核電廠一回路壓力邊界止回閥在線密封性能測試

楊云斐，黃慧敏

（中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

核電廠一回路壓力邊界止回閥在線密封性能測試

楊云斐，黃慧敏

（中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

320 MW壓水堆一回路壓力邊界止回閥為核Ⅰ級關(guān)鍵設(shè)備，嚴(yán)密性要求非常高，直接關(guān)系到主系統(tǒng)的內(nèi)泄漏率。焊接式止回閥維修后常采用密封面色印檢查的方式，對其密封性能進(jìn)行判斷。如果管道內(nèi)有存水或者濕熱水汽，會影響到色印檢查的準(zhǔn)確度。針對在線止回閥密封性試驗的特殊性，有的核電廠采用水壓壓降法試驗設(shè)計過在線檢測裝置，但存在一些缺點和使用上的限制。文章采用低壓氣密封試驗流量測定法，設(shè)計出可靠、便攜的試驗裝置，對壓力邊界止回閥檢修后密封性做出準(zhǔn)確、定量的判斷。

焊接止回閥；密封性；在線測試；氣壓試驗

止回閥在線密封性測試技術(shù)最早出現(xiàn)在西方國家核電設(shè)備檢修領(lǐng)域，目前核電行業(yè)焊接式止回閥維修后普遍采用密封面色印檢查來間接檢驗閥門的密封性能，也有核電廠開始采用水壓壓降法的在線檢測裝置來進(jìn)行測試。色印檢查對管道內(nèi)的環(huán)境條件要求較高，如果管道內(nèi)有存水或者濕熱水汽，會影響到色印檢查的準(zhǔn)確度，而閥門所處的工藝管道中難免會有濕熱水汽；而水壓壓降法測試技術(shù)的應(yīng)用需要耗費大量水源，增加放射性污水量，而且通過壓降的判斷會受法蘭密封、堵板密封以及排氣等多方面影響，同時檢修人員的經(jīng)驗和技能差異，也可能導(dǎo)致密封性測試出現(xiàn)誤判情況，加上其他種種原因，此類方法未被核電行業(yè)普遍使用。

由于320 MW壓水堆一回路壓力邊界止回閥（文中提及的止回閥均特指此類閥門）在停堆冷卻、安全注入等安全系統(tǒng)中承擔(dān)著極為重要的系統(tǒng)隔離功能，為此開發(fā)一種壓力邊界止回閥檢修后密封性測試的新方法及試驗裝置。采用低壓氣密封試驗流量測定法，針對壓力邊界止回閥檢修后密封性做出測試，制作科學(xué)的、定量的、準(zhǔn)確的、可靠性高、便攜式的試驗裝置。

1 測試研究內(nèi)容

1.1 背景

止回閥維修后密封性能測試和閥門出廠時，水壓試驗（離線）保持一致是最理想的，而離線檢測需要將閥門從系統(tǒng)管路上脫離，壓力邊界止回閥為焊接旋啟式結(jié)構(gòu)，離線打壓不便于現(xiàn)場操作。在線檢測利用色印檢查和采用水壓壓降法，均有其局限性和弊端。而本項目研制的以氣體作為試驗介質(zhì)的便攜式焊接止回閥在線試驗裝置解決了這些問題，利用流量平衡法對其泄漏率進(jìn)行測試可以直接測定數(shù)據(jù)。

1.2 研究內(nèi)容

經(jīng)過調(diào)研和模擬試驗，項目組開發(fā)了低壓氣密封試驗方法，完成了隔離密封組件、密封塞設(shè)計、在線試驗裝置設(shè)計以及模擬體應(yīng)用測試工作。此便攜式焊接止回閥在線試驗裝置解決了壓力邊界止回閥無有效檢測泄漏率試驗裝置的問題，利用氣體作為試驗介質(zhì)避免水的污染問題，方便攜帶、快速測試，并可以直接讀取試驗數(shù)據(jù)。

2 技術(shù)原理

本方法以壓縮空氣為試驗介質(zhì)實現(xiàn)止回閥在線密封性試驗，可避免環(huán)境污染，應(yīng)用空氣泄漏檢測儀直接檢測焊接止回閥密封面泄漏率，應(yīng)用密封塞作為閥體內(nèi)部進(jìn)口端密封，試驗裝置操作簡單、分體安裝、運輸輕便。

