核電閥門的真空泄漏檢測

孫 明

(蘇州紐威閥門股份有限公司，江蘇 蘇州 215129)

在實際工況中，閥門經常會出現泄漏，這主要是因為能源化工行業(yè)中閥門多處于環(huán)境惡劣的工況，例如溫差較大、介質壓力較高或具有強腐蝕性、易燃易爆、甚至可能含有毒性。而在核電行業(yè)中，閥門可能處于高溫高壓工況，且可能存在一定的輻射。根據國際原子能組織(IAEA)核電站事故案例反映，因閥門故障和失效造成的停機或停堆、乃至核泄漏事故占的比重不小。

當前，國際社會已認識到低泄漏閥門對環(huán)保的重要性，因此，降低閥門對外界環(huán)境微小介質的逸散，已成為改善環(huán)境污染的必要措施。這種極其微小的泄漏靠常規(guī)的水或氮氣試驗無法判定，需要借助更加科學的手段以及精密的儀器來量化檢測。本文介紹了核電行業(yè)中常用的低泄漏檢測方法以及工藝規(guī)程，以期為同行提供參考與借鑒。

1 閥門真空檢測相關標準

在核電行業(yè)中，閥門真空檢測常用的國際標準有ASME《鍋爐壓力容器規(guī)范》第5卷第10章的檢測方法和RCC-M《壓水堆核島機械設備設計和建造規(guī)則》第3卷MC篇檢驗方法。國內標準主要是NB/T 47013.8《承壓設備無損檢測》第8部分：泄漏檢測。

2 閥門真空泄漏檢測方法

閥門泄漏主要分為內漏和外漏兩種情況。內漏是指因為閥門關閉件和閥座之間密封失效，介質無法截斷從而產生的泄漏，這種泄漏往往只發(fā)生在閥門內部；而外漏則是指介質通過法蘭密封面或是閥桿密封處泄漏至大氣中，除此之外，外界的氣體進入閥門內部所產生的泄漏也被稱為外漏。以下介紹閥門外漏的檢測方法。

閥門的外漏檢測方法主要分為示蹤探頭技術和護罩技術。示蹤探頭技術主要用于閥門外漏的定性檢測，而護罩技術用于閥門泄漏的定量檢測。以下介紹護罩技術的試驗過程。

2.1 護罩技術

用護罩技術檢測閥門的原理見圖1。

圖1 護罩技術檢測閥門原理

2.1.1氦質譜檢漏儀校準

用經校驗后的標準漏孔進行氦質譜檢漏儀校準之前，設備應先通電預熱。檢漏儀按照儀器制造商的操作手冊，用滲透型標準漏孔建立儀器最佳的靈敏度。儀器靈敏度至少為1×10-10Pa·m3/s。

2.1.2系統(tǒng)校準

用經校驗后的標準漏孔與閥門相連，并盡可能地遠離檢漏儀與閥門的連接處。在使用校準檢測系統(tǒng)時，標準漏孔應保持開啟并跟系統(tǒng)連接。

(1)響應時間。通過輔助泵將閥門抽空至足以允許氦質譜檢漏儀與系統(tǒng)相連接的絕對壓力，將標準漏孔前端的控制閥打開，使其與系統(tǒng)相連通。標準漏孔前端的控制閥應保持開啟，直至檢漏儀信號穩(wěn)定。記錄經過標準漏孔到閥門開啟的時間，以及輸出信號的增大至穩(wěn)定的時間，兩個數之間所經歷的時間差即為響應時間，檢漏儀穩(wěn)定的讀數為標準漏孔在系統(tǒng)中的漏率，記為q1。

(2)系統(tǒng)漏率。系統(tǒng)漏率q2是在測定響應時間后確定的。關閉標準漏孔前端的控制閥，將標準漏孔與真空系統(tǒng)斷開，當檢漏儀讀數穩(wěn)定時，記錄儀器的讀數即為q2。

(3)初始校準。初始系統(tǒng)靈敏度S1應按式(1)計算：

(1)

