“華龍一號”主蒸汽管道局部泄漏監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

張 雷，魏華彤，閆桂銀

（中國核電工程有限公司，北京 100840）

LBB技術(shù)（破前泄漏，Leak Before Break），其基本思想是當管道發(fā)生早期泄漏，泄漏量達到一定程度之前，可以通過泄漏監(jiān)測裝置測量出來，這樣在管道裂紋擴展到臨界裂紋尺寸而突然斷裂之前，可以有充裕時間實現(xiàn)安全停堆，對泄漏管道進行修補或更換等處理，以避免管道雙端斷裂的發(fā)生[1]。

LBB技術(shù)應(yīng)用于反應(yīng)堆冷卻劑管道、波動管、安全殼內(nèi)主蒸汽管道等高能管道，其中一回路反應(yīng)堆冷卻劑管道和波動管LBB技術(shù)的應(yīng)用，其法規(guī)要求和檢測手段較為完善，而主蒸汽管道LBB技術(shù)的應(yīng)用，屬于新的研究領(lǐng)域，目前并沒有專門的法規(guī)要求，主蒸汽管道的泄漏檢測手段也很少，針對二代加 M310堆型，安全殼地坑液位測量作為主蒸汽管道泄漏率定量測量的唯一方法，暫無其他定量測量手段，檢測手段較為單一。地坑液位檢測通過泄漏蒸汽冷凝后匯集到房間地漏，經(jīng)地漏傳輸管線送到安全殼地坑最終收集，通過設(shè)置在地坑中的液位儀表判斷單位時間內(nèi)液位高度的變化計算出管道泄漏率。該測量方法過程傳輸時間較長，無法及時反應(yīng)主蒸汽管道的泄漏，也無法對主蒸汽管道的泄漏位置進行定位。

“華龍一號”主蒸汽管道局部泄漏監(jiān)測系統(tǒng)（以下簡稱主蒸汽泄漏監(jiān)測系統(tǒng)）為TSM主蒸汽系統(tǒng)中需要采用 LBB技術(shù)的主蒸汽管道（蒸發(fā)器出口到安全殼貫穿件之間的主蒸汽管道）專門增設(shè)的一套泄漏監(jiān)測系統(tǒng)。主蒸汽泄漏監(jiān)測系統(tǒng)采用聲發(fā)射泄漏檢測技術(shù)，即將聲發(fā)射傳感器測點沿主蒸汽管道進行布置，聲發(fā)射傳感器接收主蒸汽管道泄漏時產(chǎn)生的應(yīng)力—應(yīng)變信號，并將信號送入到聲發(fā)射局部泄漏監(jiān)測系統(tǒng)控制機柜進行數(shù)據(jù)分析處理，用于實時監(jiān)測主蒸汽管道發(fā)生的泄漏，當主蒸汽管道泄漏達到一定量時，該系統(tǒng)能夠?qū)艿佬孤┝窟M行監(jiān)測報警并判斷出泄漏位置。

1 主蒸汽泄漏監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)主框架設(shè)計方案

主蒸汽泄漏監(jiān)測系統(tǒng)包括聲發(fā)射傳感器、聲發(fā)射放大器、聲發(fā)射處理機柜、主蒸汽泄漏監(jiān)測系統(tǒng)專用軟件、同軸電纜和連接器等。主框架設(shè)計圖如圖1所示。

圖1 主蒸汽泄漏監(jiān)測系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic of the main steam line local leakage measuring system

主蒸汽泄漏監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計如下：

（1）“華龍一號”核電廠應(yīng)用 LBB技術(shù)的主蒸汽管道有三條，通過對主焊縫、支吊架、支撐護板等位置的綜合分析，SG1（蒸汽發(fā)生器1）管路布置4個聲發(fā)射傳感器，SG2（蒸汽發(fā)生器2）管路布置12個聲發(fā)射傳感器，SG3（蒸汽發(fā)生器3）管路布置10個聲發(fā)射傳感器，共計26個聲發(fā)射傳感器。

（2）聲發(fā)射傳感器安裝時為方便檢修，避免和管道直接接觸造成損壞，采用波導桿的安裝方式。在管道上焊接一個波導桿，將聲發(fā)射信號引到保溫層外，聲發(fā)射傳感器再安裝到波導桿上。

（3）主蒸汽泄漏監(jiān)測系統(tǒng)機柜和監(jiān)測系統(tǒng)軟件，根據(jù)“華龍一號”核電廠聲發(fā)射傳感器布置實際情況進行研制開發(fā)。滿足26路聲發(fā)射傳感器的數(shù)據(jù)采集、顯示、分析、處理、報警等功能，同時充分考慮了人因操作和系統(tǒng)管理的便捷性和安全性。最終保證了發(fā)生泄漏事故時主蒸汽泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的人機交互能力。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計原理

