CEFR堆本體泄漏測(cè)量?jī)?yōu)化研究

戴浩

摘要：CEFR主容器泄漏率技術(shù)規(guī)格書中的一個(gè)硬性要求，對(duì)安全運(yùn)行有著重要的意義。目前使用氦氣作為示漏氣體進(jìn)行查漏。由于主容器本體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，連接系統(tǒng)多，以往的測(cè)量方案存在效率低、成本高的問題。在本次檢漏中，從測(cè)量手法、范圍等方面對(duì)以往方案進(jìn)行優(yōu)化，并且實(shí)踐結(jié)果符合預(yù)期，主容器泄漏也得到有效抑制，為后續(xù)主容器維護(hù)查漏和CFER600大堆運(yùn)行提供了一套可以借鑒的主容器檢漏經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：池式快堆密封邊界??主容器泄漏率??正壓檢漏測(cè)量?jī)?yōu)化??檢漏經(jīng)驗(yàn)反饋

1任務(wù)背景

CEFR為國內(nèi)首座池式鈉冷快堆。反應(yīng)堆主容器內(nèi)充有110m?的高純氬氣和約250t液態(tài)金屬鈉。在反應(yīng)堆運(yùn)行期間，主容器內(nèi)的氬氣活化產(chǎn)生⁴¹Ar是放射性源項(xiàng)的重要組成部分，因此嚴(yán)格限制了氬氣的泄漏率，CEFR對(duì)主容器泄漏率的限定值為100L/d。在每次重新啟動(dòng)反應(yīng)堆前，都需要對(duì)主容器泄漏率進(jìn)行測(cè)量。

首次大修后，因一回路壓力邊界比發(fā)生維修，對(duì)堆本體主容器泄漏率進(jìn)行了計(jì)算：主容器氣腔泄漏率為273L/d（遠(yuǎn)超限值，因此不考慮不確定度）。根據(jù)后續(xù)運(yùn)行計(jì)劃，需要盡快完成主容器檢漏工作并將泄漏率恢復(fù)至運(yùn)行限值以下，否則不能啟動(dòng)反應(yīng)堆。

2 探測(cè)方法

氦質(zhì)譜儀檢漏是近幾年發(fā)展起來并在航天、化工、核電等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的檢漏手段，特點(diǎn)是靈敏度高、測(cè)量范圍廣、無殘留等優(yōu)點(diǎn)，其檢測(cè)方式又大致分為真空氦檢漏和正壓氦檢漏，特點(diǎn)如下表1所示^[1]。

CEFR主容器在鈉溫250℃下的氣腔體積為104.3m?。這個(gè)體積包括了超壓保護(hù)系統(tǒng)、換料機(jī)、主泵、中間熱交換器的空間。系統(tǒng)氬氣空間較大、結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、接口多，難以適用真空檢漏法，因此采用氦質(zhì)譜儀正壓檢漏方法。

2.1探測(cè)原理

正壓檢漏主要原理如圖1所示。

正壓氦氣檢漏需向檢漏容器充入不低于10%濃度的示蹤氣體^[2]，在經(jīng)過一定時(shí)間的擴(kuò)散后，使用檢漏儀對(duì)可能泄漏的地方進(jìn)行探查，從而對(duì)泄漏位置進(jìn)行定位。

2.2泄漏位置定位

CEFR堆本體下部為堆容器，上部為旋轉(zhuǎn)屏蔽塞，旋轉(zhuǎn)屏蔽塞上安裝換料機(jī)構(gòu)和控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等設(shè)備。鈉泵及熱交換器均布置在周圍，多個(gè)氬氣系統(tǒng)通過管線與主容器相連。其結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。

1. 大/小旋塞：錫鉍合金凝固密封。
2. 一回路鈉泵：安裝位置焊接、轉(zhuǎn)動(dòng)部位的動(dòng)靜石墨環(huán)接觸密封。
3. 動(dòng)導(dǎo)管驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)：法蘭密封。
4. 堆本體測(cè)量?jī)x表：法蘭+閥門密封。
5. 人孔和實(shí)驗(yàn)孔道：法蘭密封。
6. 主容器密封塞：壓緊密封。
7. 7個(gè)氬氣系統(tǒng)通過管道和邊界閥門與主容器內(nèi)部直接相連。