現(xiàn)以充氣式密封塞作技術(shù)原理介紹，如圖1所示。

圖1 便攜式焊接止回閥在線試驗裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of the portable welding check valve online test device1—試驗閥蓋；2—氣囊；3—密封塞；4—支撐架；5—止回閥閥板；6—閥體

1）解體取下止回閥閥蓋，將氣囊2安裝在充氣式密封塞3的溝槽內(nèi)，將其整體安裝在閥門進(jìn)口端管道內(nèi)部并用支撐架4進(jìn)行固定安裝。

2）對氣囊2按要求進(jìn)行充氣，并維持其密封性。

3）安裝試驗閥蓋1，通過密封墊片保證試驗閥蓋密封性。

4）通過測試儀器按要求向被檢測止回閥內(nèi)部充壓（試驗介質(zhì)空氣、氮氣）至試驗壓力。

5）通過數(shù)據(jù)采集直接在顯示屏讀取閥門泄漏率，對試驗數(shù)據(jù)直接存儲和打印。

該裝置用于焊接止回閥在系統(tǒng)管路上的在線試驗，可以避免以水作為試驗介質(zhì)帶來的污染，應(yīng)用流量補充法進(jìn)行泄漏率的測試具有顯示數(shù)據(jù)直接、快捷、準(zhǔn)確等特點。

該裝置可用于類似結(jié)構(gòu)焊接止回閥的在線試驗。

3 模擬測試

項目組設(shè)計制作了止回閥模擬體，模擬體結(jié)構(gòu)尺寸同壓力邊界止回閥V08-02E一致，針對該類型閥門設(shè)計制作了充氣式密封塞與閥內(nèi)支撐架，并設(shè)計制作了試驗閥蓋。

3.1 技術(shù)方案

1）采用壓縮氣體（空氣、氮氣）作為試驗介質(zhì)。

2）設(shè)計密封塞（擠壓式堵頭、充氣式單密封圈堵頭、雙密封環(huán)密封堵頭）對焊接止回閥進(jìn)口端進(jìn)行密封。

3）設(shè)計試驗閥蓋對閥門開口部位進(jìn)行密封。

4）采用流量平衡法利用空氣泄漏檢測儀對焊接止回閥泄漏率進(jìn)行試驗。

3.2 試驗介質(zhì)

雖然壓水堆核電廠一回路運行時實際介質(zhì)是含硼水，但本項目試驗介質(zhì)選用低壓氣體，符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB 4981《通用閥門壓力試驗》和國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 52.8《工業(yè)用閥門的壓力試驗》的相應(yīng)要求。

3.3 試驗壓力

在核電廠安全殼局部密封性試驗中，所有隔離閥包括止回閥的試驗壓力都規(guī)定為一回路失水事故的峰值壓力或設(shè)計壓力，這個壓力通常在100～400 kPa。由于壓力邊界止回閥為旋啟式結(jié)構(gòu)，其所受介質(zhì)壓力越大密封性越好，采用低壓試驗不僅人身安全，還減少了密封塞承受的壓力，也降低了密封塞、密封圈、支撐架損壞的風(fēng)險，更降低了在現(xiàn)場試驗中人員發(fā)生事故的風(fēng)險。以核電廠壓力邊界止回閥V08-02E（通徑為DN170 mm）為例，試驗壓力為230 kPa時，密封塞承受的壓力為522 kg，試驗壓力為600 kPa時，其承受壓力增加到1 362 kg。由于采用低壓試驗，可降低現(xiàn)場試驗設(shè)備承受的壓力，使其試驗設(shè)備體積減小，重量減輕，便于現(xiàn)場攜帶、安裝和使用。

3.4 試驗儀器設(shè)備

儀器設(shè)備包括檢漏儀、密封組件、密封塞、管線，止回閥、接頭管線等。

3.5 試驗過程

對于止回閥在不同壓力下的密封性試驗，所得到的結(jié)果比較理想，從100 kPa開始，每增加100 kPa的壓力，測試一組泄漏量，一直到閥內(nèi)充壓至800 kPa，所得到的數(shù)據(jù)很好地說明了壓力與閥板泄漏量的關(guān)系。

