蒸汽發(fā)生器傳熱管氦檢漏定量定位技術(shù)分析及驗(yàn)證

趙 玄，周小龍

（中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)股份有限公司，武漢 430223）

蒸汽發(fā)生器傳熱管氦檢漏是核電廠蒸汽發(fā)生器十年大修的重要檢查項(xiàng)目，與一回路水壓試驗(yàn)、蒸汽發(fā)生器傳熱管全渦流檢查形成一個(gè)整體，以實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)行一定時(shí)間的蒸汽發(fā)生器傳熱管進(jìn)行全面檢查的目的［1-3］。蒸汽發(fā)生器傳熱管氦檢漏的實(shí)施對(duì)電站重要設(shè)備的預(yù)防性維修有著重要的作用，同時(shí)也將提升電站的安全運(yùn)行水平［4］。

在傳熱管發(fā)生泄漏時(shí)，及時(shí)準(zhǔn)確地判定該傳熱管的泄漏率及泄漏位置，對(duì)于評(píng)定該根傳熱管是否需要堵管及分析泄漏產(chǎn)生原因有著十分重要的意義。

蒸汽發(fā)生器傳熱管停堆期間的泄漏檢驗(yàn)技術(shù)主要分為三種：熒光檢漏、水分檢漏及氦檢漏［5］。熒光檢漏即將熒光素溶液加入二次側(cè)，通過(guò)用黑光燈照射檢查一次側(cè)的熒光信號(hào)來(lái)判斷傳熱管的泄漏，該方法存在熒光物質(zhì)交錯(cuò)污染、檢漏靈敏度低、無(wú)法定量、檢驗(yàn)周期長(zhǎng)等缺點(diǎn)；水分檢漏是采用水濃度傳感器來(lái)檢測(cè)一次側(cè)傳熱管水濃度變化的方法，該方法缺點(diǎn)是靈敏度低，無(wú)法定量；CANDU 堆氦檢漏是在一次側(cè)管板位置布置多管集氣罩，若能在集氣罩內(nèi)檢測(cè)出氦氣，則進(jìn)一步進(jìn)行單管檢測(cè)，該方法的檢測(cè)效率較前面兩種方法大大提高，但缺點(diǎn)是無(wú)法精準(zhǔn)定位［6］。筆者針對(duì)蒸汽發(fā)生器結(jié)構(gòu)，采用專(zhuān)用吸槍組件對(duì)單管進(jìn)行吸氣采樣檢測(cè)，根據(jù)對(duì)測(cè)得的濃度以及系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間進(jìn)行計(jì)算，精準(zhǔn)分析了傳熱管漏點(diǎn)大小及漏點(diǎn)位置。

1 技術(shù)簡(jiǎn)介

蒸汽發(fā)生器傳熱管氦檢漏技術(shù)是以氦氣為示蹤氣體的吸槍檢驗(yàn)法。此方法原理是：將蒸汽發(fā)生器二次側(cè)充入一定壓力、濃度的氦氣，當(dāng)傳熱管產(chǎn)生貫穿性缺陷時(shí)，氦氣會(huì)通過(guò)缺陷開(kāi)口處進(jìn)入傳熱管一次側(cè)內(nèi)部，被固定在傳熱管口的吸氣組件吸出并由氦質(zhì)譜儀進(jìn)行分析。

2 技術(shù)分析

2.1 定量技術(shù)分析

傳熱管內(nèi)的混合氣體以QB（單位為m3·h-1）的流量進(jìn)行循環(huán)，其中檢漏氣體氦氣的濃度為CB（單位為%VOL）。當(dāng)傳熱管內(nèi)的某點(diǎn)出現(xiàn)泄漏時(shí)，蒸汽發(fā)生器二次側(cè)將向傳熱管內(nèi)持續(xù)引入一股流量QL（單位為m3·h-1）、氦氣的濃度為CL（單位為%VOL）的混合氣體（其中CL由檢測(cè)人員控制，QL為檢測(cè)訴求量），此時(shí)傳熱管檢測(cè)端的混合氣體的流量和氦氣濃度發(fā)生變化，流量變?yōu)镼M（單位為 m3·h-1），氦氣濃度變?yōu)镃M（單位為%VOL），其中流量QM=QB+QL（理想氣體狀態(tài)下）。