管道材料在塑性變形或損傷破壞過程中會釋放應(yīng)變能或產(chǎn)生應(yīng)力波，聲發(fā)射泄漏檢測方法通過布置在被測對象上的聲發(fā)射傳感器接收到應(yīng)力-應(yīng)變信號，并將信號送入到聲發(fā)射機柜進行數(shù)據(jù)分析處理，以實現(xiàn)蒸汽泄漏的定量和定位測量[2]。聲發(fā)射泄漏檢測示意圖如圖 2所示。

圖2 聲發(fā)射泄漏檢測示意圖Fig.2 Schematic of acoustic emission leakage detection

管道泄漏時，聲發(fā)射強度信號與管道泄漏率存在如下經(jīng)驗公式[3]：

由于聲發(fā)射信號在固體介質(zhì)中傳播都將伴隨有衰減，聲發(fā)射信號強度與傳播距離呈指數(shù)衰減關(guān)系[4]，公式如下所示。

a、b、c已知的前提下，當布置在管道上的兩臺聲發(fā)射傳感器之間發(fā)生泄漏時，通過公式換算可實現(xiàn)泄漏率G的定量測量和泄漏位置L的定位測量。

2 主蒸汽泄漏監(jiān)測系統(tǒng)詳細設(shè)計

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

主蒸汽泄漏監(jiān)測系統(tǒng)由聲發(fā)射傳感器、聲發(fā)射放大器、接線箱、聲發(fā)射處理機柜、主蒸汽泄漏監(jiān)測系統(tǒng)專用軟件、同軸電纜以及波導桿等安裝附件組成，詳細設(shè)備組成如下。

（1）聲發(fā)射傳感器：26個。SG1（蒸汽發(fā)生器1）管道布置4個，SG2（蒸汽發(fā)生器2）布置12個，SG3（蒸汽發(fā)生器3）布置10個，均布置在RX廠房。

（2）聲發(fā)射放大器：26個。每個聲發(fā)射傳感器配備一個聲發(fā)射放大器，均布置在RX廠房。

（3）放大器接線箱（附帶電纜密封頭）：26個。用于聲發(fā)射放大器的安裝和接線，均布置在R廠房。

（4）聲發(fā)射處理機柜：1個，控制柜位于L713廠房中。

（5）主蒸汽泄漏監(jiān)測系統(tǒng)專用軟件：用于聲發(fā)射信號采集、分析處理、人機交互的專用軟件。

其他部件：

（6）信號電纜：同軸電纜，用于聲發(fā)射放大器和聲發(fā)射處理機柜之間的信號傳輸，兩端為BNC接頭，阻抗50 Ω。

（7）BNC接頭，SMB接頭：若干，阻抗50 Ω。

（8）SMA接頭：若干，阻抗50 Ω。

（9）波導桿及探頭壓件：各26個。波導桿一端預留V錐型坡口，垂直焊接在主蒸汽管道上，另一端安裝聲發(fā)射傳感器。

主蒸汽泄漏監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)備清單和布置房間如表 1 所示，主蒸汽泄漏監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計流程簡圖如圖3所示。

表1 系統(tǒng)設(shè)備清單和房間布置Table 1 System equipment and room layout

圖3 主蒸汽泄漏監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計流程簡圖Fig.3 Flow chart of main steam line local leakage measuring system

2.2 聲發(fā)射傳感器安裝設(shè)計

由于聲發(fā)射傳感器直接安裝到主蒸汽管道上，一方面主蒸汽管道的高溫可能會對傳感器產(chǎn)生損壞，縮短聲發(fā)射傳感器壽命，另一方面保溫層包裹住聲發(fā)射儀表，造成檢修、更換困難，同時檢修人員也將面臨熱輻射的風險。所以特殊設(shè)計的波導桿可將主蒸汽管道的聲音信號引出到保溫層外進行測量，而不影響測量信號的準確性，同時可以將聲發(fā)射儀表牢固固定在波導桿上，避免長時間管道振動或地震情況下導致聲發(fā)射儀表安裝松弛對測量產(chǎn)生影響，保障了聲發(fā)射儀表正常監(jiān)測功能。

波導桿和聲發(fā)射傳感器采用一體化封裝。波導桿一端連接管道，一端連接聲發(fā)射傳感器，可以將管道泄漏產(chǎn)生的聲發(fā)射信號引導到波導桿后，再傳輸?shù)讲▽U安裝的儀表上進行測量[5]。

波導桿本體采用314L不銹鋼材質(zhì)，主要由V錐形坡口（管道焊接端，帶一定弧度的V錐坡口便于與管道進行堆焊）、波導桿延長段（從管道外壁穿出保溫層）、探頭安裝平臺（側(cè)面加工外螺紋）構(gòu)成。一端連接管道，一端連接聲發(fā)射儀表，將高能管道泄漏產(chǎn)生的聲發(fā)射信號引出到保溫層外進行測量。波導桿設(shè)計簡圖如圖4所示。