擠壓式堵頭的密封性試驗：通過40 N/m的擠壓力矩將堵頭的橡膠環(huán)壓緊于試驗管道中，對閥體進(jìn)行密封后開始進(jìn)行泄漏量檢測，在閥體充壓600 kPa時，堵頭的泄漏量為0.04～188.1 mL/ min。經(jīng)多次試驗與數(shù)據(jù)的測試，證明了擠壓式堵頭的密封性較好，適用于止回閥閥板的泄漏量檢測。

充氣式單密封圈堵頭的密封性試驗：首先對該堵頭的充壓式密封圈進(jìn)行了閥外泄漏量檢測，檢測過程中發(fā)現(xiàn)其圈體的承壓能力達(dá)不到理想的要求，在圈內(nèi)充入200 kPa的壓力下，其充氣接頭有漏氣現(xiàn)象。在更換了充氣接頭后，將其安裝于閥體內(nèi)，進(jìn)行該堵頭的閥內(nèi)密封圈泄漏量檢測，在800 kPa與1 MPa時圈體泄漏量為419 m L/min、558 mL/min。之后進(jìn)行堵頭的密封性試驗，在密封圈內(nèi)壓力達(dá)到800 kPa，閥體充壓600 kPa時泄漏量很大，超出測量儀器的量程（2 L/min），并能聽到很大的空氣泄漏聲音。通過檢漏液的檢驗發(fā)現(xiàn)堵頭的正上方與閥體的內(nèi)接觸面有很多氣泡產(chǎn)生，將圈內(nèi)壓力升至1 MPa效果依然不理想。經(jīng)過對堵頭4次的拆裝與加固后測試結(jié)果依然不理想，說明該堵頭在內(nèi)壁不光滑的閥體管道中的密封作用不佳。

雙環(huán)式充壓密封堵頭的密封性試驗：該堵頭的密封性也不理想，在裝入閥體后向閥內(nèi)充壓無法建立起壓力邊界，堵頭的密封環(huán)壁無法與不光滑的管徑內(nèi)壁完全貼合，泄漏量很大。后將堵頭拆下后發(fā)現(xiàn)其橡膠密封環(huán)已經(jīng)脫離堵頭的凹槽，說明該堵頭的橡膠密封環(huán)承壓性能不好，在不光滑管道中密封性不佳。

3.6 測試數(shù)據(jù)分析

1）不同壓力下止回閥（閥板）的泄漏量如圖2所示。

2）3種密封形式的密封試驗結(jié)果如表1所示。

圖2 止回閥泄漏量與壓力的關(guān)系Fig.2 Relationship between check valve leakage and pressure

表1 3種密封形式的密封性Table 1 Tightness of the three sealing forms

3.7 試驗結(jié)果

經(jīng)過第一階段的模擬實驗可以看出試驗方法是安全可靠的，但是堵頭的設(shè)計需要進(jìn)一步的修正。擠壓式密封堵頭是3種堵頭中最為可靠的，但是安裝困難且費時，在核島高劑量區(qū)域作業(yè)是不允許的；充氣式單密封圈堵頭結(jié)構(gòu)最簡單，但由于加工廠家橡膠制造工藝的限制，金屬充氣嘴和密封圈之間容易發(fā)生泄漏，且很難在閥體內(nèi)進(jìn)行定位；雙環(huán)式充壓密封堵頭在試驗過程中幾乎就沒有成功過，但雙環(huán)式充壓密封堵頭是國內(nèi)外廠家在此類密封試驗中最常用的密封結(jié)構(gòu)，但由于設(shè)計復(fù)雜、加工困難以及其他一些因素，導(dǎo)致此種密封塞在國內(nèi)難以普及。經(jīng)過安全方面的考慮，項目組決定繼續(xù)對雙環(huán)式充壓密封堵頭進(jìn)行研究，重新設(shè)計雙環(huán)式充壓密封堵頭，并對之前的試驗方法進(jìn)行了改進(jìn)，在此基礎(chǔ)上提出了等壓虛擬隔離的試驗方法。