而根據(jù)檢漏氣體氦氣總量的平衡，有以下等式：

則可以得到泄漏量：

式中，CM/CB——傳熱管檢測(cè)端氦檢漏儀讀數(shù)與傳熱管內(nèi)循環(huán)氣體氦檢漏儀讀數(shù)之比；

CL/CB——二次側(cè)混合氣體中氦氣濃度與傳熱管內(nèi)循環(huán)氣體的氦氣濃度之比。

2.2 定位技術(shù)分析

在泄漏處，吸氣流量的變化會(huì)立即引起氦濃度的變化。氦信號(hào)值在響應(yīng)時(shí)間之后被氦質(zhì)譜儀探測(cè)到。顯示氦信號(hào)變化所需的時(shí)間與造成泄漏的缺陷和吸槍端部之間的距離成正比。吸氣流量的兩次變化可取消吸槍響應(yīng)時(shí)間的影響。系統(tǒng)查漏原理如圖1所示。

圖1 定位測(cè)試原理圖Fig.1 Schematic diagram of locational test

當(dāng)傳熱管內(nèi)某點(diǎn)出現(xiàn)泄漏時(shí)，管內(nèi)氣體流量變?yōu)镼M，氦氣從泄漏點(diǎn)到傳熱管檢漏端的移動(dòng)時(shí)間tL內(nèi)吸槍所吸氣總體積為VL（單位為m3），從泄漏點(diǎn)到傳熱管檢漏端的距離長(zhǎng)度為HL，則有下列等式：

進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)修正后為：

因?yàn)楹z漏系統(tǒng)的實(shí)際響應(yīng)時(shí)間tM包含氣體從泄漏點(diǎn)到傳熱管檢漏端的移動(dòng)時(shí)間tL和氦檢漏儀的響應(yīng)時(shí)間Δt；由于沿程阻力與管路壓力會(huì)造成氣體損失，實(shí)際流量應(yīng)為ε QM，上述公式應(yīng)修正變?yōu)椋?/p>

為了消除氦檢漏儀的響應(yīng)時(shí)間Δt，可以利用二次不同流量的等式進(jìn)行差值計(jì)算：

相減可得：

通過(guò)數(shù)學(xué)變換可得泄漏位置：

其中：HL——缺陷距吸氣管口的距離，m；

QM——第一次氣體完全轉(zhuǎn)移使用的流量值，N·m3·h-1；

Q′M——第二次氣體完全轉(zhuǎn)移使用的流量值，N·m3·h-1；

Ttube——傳熱管內(nèi)流體的溫度，℃；

Stube——傳熱管橫截面積，m2；

tM——第一次氦氣氣體被檢測(cè)到時(shí)間，s；

tM’——第二次氦氣氣體被檢測(cè)到時(shí)間，s；

ε——流量修正系數(shù)。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)果

3.1 定量技術(shù)驗(yàn)證

本文先通過(guò)檢漏儀調(diào)整正壓漏孔的漏率，將其單位換算為N·cm3·h-1，再將正壓漏孔安裝至傳熱管模擬體不同位置并通過(guò)吸氣裝置進(jìn)行檢測(cè)，將結(jié)果單位換算為N·cm3·h-1并進(jìn)行比對(duì)。

試驗(yàn)步驟如下：

（1）將正壓漏孔安裝至氦質(zhì)譜儀，調(diào)整進(jìn)氣口壓力，將氦質(zhì)譜儀測(cè)得正壓漏孔的漏率換算為泄漏量，大約為3 N·cm3·h-1；

（2）安裝正壓漏孔至傳熱管模擬體上；

（3）將吸氣裝置安裝于傳熱管管口，打開(kāi)檢漏儀吸氣系統(tǒng)（吸氣流量：1 200 L·h-1）；

（4）等待氣體完全轉(zhuǎn)移后（20 s），讀取檢漏儀數(shù)值，利用公式（2）計(jì)算泄漏率，與實(shí)際泄漏率進(jìn)行對(duì)比，重復(fù)測(cè)量4次；

（5）改變進(jìn)氣口壓力，調(diào)節(jié)漏點(diǎn)泄漏量，改變漏孔位置，重復(fù)上述步驟（2）～（4）。

改變參數(shù)后實(shí)驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

定量試驗(yàn)平臺(tái)如圖2 所示，傳熱管一端與檢漏儀連接，在傳熱管上不同位置的模擬漏點(diǎn)安裝正壓漏孔。

圖2 定量試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of quantitative test system

表1 定量試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表Table 1 Quantitative test verification results

圖3 定量試驗(yàn)結(jié)果偏差圖Fig.3 Deviation diagram of quantitative test results

本文以表1計(jì)算結(jié)果誤差制作定量試驗(yàn)結(jié)果偏差圖，如圖3所示。由圖3可知，改變漏點(diǎn)位置以及吸氣壓力等參數(shù)，由漏率測(cè)量公式計(jì)算所得數(shù)值與實(shí)際漏率間誤差均小于±20%，且反復(fù)測(cè)量的偏差均小于10%，試驗(yàn)的可重復(fù)性高。因此，漏率測(cè)量公式［即公式（2）］滿(mǎn)足實(shí)際檢驗(yàn)中的定量要求。