式中，S1為初始系統(tǒng)靈敏度，Pa·m3/s；Q為標準漏孔漏率，Pa·m3/s。

(4)當泄漏檢測真空系統(tǒng)的結構改變(即采用輔助泵而旁路至輔助泵的氦氣流分配有所變化時)，或經校準的泄漏率有變動，就應重新進行校準。當完成系統(tǒng)初始靈敏度校準后，關閉標準漏孔前端控制閥，將標準漏孔與真空系統(tǒng)斷開。

最終校準。當系統(tǒng)泄漏率檢測完成，且閥門仍然處于護罩之中，標準漏孔關閉的情況下，測定檢漏儀輸出的讀數q3。然后再次打開標準漏孔前端控制閥，將標準漏孔連入被檢真空系統(tǒng)中，檢漏儀輸出漏率增大至讀數q4。

最終系統(tǒng)靈敏度S2按式(2)計算：

(2)

式中，S2為最終系統(tǒng)靈敏度，Pa·m3/s；Q為標準漏孔漏率，Pa·m3/s。

如果最終系統(tǒng)靈敏度S2減小為初始靈敏度S1的35%以下，氦質譜檢漏儀應進行維護修理、重新校準后，再從步驟(1)開始重新檢測。

2.1.3閥門在真空系統(tǒng)中的泄漏率檢測

對于閥門，護罩容器可以采用塑料袋。在完成初始校準之后，閥門外表面與塑料袋之間，在閥門被抽空以后應充入已知濃度的氦氣(估算出充在塑料袋中的氦氣濃度)。

(1)檢測持續(xù)時間。用氦氣填充護罩，在經過以上確定的響應時間以后，應記錄儀器的輸出讀數q3，如果輸出信號不穩(wěn)定，檢測持續(xù)時間要保持到輸出信號穩(wěn)定。

(2)閥門的泄漏率。對閥門進行最終校準后，閥門泄漏率應按如下步驟確定：①如果檢測到的泄漏率不發(fā)生變化(即q2=q3)，閥門的泄漏率應記錄為“低于系統(tǒng)的可探測范圍”和檢測合格；②對于檢測到的泄漏率q3發(fā)生改變，但泄漏率在可檢范圍內，泄漏率QS應按式(3)計算：

(3)

式中，S2為最終系統(tǒng)靈敏度，Pa·m3/s；QS為實測漏率，Pa·m3/s；C為檢測時塑料袋中氦氣的實際濃度估算值(以%表示)。③對于檢測到的泄漏率q3超過系統(tǒng)可檢測范圍的情況，系統(tǒng)泄漏率應記錄為“大于系統(tǒng)可檢測范圍”和檢測不合格。

2.1.4評價

按標準要求(或客戶要求)對比檢測出的泄漏率應不超過規(guī)定的允許漏率，則該閥門可進行驗收。

當閥門泄漏率超過允許值時，所有法蘭、填料和其他可疑區(qū)域應采用示蹤探頭技術重新檢測，確定泄漏位置。

3 檢測難點及解決方案

閥門檢測均在常溫下進行，閥門的主要測試難點在于兩個方面。

3.1 閥門連接端不統(tǒng)一

由于閥門口徑、壓力不同，故其連接端的尺寸不一，且閥門連接端的形式分為法蘭端、對焊端和承插焊端，因此檢測用的工裝較多，裝配過程占用了較多的時間。

圖2 閥門泄漏檢測工裝

為提高工作效率，設計工裝的結構見圖3。

圖3 真空工裝結構

在底板打孔的過程中，需要將支撐板軸承等裝好后放在底板上，以免出現錯位。浮動球頭的作用在于避免出現因氣缸軸與支撐板軸不平行而造成卡頓的現象(見圖4)。

圖4 浮動球頭

安裝換氣閥，以控制通入氣缸空壓氣的方向(見圖5)。

圖5 手動換氣閥

閥門兩頭的密封主要靠O型圈密封，兩側分別由底座加堵頭組成，根據閥門的大小，連接端形式需要調整堵頭的種類，故堵頭與底座之間的設計需要靈活拆卸(見圖6)。O型圈的材質為氟橡膠，這種材質有利于真空狀態(tài)保持。