4 試驗改進(jìn)

等壓虛擬隔離試驗方法是在被測止回閥的出口管內(nèi)安裝等壓虛擬隔離密封組件，即在隔離密封塞體的外周面的兩根充氣密封圈之間形成一個環(huán)形空間（見圖3），利用向等壓隔離組件的環(huán)形空間充氣為試驗閥門的空腔形成一個等壓隔離環(huán)，由于環(huán)形空間與閥門的空腔氣壓等壓，使得閥門的空腔內(nèi)的氣體不會從虛擬隔離塞泄漏，實現(xiàn)虛擬的徹底隔離，而維持試驗閥門的空腔內(nèi)的氣壓所補充入的氣流即為試驗閥門的泄漏率。

圖3 等壓虛擬隔離試驗示意圖Fig.3 Schematic of isobaric virtual isolation test

由于止回閥泄漏率是不變的，模擬止回閥在不同泄漏率時隔離的適應(yīng)能力。

從試驗結(jié)果可以看出：閥門的泄漏率從11.86～15 880 NmL/min；試驗壓力從232.6～355.9 kPa分別用密封隔離與盲板隔離測定其泄漏率，結(jié)果兩者非常接近。

當(dāng)泄漏率在10～15 NmL/min，其誤差（以盲板泄漏率視為標(biāo)準(zhǔn)值，下同）在－1.3～1.66 NmL/ min之間，相對誤差在－10.96%～11.7%。

當(dāng)泄漏率在15 880 NmL/min時，誤差為-210 NmL/min，相對誤差為-1.3%。

雖然泄漏率小時，相對誤差在10%左右，但絕對誤差還不到2 NmL/min；而泄漏率大時，絕對誤差雖在200 NmL/min左右，而相對誤差僅1.3%，這樣的試驗結(jié)果，在工程測定中是完全可以接受的。

模擬由于止回閥出口管內(nèi)壁因鑄造加工、流體沖刷、腐蝕等諸多原因，造成表面不平整、光滑、常有凸凹不平的現(xiàn)象，密封隔離方法的適應(yīng)性。

從試驗結(jié)果可以看出：泄漏率為1.47 NmL/ min，誤差為0.2 NmL/min，相對誤差為13.6%；泄漏率為2 340 NmL/min，誤差為－38 NmL/min，相對誤差為－1.6%。

試驗結(jié)果表明：即使管道內(nèi)壁有缺陷，普通密封塞很難隔離時，本試驗方法仍有很好的隔離“密封”效果。

1) 采用壓縮空氣（空氣、氮氣）作為試驗介質(zhì)，可以有效避免對環(huán)境的污染。

2) 創(chuàng)新設(shè)計的充氣式密封塞可快速對止回閥進(jìn)口端進(jìn)行密封，提高密封可靠性。

3) 檢測設(shè)備與試驗密封塞試驗閥蓋分體設(shè)計，簡單輕便。

直接利用流量平衡法利用空氣泄漏檢測儀對其泄漏率進(jìn)行試驗，可以直接測定數(shù)據(jù)，直接存檔打印。

5 測試技術(shù)應(yīng)用分析

5.1 測試技術(shù)應(yīng)用風(fēng)險分析

該測試裝置應(yīng)用在一般系統(tǒng)上風(fēng)險不大，但應(yīng)用于核電廠一回路壓力邊界，需要考慮以下風(fēng)險：

1) 強輻射環(huán)境下人員輻射風(fēng)險。

2) 檢測零部件進(jìn)入主系統(tǒng)管道風(fēng)險。

3) 氣壓試驗有氣爆傷人的風(fēng)險。

4) 試驗結(jié)果測量不準(zhǔn)確有造成誤判的風(fēng)險。

5.2 測試技術(shù)應(yīng)用風(fēng)險對策

對照以上情況，逐一分析，識別各方面的影響因素，其風(fēng)險控制應(yīng)采取以下對策。

1）編制ALRALA計劃書。對現(xiàn)場環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測。用鉛皮覆蓋周圍管道與設(shè)備，減少外照射劑量；建立負(fù)壓棚，減少內(nèi)照射風(fēng)險；對試驗人員進(jìn)行專項操作培訓(xùn)，減少現(xiàn)場作業(yè)時間。

