安全殼試驗泄漏率超標原因分析及查漏策略

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，潛在影響泄漏率結果的因素眾多；第三，該試驗處于大修關鍵路徑上。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。

1 安全殼試驗簡介

安全殼作為核電廠最后一道安全屏障，其密封性直接關乎著公眾和環境的安全。根據法規要求，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計要求。

以中國改進型三環路壓水堆（CPR1000）機組為例，其安全殼為圓柱形預應力鋼筋混凝土構筑物，外徑約為37 m，地面上高度約為60 m，壁厚為900 mm，內附鋼襯里厚度為6 mm，內部自由體積約為50 000 m3，筒體上不同層高分布著數量眾多的貫穿件，根據設計，在核電廠發生一回路失水事故（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 內壓，并限制放射性物質向安全殼外泄漏。

有關安全殼整體泄漏率的測量，行業內普遍采用的是絕對質量法[1-3]，經推導，泄漏率可通過求各個實時監測參數（壓力、溫度、濕度）單位時間內的相對變化，然后再線性合成（疊加）得到。安全殼內在同一時刻，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的溫度和濕度，試驗人員把安全殼內的自由空間劃分為若干個溫度區域和濕度區域，在這些區域內，各點的溫濕度可近似地認為是一致的，然后把位于不同區域傳感器采集到的數據統一匯集至泄漏率數據采集系統，再通過泄漏率數據分析系統進行實時計算，從而得到安全殼泄漏率結果。

安全殼泄漏率測量系統的基本構架如圖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 內安全殼總的泄漏率小于安全殼內所含氣體質量的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果超標。

安全殼試驗的邊界范圍較廣，主要包括鋼內襯、機械貫穿件、電氣貫穿件、人員閘門貫穿件、設備閘門貫穿件及核燃料傳輸貫穿件等，其中任何一個環節出現異常都有可能導致安全殼泄漏率超標，因此，需根據其各自的結構特點，結合歷史經驗反饋并逐一分析[4]。

2.1 鋼內襯

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、圓柱體和穹頂等。考慮到這些焊縫在建造期間已根據RCC-G《900 MWe 壓水堆核電站土建設計與建造規范》進行了100%比例的無損檢測，一般可認為通過鋼內襯泄漏導致超標的概率是極低的。但假如在內觀檢查時發現鋼內襯出現明顯缺陷，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，則需對相關區域進行重點分析，評估損傷情況。

需特別提醒的是，目前的內觀檢查范圍僅針對暴露在外的鋼內襯部分，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，且很難被發現。國外某機組曾在安全殼試驗中出現泄漏率超標，經過2 個多月的排查才最終定位了泄漏位置。泄漏點發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，內窺鏡檢查未能發現確切腐蝕點。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LOCA 事故工況）下重新進行安全殼密封性試驗，結果合格，從而間接證實了泄漏位置。

圖2 安全殼底板混凝土結構整體示意圖

為避免出現類似異常，應建立對相關伸縮縫區域鋼襯里的定期檢查措施，以便盡早識別鋼襯里是否發生腐蝕減薄現象。

2.2 機械貫穿件

根據安全殼試驗的設置原則，機械貫穿件隔離閥上下游會進行排空并聯通大氣，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，但在相關歷史經驗反饋中，安全殼換氣通風系統（EBA）、安全殼內大氣監測系統（ETY）、核島排氣和疏水系統（RPE）等都多次在安全殼試驗期間發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期間，安全殼內存在大量的土建、焊接、切割和打磨等操作，這些作業都會產生大量的粉塵和雜屑，從而通過通風口或設備開口進入到相關系統中去。當然，這些雜屑也有可能來自系統內部，如在某次安全殼試驗中，隔離閥密封面位置發現大量鐵銹，經分析發現這些異物都是來自系統管道內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換型或制造商變更時較多，具體表現為貫穿件試驗不合格率高，試驗結果復現性差，密封面需反復研磨才能達標，止回閥不回座等；③閥門狀態錯誤。在安全殼試驗前未正確設置閥門狀態，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閉的閥門，其執行機構實際行程未到位，但在主控室顯示已隔離關閉。

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，再加上這些閥門數量龐大（CPR1000 機組共布置84 組機械貫穿件，對應的安全殼隔離閥接近300 個），貫穿件試驗結束到安全殼試驗開始之間還有一段時間間隔，導致后續出現密封性不嚴的概率依然較大。因此，一旦出現安全殼泄漏率超標，它們也是最值得關注和排查的對象。

2.3 電氣貫穿件

電氣貫穿件結構如圖3 所示。電氣貫穿件安裝在鋼襯套管內，在安全殼墻壁內外兩側通過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，在安全殼墻壁外側鋼板上，安裝有充壓和測壓裝置，可用于實時監視貫穿件內氮氣的壓力。由于電氣貫穿件基本為焊接形式，在安全殼試驗期間出現泄漏的可能性并不大，日常期間曾出現過氮氣壓力下降的案例，經核實是壓力表連接處的密封圈老化所致。