2.3檢漏方案

2.3.1堆本體部分

CEFR主容器的泄漏探測(cè)困難：（1）設(shè)備多數(shù)法蘭均隱藏在設(shè)備內(nèi)部，如需直接測(cè)量需要進(jìn)行設(shè)備的拆卸;（2）多數(shù)系統(tǒng)和設(shè)備位置不易接近，如堆頂防護(hù)罩內(nèi)、轉(zhuǎn)運(yùn)室等均屬于三級(jí)控制區(qū);（3）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)內(nèi)部體積過大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，檢漏條件較常見的容器類嚴(yán)苛。需要制定檢漏策略既保證不遺漏高價(jià)值的泄漏位置，又具備一定的可操作性、經(jīng)濟(jì)性和時(shí)效性。

2.3.2泄漏模式分析

導(dǎo)致主容器泄漏增加的形式有以下4種。

1. 系統(tǒng)的界閥門或邊界閥門前的儀表外漏導(dǎo)致一回路氬氣異常進(jìn)入該閥門所在工藝間。如果在測(cè)量過程中發(fā)現(xiàn)有氦氣指示，那么針對(duì)性地檢查工藝間內(nèi)的邊界閥門或者邊界閥門之前的測(cè)量?jī)x表，是有可能獲得有價(jià)值的測(cè)量結(jié)果。
2. 主容器邊界閥門的內(nèi)漏導(dǎo)致一回路氬氣異常進(jìn)入相連系統(tǒng)。如果只是邊界閥門內(nèi)漏，而相連系統(tǒng)不存在外漏的話，那么這種情況泄漏率的貢獻(xiàn)不會(huì)很大。因?yàn)閷?shí)質(zhì)是增大了堆本體氣腔，并且這種情況下的外部測(cè)量是得不到結(jié)果的。
3. 邊界閥門內(nèi)漏合并相連系統(tǒng)的儀表或設(shè)備外漏導(dǎo)致一回路氬氣進(jìn)入工藝間。從測(cè)量現(xiàn)象上預(yù)計(jì)會(huì)和情況1的測(cè)量現(xiàn)象一致。
4. 系統(tǒng)閥門內(nèi)漏同時(shí)該系統(tǒng)與其他系統(tǒng)相連系統(tǒng)也存在內(nèi)漏，導(dǎo)致一回路氬氣進(jìn)入更多的系統(tǒng)。但多道串聯(lián)的閥門同時(shí)內(nèi)漏可能性不高，這種情況概率較低;同時(shí)，泄漏擴(kuò)散太遠(yuǎn)、稀釋嚴(yán)重，測(cè)量?jī)r(jià)值較低。

2.3.3探測(cè)范圍改進(jìn)

由于現(xiàn)場(chǎng)情況復(fù)雜，各個(gè)系統(tǒng)之間相連，潛在泄漏點(diǎn)分布廣，需制定一個(gè)測(cè)量的策略：簡(jiǎn)化探測(cè)面積同時(shí)盡可能不遺漏潛在泄漏點(diǎn)，才能使得此項(xiàng)工作在合理的耗時(shí)內(nèi)取得良好的進(jìn)展，這個(gè)范圍的劃定遵循以下原則。（1）探測(cè)的范圍能夠盡可能不遺漏潛在的泄漏點(diǎn)。（2）超過這個(gè)范圍進(jìn)入其他系統(tǒng)的泄漏點(diǎn)對(duì)應(yīng)系統(tǒng)閥門內(nèi)漏同時(shí)該系統(tǒng)與其他系統(tǒng)相連系統(tǒng)也存在內(nèi)漏的情況，探測(cè)價(jià)值不高且泄漏的可能性不大。（3）泄漏在這個(gè)范圍內(nèi)并不會(huì)造成主容器的壓力持續(xù)下降：對(duì)應(yīng)主容器邊界閥門的內(nèi)漏導(dǎo)致一回路氬氣異常進(jìn)入相連系統(tǒng)的情況，等同于增大主容器氣腔體積。（4）這個(gè)范圍外探測(cè)到的泄漏對(duì)應(yīng)了系統(tǒng)的界閥門或邊界閥門前的儀表外漏及邊界閥門內(nèi)漏合并相連系統(tǒng)的儀表或設(shè)備外漏的情況，能夠粗定位，提高探測(cè)效率，并且通過對(duì)探測(cè)處的簡(jiǎn)單維修將泄漏情況變?yōu)橹魅萜鬟吔玳y門的內(nèi)漏導(dǎo)致一回路氬氣異常進(jìn)入相連系統(tǒng)的情況，以進(jìn)行后續(xù)處理。