2）嚴(yán)格控制試驗壓力為230 kPa。在試驗系統(tǒng)中設(shè)置安全閥，一旦超過試驗壓力1.1倍安全閥起跳，保護(hù)試驗組件不受損壞；在進(jìn)入現(xiàn)場試驗前，要通過超壓設(shè)計計算，使得密封塞與支撐架連桿等承載能力足夠冗余。

3）在模擬試驗中已經(jīng)驗證450 kPa的壓力，根據(jù)機(jī)械強度計算遠(yuǎn)大于此值，故使用在230 kPa的環(huán)境下試驗是安全的。本裝置承受壓力的薄弱環(huán)節(jié)是充氣式橡膠密封圈，增加密封圈厚度，試驗壓力隨著上升。即使試驗壓力過大，致使密封圈的隔離作用失效，壓力邊界破壞，泄漏量劇增，自動泄壓，壓力不會上升，反而保護(hù)了試驗系統(tǒng)不被打壞，更不會將試驗器件打入系統(tǒng)中。

4）氣壓試驗氣爆傷人事故預(yù)防主要控制試驗壓力，低壓能有效的降低爆炸能；試驗時工作人員遠(yuǎn)離受壓設(shè)備、部件，操作人員不能正對受壓的閥蓋、接頭、盲板等容易發(fā)生故障的地方。

5）試驗方法、儀器設(shè)備、操作失誤都可能導(dǎo)致錯誤的試驗結(jié)果，通過試驗結(jié)果和分析說明結(jié)果是準(zhǔn)確可靠的。試驗人員應(yīng)經(jīng)過培訓(xùn)，熟練掌握本系統(tǒng)的操作。

6 結(jié)束語

核電廠一回路壓力邊界止回閥在線密封性測試研究結(jié)果表明：用密封隔離和檢漏儀以流量補充的方法，采用低壓氣密封試驗，實現(xiàn)了焊接在工藝系統(tǒng)上的旋片式止回閥的密封性能檢測。這種測試方法及裝置不僅適用于核電廠一回路，也可以在核電廠二回路和其他化工電力等企業(yè)工藝系統(tǒng)的旋啟式止回閥在線測試中推廣使用。

[1] GB/T 13927—2008 工業(yè)閥門壓力試驗[S].（GB/T 13927—2008 Pressure Test for Industrial Valve[S].）

[2] NB/T2018—2010 核電廠安全殼密封性試驗[S].（NB/ T 2018—2010 Leak Test for Nuclear Power Plant Containment[S].）

[3] ANSI/ANS-56.8-2002 安全殼系統(tǒng)密封性試驗要求[S].（ANSI/ANS-56.8-2002 Requirements for Containment System Leak Test[S].）

[4] RCC-G-88 安全殼的密封性試驗和強度試驗[S].（RCC-G-88 Containment Leak Test and Strength Test[S].）

The Online Sealing Performance Test of the Primary Circuit Pressure Boundary Check Valve in Nuclear Power Plants

YANG Yun-fei；HUANG Hui-min
（CNNC Nuclear Power Operations Management Co., Ltd., Haiyan of Zhejiang Prov. 314300, China）

The primary circuit pressure boundary check valves of 320 MW pressurized water reactor is a nuclear grade I key equipment. The sealing demand is very high, which is directly related to the internal leakage rate of the primary circuit system. After the welding check valve is repaired, the sealing performance is judged by color printing checks. If there is water or humid vapor in the pipe, it will affect the accuracy of the color printing checks. For the particularity of the online check valve tightness test, online detecting device is designed by the hydraulic pressure drop method in other nuclear power plants, but the method has some shortcomings and restrictions. In this paper, we design a reliable and portable test equipment by the low-pressure gas seal test fl ow measurement, which make accurate and quantitative judgment of sealing property after the pressure boundary check valves are repaired.

welding check valve; sealing property; on line test; air pressure test

TL33Article character：A

1674-1617(2013)03-0230-06

TL33

A

1674-1617(2013)03-0230-06

2013-03-27

楊云斐（1974—），男，四川綿陽人，工程師，從事核電技術(shù)應(yīng)用工作。