2.3 聲發(fā)射處理機柜設(shè)計

聲發(fā)射處理機柜是主蒸汽泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的控制中樞，工控機、聲發(fā)射采集卡、觸摸顯示屏等核心設(shè)備均安裝在聲發(fā)射處理機柜中。聲發(fā)射處理機柜的設(shè)計主要包括前門、前面板、后門、后面板四個部分，如圖5所示。

（1）前門：主要用于前面板防護，設(shè)置有透明窗口，可以在不開門的情況下監(jiān)測顯示器運行畫面。

（2）前面板：主要包括銘牌區(qū)、流程圖示意區(qū)、電源分配盤、工業(yè)顯示屏安裝盤、工控機倉、鍵盤倉、打印機倉、文件資料倉。

圖4 波導桿設(shè)計簡圖Fig.4 Schematic design of waveguide rod

（3）后門：主要用于后面板防護和機柜散熱。

（4）后面板：在機柜上部設(shè)置有柜內(nèi)電氣附件的安裝面板，該安裝面板分為三個區(qū)：斷路器/變壓器安裝區(qū)、插座/端子排安裝區(qū)、外部信號接口安裝區(qū)。

圖5 聲發(fā)射處理機柜布置圖Fig.5 The layout of the acoustic emission processing cabinet

2.4 保溫層優(yōu)化設(shè)計

“華龍一號”核電廠將永久安裝單壁保溫殼結(jié)構(gòu)改為雙壁可拆卸保溫殼（見圖6）。這樣在提高主蒸汽管道保溫效果的同時，可以滿足聲發(fā)射泄漏檢測的要求，同時拆卸，維護檢修都更加方便。

圖6 雙壁保溫殼示意圖Fig.6 Schematic of the double wall insulation layer

雙壁可拆卸保溫殼不能直接貼近管道，利用保溫層波形墊片（見圖 7）使管道和雙壁可拆卸保溫盒之間保留15 mm的凈空。保溫殼內(nèi)外壁采用不銹鋼材質(zhì)，內(nèi)壁 0.4 mm、側(cè)壁1.5 mm、外壁1.5 mm，填充材料為散裝玻璃棉纖維。

圖7 保溫層波形墊片示意圖Fig.7 Schematic of the insulation layer shim

3 系統(tǒng)先進性和創(chuàng)新點

主蒸汽泄漏監(jiān)測系統(tǒng)首次將聲發(fā)射定量（定位）檢測技術(shù)應(yīng)用于主蒸汽管道泄漏監(jiān)測，具有很高的先進性，能夠滿足“華龍一號”LBB的技術(shù)要求。具體先進性如下所示。

（1）主蒸汽泄漏監(jiān)測系統(tǒng)利用聲發(fā)射定量和定位檢測技術(shù)，對主蒸汽管道泄漏進行定量和定位監(jiān)測，為“華龍一號”主蒸汽管道實施LBB技術(shù)要求提供了有力支撐。

（2）主蒸汽泄漏監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和設(shè)備布置按照抗震要求設(shè)計，同時通過了EMC、輻照等一系列鑒定試驗。系統(tǒng)主要設(shè)備選型兼容性好、穩(wěn)定性高，機柜盤面和柜內(nèi)布局設(shè)計合理、可操性強，能夠更好地滿足“華龍一號”現(xiàn)場應(yīng)用需求。

（3）安裝到核電廠高能管道并有效傳輸聲發(fā)射信號的波導桿組件，為聲發(fā)射儀表在高能管道上安裝、維護、檢修提供了有效解決方案。

（4）主蒸汽泄漏監(jiān)測系統(tǒng)控制硬件選用主流工業(yè)用控制設(shè)備，軟件和硬件數(shù)據(jù)通信順暢，穩(wěn)定性高，可以實現(xiàn)主蒸汽管道泄漏定位和定量測量，定量測量能力達到0.25 gpm。

（5）根據(jù)“華龍一號”管道布置和監(jiān)測要求，提出了合適的測點數(shù)量和布置方案，26個測點的布置方案即可滿足主蒸汽管道泄漏的監(jiān)測要求。

4 主蒸汽泄漏監(jiān)測系統(tǒng)詳細設(shè)計

本文對主蒸汽管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計從主框架設(shè)計、檢測原理設(shè)計、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計、傳感器安裝設(shè)計、處理機柜設(shè)計、保溫層優(yōu)化設(shè)計六個方面進行詳細表述。主蒸汽管道局部泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計成果已在“華龍一號”工程項目中應(yīng)用，為LBB技術(shù)應(yīng)用于主蒸汽管道提供了有力支持。主蒸汽管道將具有主動監(jiān)測機制，可對管道貫穿裂紋處微小泄漏進行監(jiān)測，進一步避免高能管道雙端斷裂的風險，既確保核反應(yīng)堆的安全，也考慮節(jié)省防甩件等設(shè)施，同時還能降低核反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)的復雜程度和建設(shè)費用。