2.3.4氦氣正壓檢漏方法現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)改進(jìn)

（1）主要困難。

第一，氦氣正壓檢漏時(shí)，吸槍在大氣環(huán)境下工作的。不同于真空檢漏時(shí)真空環(huán)境，此時(shí)譜儀其實(shí)探測(cè)的是探測(cè)位置大氣中的氦氣。示蹤氣體被吸入到測(cè)量?jī)x器內(nèi)部這個(gè)過程中會(huì)被稀釋。如上文所述，氦質(zhì)譜儀的靈敏度為1×10^-7Pa·m?/s^[3]。而在氦氣正壓檢漏時(shí)，由于泄漏擴(kuò)散出來的氦氣被稀釋1×10⁵左右，因此氣體濃度達(dá)到1×10^-3～1×10^-2Pa·m?/s時(shí)才有較好的結(jié)果^[4]。廠房控制區(qū)內(nèi)氦氣本底約為3.3×10^-7～4.1×10^-7Pa·m³/s。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)^[5]，如果不是某一處嚴(yán)重泄漏，而是多個(gè)點(diǎn)平均泄漏的話，現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)結(jié)果預(yù)計(jì)在1×10^-4～1×10^-6Pa·m?/s數(shù)量級(jí)。因此需要設(shè)法提高探測(cè)位置的氦氣分壓，實(shí)現(xiàn)泄漏氦氣的積累，才能達(dá)到較好的測(cè)量結(jié)果。

第二，由于正壓檢漏實(shí)際上是吸取檢漏位置外部的環(huán)境氣體。氦氣從法蘭或密封面中泄漏處擴(kuò)散進(jìn)大氣，再通過吸槍進(jìn)入測(cè)量空間，測(cè)量空間氣體濃度提升需要一個(gè)候檢時(shí)間^[6]，使得儀器測(cè)量部位的氦氣分壓逐漸從大氣水平升高到泄漏處的實(shí)際水平。如果在探測(cè)位置停留候檢時(shí)間不足，或吸槍在候檢時(shí)移動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致無法取到平衡濃度的示蹤氣體，導(dǎo)致測(cè)量失效。

第三，對(duì)于人員進(jìn)入風(fēng)險(xiǎn)較大、要進(jìn)行大規(guī)模的拆卸的區(qū)域，暫不進(jìn)行測(cè)量。

第四，對(duì)空間大、設(shè)置有環(huán)境通風(fēng)的區(qū)域，需要根據(jù)工藝特點(diǎn)間接判斷泄漏，無法采用氦氣正壓檢漏。

（2）測(cè)量改進(jìn)措施。

第一，由于測(cè)量范圍內(nèi)存在大量?jī)x表和儀表閥，它們有的位于工藝間，有的位于走廊。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)^[5]，儀表的泄漏往往非常?。ㄌ綔y(cè)到過的儀表泄漏數(shù)值量級(jí)約10^-5-10^-6Pa·m?/s），采取外包塑料的方式對(duì)儀表和儀表閥進(jìn)行包裹以提高泄漏位置的氣體濃度。包裹的位置有儀表的入口儀表閥、儀表出口儀表閥和儀表本體，在經(jīng)過擴(kuò)散后對(duì)塑料袋內(nèi)部包裹范圍進(jìn)行測(cè)量。

