材質(zhì)有利于真空狀態(tài)保持。

圖6 可替換堵頭結(jié)構(gòu)

不同的閥種對應(yīng)著不同的堵頭，有利于實(shí)現(xiàn)真空密封(見圖7)。

圖7 閥門測試工裝整體效果

該工裝的投用使測試人員由雙人變?yōu)閱稳?，測試時(shí)間縮短了50%甚至更多，大大地提高了生產(chǎn)效率，且該工裝已經(jīng)申請國家實(shí)用新型專利。在HPC項(xiàng)目上，蘇州紐威閥門股份有限公司的測試周期由3個(gè)月減少至1個(gè)月，大大縮短了生產(chǎn)周期。

3.2 真空度不易達(dá)到

當(dāng)閥門較大或是波紋管結(jié)構(gòu)閥門在做真空檢測時(shí)，通常會(huì)出現(xiàn)真空度很難達(dá)到理想狀態(tài)的情況。分析多年積累的經(jīng)驗(yàn)后總結(jié)的原因如下：①閥門內(nèi)部未脫油脫脂；②閥門腔體較大，需要增加輔助泵；③部分企業(yè)將低泄漏測試放在水壓測試后，故閥門內(nèi)部很容易積水，不能及時(shí)烘干，特別是在波紋管閥門的波紋管中。

3.3 環(huán)境中的氦氣量較大

閥門檢測和壓力容器檢測不同，壓力容器每天可能只檢測幾臺(tái)，而閥門每天需要檢測幾十臺(tái)甚至上百臺(tái)，多次檢測后會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)環(huán)境中的氦氣純度較高，使氦質(zhì)譜儀器或閥門內(nèi)部均存在氦氣殘留，以至于閥門本底值很難達(dá)到穩(wěn)定值。

可采取的解決方案如下：①將待檢閥門用聚乙烯袋密封，或用其他密封堵頭堵住閥門兩端，待檢測時(shí)再打開；②將氦質(zhì)譜檢漏儀的放氣孔通過氣管連接到室外，在抽完真空放氣時(shí)，氦質(zhì)譜檢漏儀吸入純凈空氣。

4 閥門低泄漏檢測要求對比

4.1 核電閥門低泄漏檢測要求對比

核電行業(yè)閥門的低泄漏檢測一般參考?jí)毫θ萜鞯臋z測要求，對比見表1。

表1 核電閥門低泄漏檢測要求對比

通過對比可以看出，三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)所用的測試原理是相同的，測試方法有些差異。相對而言，RCC-M的測試要求較嚴(yán)苛，對于一些微小的滲漏，需要更長的持續(xù)時(shí)間來檢測。

4.2 不同行業(yè)閥門低泄漏檢測要求對比

相對于石油化工行業(yè)閥門的低泄漏檢測，從溫度、開關(guān)要求和檢測方法等方面進(jìn)行對比(見表2)。

表2 不同行業(yè)閥門低泄漏檢測要求對比

通過對比可以看出，不同行業(yè)的測試方法有差異，核電閥門的測試壓力要求較低，但泄漏率要求較高。也正是由于泄漏率要求已經(jīng)超過本底值，故無法采用吸槍法進(jìn)行檢測。核電閥門測試標(biāo)準(zhǔn)主要針對壓力容器，故無閥門專用測試標(biāo)準(zhǔn)，建議核電閥門檢測應(yīng)增加閥門開關(guān)要求，并檢測其扭矩，以保證在實(shí)現(xiàn)閥門開關(guān)順暢的同時(shí)，也能擁有穩(wěn)定的密封性能。

5 結(jié)語

泄漏是絕對的，不漏則是相對的。泄漏檢測就是用特定的方法將示蹤介質(zhì)加到被檢閥門的一側(cè)，用檢漏儀在另一側(cè)疑似有泄漏的位置檢測通過漏孔漏出的示蹤介質(zhì)，從而達(dá)到檢漏的目的。泄漏檢測的目的是在制造、安裝、運(yùn)行、退役全過程檢測，判斷漏與不漏、泄漏率的大小，并找出漏孔的位置；在運(yùn)行使用過程中監(jiān)視系統(tǒng)可能發(fā)生的泄漏及其變化，避免發(fā)生泄漏事故。

在核電設(shè)備中，閥門雖然只是配件，但是它的作用卻不容小覷，且覆蓋面甚廣。尤其是用在核島一回路系統(tǒng)中的各種核級(jí)閥門，每一臺(tái)都直接關(guān)系到核電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行，故應(yīng)嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行檢測。