2.4 人員閘門、設備閘門、燃料傳輸通道

這類設備的等效直徑較大，其密封效果主要是通過橡膠材質的密封圈來實現的。大修期間，這些設備的使用頻率非常高，如果密封圈年久老化或安裝不規范，都有可能導致泄漏。此外，還需重點關注閘門上局部貫穿件的密封狀態，以往安全殼試驗中就出現過內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，歷史上還多次發生閘門密封圈在設備運輸時不小心撞擊或劃傷人員的案例。

圖4 電氣貫穿件結構示意圖

為保證該類設備的密封可靠性，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置是否正確；④試驗前安全殼正式關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設置是否正確。

2.5 蒸汽發生器（SG）二次側

SG 二次側屬于安全殼試驗的承壓邊界，國外經驗反饋曾出現過SG 二次側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 二次側和安全殼內的壓力基本相等，以此消除這種干擾。但在試驗中常常出現二次側邊界閥門內漏導致壓力下降的現象，這就需密切關注二次側壓力并及時對其補氣至額定壓力。

2.6 壓力測量管線

根據泄漏率計算式可知，安全殼壓力的測量參數是最關鍵的，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場固定的管線，還包括壓力計所使用的轉接頭、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連接狀態，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

根據前文介紹，安全殼泄漏率是通過泄漏率測量和分析系統實施采集和計算的，但有時計算結果顯示“泄漏率超標”并非是安全殼密封狀態的真實體現，而是由于泄漏率測量系統自身出現故障所致，包括溫度或濕度探頭數值失真、軟件參數設置錯誤等，這就要求泄漏率測量人員一定要精通測量原理和系統設備，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，應根據故障發生概率、最佳查漏窗口、人力優化配置等維度綜合考慮來制定查漏策略，具體如下。

3.1 故障發生概率

通過前文對泄漏率超標可能原因進行分類，結合歷史經驗反饋數據庫，可將這些故障發生的概率進行統計（圖5），并根據概率大小分為高、中、低3 個等級（圖6），為后續查漏檢查時設置優先級提供了依據。

圖5 泄漏量超標故障發生概率統計

圖6 泄漏量超標故障發生概率分級

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置了3 個查漏窗口，主要遵循如下原則。查漏窗口應盡量前提，越早發現異常，越有利于后續的處理；查漏與故障處理最好不影響試驗的連續性；安全殼內外有一定的差壓，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

在安全殼關閉所有閘門、正式隔離完成后應立刻開始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所有設備的運行狀態是否良好，如安全殼內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有一個基本的判定。雖然這個階段安全殼內外的差壓很小（此時安全殼內壓力應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鍵的一個環節，假如在該平臺經換算后的泄漏率結果合格，那么由于升壓至設計壓力的過程中安全殼密封狀態基本不會發生改變，根據安全殼漏孔的泄漏特性，其設計壓力平臺泄漏率結果也會合格。假如這個平臺的泄漏率結果不合格，那么須在該平臺找到漏點并處理完畢后才可繼續升壓。

經安全殼島外查漏并處理完畢后，假如泄漏率仍不合格，則需啟動島內聽音檢查。由于此時安全殼內所有機械設備已斷電隔離，安全殼外高功率泵（如反應堆和乏燃料水池冷卻和處理系統（PTR）泵）也會暫時停運，殼內環境非常安靜，檢查人員可通過用耳朵聽的方式發現泄漏點，但由于安全殼內屬高氣壓環境，需對相應的高氣壓風險進行預防，進島人員須是經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現泄漏點，則需考慮擴大查漏范圍，主要的方向包括以下內容。①結合C 類試驗結果，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結合內外觀檢查結果，對安全殼結構進行檢查，重點檢查貫穿件處孔洞與殼體結構結合部及安全殼結構敏感區域。

3.3 查漏人員優化配置

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，查漏工作應根據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綜合考慮各子項的工作窗口及檢查人員的專業技能背景，有助于提高查漏效率與檢查質量。

綜合考慮以上因素，優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 總結與展望

該安全殼試驗查漏策略已成功應用，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，節省了大修關鍵路徑時間，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最新的技術發展趨勢，并創造性地與安全殼試驗應用場景相結合，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，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，利用電廠輻射監測系統（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，分析判斷泄漏區域[5]；③引入基于無線傳輸聲發射泄漏檢測新技術，通過傳感器捕捉在安全殼出現漏孔時聲發射源釋放的應變能，采用傳感器三角形蜂窩狀布局組網，利用波束形成定位法和互相關強度普定位法實現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，為后續查漏策略的不斷完善打下良好的基礎。