第二，測(cè)量時(shí)擴(kuò)散空間體積為V，大氣分壓為，測(cè)量位置泄漏率為。那么擴(kuò)散時(shí)間內(nèi)，通過泄漏進(jìn)測(cè)量空間內(nèi)的氦氣為，這部分氦氣一部分會(huì)留在測(cè)量空間中使其中氦氣分壓升高，量為;一部分會(huì)隨著被擠出測(cè)量空間的空氣一起逃出，量為因此我們可以得到：

得到：

達(dá)到10^-6Pa·m³/s即可判定為泄漏點(diǎn)^[5];

=10⁵Pa，可探測(cè)的最小泄漏量對(duì)應(yīng)的分壓=10^-6;

測(cè)量處泄漏率，假設(shè)271L/D的泄漏量全部集中在一處，并且被稀釋10⁵倍左右，因此3.15×10^-5Pa·m³/s;

為測(cè)量空間體積。吸槍軟管長(zhǎng)度為30m，內(nèi)徑為φ4;

最終的得到：

3.72s。

此參數(shù)主要受、和的影響。本次測(cè)量中，前兩項(xiàng)參數(shù)均為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，因此V的不同導(dǎo)致待檢時(shí)間不同，理論上不同位置的待檢時(shí)間如表2所示.

對(duì)于包裹部位測(cè)量是本次測(cè)量的主要目標(biāo)。測(cè)量時(shí)停留時(shí)間至少需要2min，并且不能移動(dòng)^[7];而對(duì)于大空間環(huán)境，該測(cè)量方式不具備可實(shí)施性。因此，對(duì)于有泄漏風(fēng)險(xiǎn)但氦氣正壓測(cè)量實(shí)時(shí)困難的區(qū)域，根據(jù)區(qū)域氣氛維持的特性，采取單獨(dú)的測(cè)量方式：（1）對(duì)于有維持壓力需求的區(qū)域，采取測(cè)量充氣的量進(jìn)行泄漏查找;（2）對(duì)于采用液態(tài)金屬凝固密封的位置，采取融化的方式檢查在融化狀態(tài)下泄漏情況，反推凝固時(shí)是否存在泄漏。

3現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施

3.1測(cè)量準(zhǔn)備

測(cè)量前對(duì)測(cè)量范圍內(nèi)手動(dòng)閥進(jìn)行人工關(guān)緊確認(rèn)。而對(duì)電動(dòng)閥門，內(nèi)漏情況下的手動(dòng)關(guān)緊只會(huì)掩蓋它的問題。因此沒有對(duì)電動(dòng)閥門進(jìn)行手動(dòng)關(guān)緊操作，希望能夠暴露問題以便進(jìn)行維修。

3.2查漏實(shí)施

為了確保測(cè)量的有效性，示蹤氦氣的注入濃度從10%提高至15%，并且充氣完成后，系統(tǒng)靜置4h后開始測(cè)量。最終測(cè)量得到的泄漏數(shù)據(jù)見表3。

除上表中的內(nèi)容外，其他之前列出的位置讀數(shù)均為本底水平（10^-7Pa·m?/s）。因此，優(yōu)先處理已測(cè)到的泄漏位置并計(jì)算泄漏情況后，根據(jù)結(jié)果決定是否對(duì)未測(cè)出區(qū)域進(jìn)行二次檢漏。

3.3泄漏測(cè)量結(jié)果分析

經(jīng)計(jì)算，上述泄漏位置的測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的泄漏量為：泄漏點(diǎn)1（壓差表儀表閥）0.045L/d、泄漏點(diǎn)2（壓力表儀表閥）0.016L/d、泄漏點(diǎn)4（壓力表儀表閥）0.4L/d，合計(jì)0.416L/d。

計(jì)算出值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于實(shí)際泄漏率，主要有以下幾個(gè)原因。