3.2 定位技術(shù)確定與驗(yàn)證

3.2.1 定位技術(shù)參數(shù)確認(rèn)

定位技術(shù)參數(shù)確認(rèn)過(guò)程如下：將正壓漏孔安裝至傳熱管模擬體，兩次改變傳熱管內(nèi)的吸氣流量，分別記錄氦信號(hào)值，利用定位公式，初步計(jì)算泄漏位置；通過(guò)試驗(yàn)確立兩個(gè)定位用吸氣流量值，并結(jié)合理論結(jié)果及實(shí)際結(jié)果進(jìn)行公式修正，使計(jì)算得出的泄漏位置盡量接近實(shí)際泄漏位置。試驗(yàn)系統(tǒng)示意如圖4所示，驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)表2。

圖4 定位試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.4 Schematic diagram of locational test system

表2 定位試驗(yàn)測(cè)試參數(shù)表Table 2 Parameters of locational test

具體試驗(yàn)步驟如下：

（1）將正壓漏孔安裝至21.534 m接口法蘭處；

（2）吸氣裝置安裝于傳熱管管口，打開(kāi)正壓漏孔；

（3）打開(kāi)檢漏儀，吸氣系統(tǒng)，記錄時(shí)間T0吸氣流量Qv1；

（4）記錄檢漏儀測(cè)量到信號(hào)的時(shí)間t1；

（5）待信號(hào)穩(wěn)定后，降低吸氣流量至Qv2，記錄檢漏儀測(cè)量到更高信號(hào)值的時(shí)間t2；

（6）根據(jù)公式（8）計(jì)算修正參數(shù)ε；

（7）改變Qv1及Qv2，反復(fù)測(cè)量，計(jì)算修正參數(shù)ε；

（8）根據(jù)多組修正參數(shù)ε，進(jìn)行圖像擬合，得出最佳ε值，最終得出算法公式。

本文通過(guò)改變Qv1及Qv2值（即QM與Q’M），測(cè)算t1與t2（即tM與t’M）。表3 給出了相應(yīng)試驗(yàn)組的測(cè)試參數(shù)和測(cè)算結(jié)果。

參數(shù)QM、Q’M、響應(yīng)時(shí)間差tM-t’M、傳熱管截面積S、安裝位置HL與傳熱管溫度T均可通過(guò)試驗(yàn)臺(tái)或者相關(guān)測(cè)試儀器測(cè)得，根據(jù)公式（8）可求得修正系數(shù)ε，如圖5所示。對(duì)于上述6組試驗(yàn)所求得的修正系數(shù)ε值散點(diǎn)圖，如圖5所示，本文以ε=a直線(xiàn)擬合，擬合結(jié)果為ε=1.11。

圖5 修正系數(shù)ε散點(diǎn)圖Fig.5 Divergence of the corrected coefficient

則公式（8）最終確定為下式：

3.2.2 定位技術(shù)驗(yàn)證

試驗(yàn)過(guò)程如下：將正壓漏孔安裝至傳熱管模擬體1.705 m、2.826 m、3.946 m、6.188 m、7.309 m、8.430 m、21.33 m和22.451 m漏點(diǎn)位置，兩次改變傳熱管內(nèi)的吸氣流量，分別記錄氦信號(hào)值，利用定位公式（9），計(jì)算泄漏位置，與標(biāo)準(zhǔn)位置進(jìn)行對(duì)比，重復(fù)4次，確認(rèn)是否處于允許誤差之內(nèi)。驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 定位試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表Table 3 Locational test verification results

圖6 定位試驗(yàn)結(jié)果偏差圖Fig.6 Deviation diagram of locational test results

以表3 計(jì)算結(jié)果制作定位試驗(yàn)結(jié)果偏差圖，如圖6所示。由圖6可知，改變漏點(diǎn)位置、兩次的吸氣流量等參數(shù)，利用修正后公式計(jì)算所得數(shù)值與實(shí)際漏率間誤差均小于±500 mm，反復(fù)測(cè)量4次，定位偏差小于200 mm，試驗(yàn)的可重復(fù)性高。因此，漏點(diǎn)定位公式［即公式（9）］在實(shí)際檢驗(yàn)中可滿(mǎn)足定位要求。

4 結(jié)論

本文針對(duì)蒸汽發(fā)生器傳熱管氦檢漏漏點(diǎn)定量定位分析提出了一套計(jì)算公式，通過(guò)理論技術(shù)分析并結(jié)合試驗(yàn)驗(yàn)證，誤差和重復(fù)性均滿(mǎn)足實(shí)際蒸發(fā)器傳熱管氦檢漏中的定位及定量要求。其算法公式如下：

定量公式［上述公式（2）］：

定位公式［上述公式（9）］：