圖6 可替換堵頭結構

不同的閥種對應著不同的堵頭，有利于實現真空密封(見圖7)。

圖7 閥門測試工裝整體效果

該工裝的投用使測試人員由雙人變?yōu)閱稳耍瑴y試時間縮短了50%甚至更多，大大地提高了生產效率，且該工裝已經申請國家實用新型專利。在HPC項目上，蘇州紐威閥門股份有限公司的測試周期由3個月減少至1個月，大大縮短了生產周期。

3.2 真空度不易達到

當閥門較大或是波紋管結構閥門在做真空檢測時，通常會出現真空度很難達到理想狀態(tài)的情況。分析多年積累的經驗后總結的原因如下：①閥門內部未脫油脫脂；②閥門腔體較大，需要增加輔助泵；③部分企業(yè)將低泄漏測試放在水壓測試后，故閥門內部很容易積水，不能及時烘干，特別是在波紋管閥門的波紋管中。

3.3 環(huán)境中的氦氣量較大

閥門檢測和壓力容器檢測不同，壓力容器每天可能只檢測幾臺，而閥門每天需要檢測幾十臺甚至上百臺，多次檢測后會導致系統(tǒng)環(huán)境中的氦氣純度較高，使氦質譜儀器或閥門內部均存在氦氣殘留，以至于閥門本底值很難達到穩(wěn)定值。

可采取的解決方案如下：①將待檢閥門用聚乙烯袋密封，或用其他密封堵頭堵住閥門兩端，待檢測時再打開；②將氦質譜檢漏儀的放氣孔通過氣管連接到室外，在抽完真空放氣時，氦質譜檢漏儀吸入純凈空氣。

4 閥門低泄漏檢測要求對比

4.1 核電閥門低泄漏檢測要求對比

核電行業(yè)閥門的低泄漏檢測一般參考壓力容器的檢測要求，對比見表1。

表1 核電閥門低泄漏檢測要求對比

通過對比可以看出，三個標準所用的測試原理是相同的，測試方法有些差異。相對而言，RCC-M的測試要求較嚴苛，對于一些微小的滲漏，需要更長的持續(xù)時間來檢測。

4.2 不同行業(yè)閥門低泄漏檢測要求對比

相對于石油化工行業(yè)閥門的低泄漏檢測，從溫度、開關要求和檢測方法等方面進行對比(見表2)。

表2 不同行業(yè)閥門低泄漏檢測要求對比

通過對比可以看出，不同行業(yè)的測試方法有差異，核電閥門的測試壓力要求較低，但泄漏率要求較高。也正是由于泄漏率要求已經超過本底值，故無法采用吸槍法進行檢測。核電閥門測試標準主要針對壓力容器，故無閥門專用測試標準，建議核電閥門檢測應增加閥門開關要求，并檢測其扭矩，以保證在實現閥門開關順暢的同時，也能擁有穩(wěn)定的密封性能。

5 結語

泄漏是絕對的，不漏則是相對的。泄漏檢測就是用特定的方法將示蹤介質加到被檢閥門的一側，用檢漏儀在另一側疑似有泄漏的位置檢測通過漏孔漏出的示蹤介質，從而達到檢漏的目的。泄漏檢測的目的是在制造、安裝、運行、退役全過程檢測，判斷漏與不漏、泄漏率的大小，并找出漏孔的位置；在運行使用過程中監(jiān)視系統(tǒng)可能發(fā)生的泄漏及其變化，避免發(fā)生泄漏事故。

在核電設備中，閥門雖然只是配件，但是它的作用卻不容小覷，且覆蓋面甚廣。尤其是用在核島一回路系統(tǒng)中的各種核級閥門，每一臺都直接關系到核電站的安全穩(wěn)定運行，故應嚴格按照標準要求進行檢測。