1. 由于上述位置為現(xiàn)象上的泄漏點(diǎn)，它來自探測(cè)范圍內(nèi)部的內(nèi)漏。因此上述位置的泄漏量偏低。
2. 由于泄漏位置的累積空間是使用膠帶和塑料袋臨時(shí)包裹，因此密封性不好，導(dǎo)致積累程度較低，測(cè)得數(shù)據(jù)偏小。
3. 實(shí)際泄漏形狀和面積難以估計(jì)，因此實(shí)際泄漏值是需要進(jìn)行以下修正的^[8]：

（4）檢漏設(shè)備的參數(shù)修正是按照標(biāo)準(zhǔn)真空漏孔校準(zhǔn)的。標(biāo)準(zhǔn)真空漏孔的泄漏率為Q₀（Pa·m?/s），對(duì)其進(jìn)行測(cè)量得到的電壓參數(shù)凈增值U₀（mV）。在實(shí)際測(cè)量中，測(cè)量得到的電壓參數(shù)凈增值△U（mV），實(shí)際漏率Q（Pa·m?/s）要進(jìn)行如下校準(zhǔn)：

但是在正壓檢漏情況下，需要通過正壓檢漏孔進(jìn)行校準(zhǔn)^[9]。正壓檢漏孔不同于真空檢漏孔，它的漏率和漏孔兩側(cè)的壓力差有關(guān)。通過測(cè)量指定壓差下的標(biāo)準(zhǔn)容器內(nèi)氣體壓力的變化量W（Pa·m?）、變化時(shí)間t（s）和電壓參數(shù)凈增值U₀（mV）。因此使用正壓檢漏時(shí)，需要在實(shí)際測(cè)量中得到的電壓參數(shù)凈增值△U（mV）進(jìn)行如下修正：

3.4查漏后的泄漏情況

維修后重新計(jì)算泄漏率：主容器泄漏率為74L/d（A類不確定度為±0.0505%/d）。在考慮不確定度^[10]情況下滿足技術(shù)規(guī)格書的運(yùn)行限值與條件。

4結(jié)論

本次檢漏后，主容器泄漏率顯著降低，說明探測(cè)出的泄漏位置是高價(jià)值泄漏點(diǎn)。同時(shí)根據(jù)泄漏探測(cè)和處理，得到以下結(jié)論。

（1）在進(jìn)行氦氣正壓檢漏時(shí)，需要根據(jù)測(cè)量空間大小估算測(cè)量停留時(shí)間，保證不會(huì)因測(cè)量時(shí)間過短導(dǎo)致的遺漏。

（2）工藝間作為累積空間體積過大。因此采用包裹積累，是目前CEFR泄漏測(cè)量必須進(jìn)行且十分重要的步驟，包裹質(zhì)量將直接決定測(cè)量的結(jié)果。

（3）該方案中劃定的測(cè)量范圍取舍能夠滿足CEFR技術(shù)規(guī)格書泄漏率限值的要求。

（4）對(duì)于液態(tài)金屬凝固密封，需要定期進(jìn)行重新加熱凝固，保證密封性，其周期以此次情況來看，不要超過2a為宜。

（5）本次測(cè)量得到的結(jié)果，測(cè)量范圍內(nèi)氬氣外漏途徑均為儀表，并且存在內(nèi)漏疊加外漏的情況。因此儀表閥的維護(hù)和檢修對(duì)于主容器泄漏率的影響很大。

（6）目前堆上應(yīng)用氦氣正壓檢漏的使用更多提供定位功能、而非定量。后續(xù)應(yīng)從測(cè)量原理和泄漏位置結(jié)構(gòu)特征角度進(jìn)行研究，量化測(cè)量數(shù)據(jù)與實(shí)際貢獻(xiàn)的修正參數(shù)。

綜上所述，此次工作在較短的時(shí)間（3個(gè)月）、幾乎沒有進(jìn)行設(shè)備拆卸的情況下，有效查明并減少了CEFR主容器泄漏情況。此套檢漏思路和改進(jìn)的測(cè)量方法可以作為CFR600后續(xù)運(yùn)行中的參考方案。

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