安全殼邊界電纜孔洞封堵超聲法檢漏技術(shù)研究及應(yīng)用

時朝杰，王忠楠，陳立恒，許哲涵，馮志超

(中核霞浦核電有限公司，福建 霞浦 355100)

國內(nèi)某核電廠為低壓、無鋼內(nèi)襯安全殼設(shè)計工程項目，安全殼邊界電纜貫穿采用封堵方式，安全殼邊界共有175個電纜孔洞，根據(jù)國內(nèi)類似工程項目實踐經(jīng)驗，電纜孔洞封堵對安全殼整體泄漏率影響較大，需重點關(guān)注，確保其密封性滿足要求。

因為特殊設(shè)計型式，電纜孔洞封堵不具備定量試驗條件。鑒于電纜孔洞封堵對安全殼整體密封性的影響，開發(fā)出一種針對電纜孔洞封堵的半定量檢驗方法——超聲波檢測法，并通過實驗室測試驗證該方法的有效性。

超聲波是振動頻率高于20 kHz的機械波，它具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小、方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點，因此可以使用超聲波信號發(fā)生器(超聲源)代替一定的壓力進行泄漏孔測量。將超聲波泄漏檢測儀器的主機(接收端)與聲源發(fā)生器配合使用時，可對被檢查物進行非實時檢查，即由聲源發(fā)生器發(fā)射一定頻率的超聲波信號，一旦發(fā)生泄漏，超聲波將由漏孔漏出，用接收器捕捉漏出的超聲波信號，即可判斷出正確的泄漏位置。

1 超聲波檢漏試驗技術(shù)研究

由于現(xiàn)場測試環(huán)境復(fù)雜，噪音多，為排除環(huán)境因素影響，在實驗室制作一個試驗件，通過試驗件分析不同開孔孔徑的泄漏孔對應(yīng)的聲強值和泄漏量，繪制出超聲波聲強—試驗壓力條件下泄漏量曲線圖，通過對該曲線圖進行擬合，得到聲強—泄漏量關(guān)系式。將現(xiàn)場實測得到的泄漏聲強值帶入聲強—泄漏量關(guān)系式，得到試驗部件的泄漏量。

1.1 試驗件制作

根據(jù)安全殼電纜孔洞尺寸以及高密度硅酮橡膠材料的數(shù)量，設(shè)計制作了1件密閉箱體，如圖1所示，箱體型式為圓管式，采用亞克力材質(zhì)，箱體內(nèi)預(yù)留數(shù)根鋼管，模擬泄漏孔洞，箱體一端為帶接嘴的盲板，盲板與筒體使用密封膠連接，保證盲板處無泄漏；箱體另一端保持開口。由于硅酮橡膠封堵澆筑需要與孔洞兩端平齊，故箱體設(shè)計成兩段，箱體Ⅰ為模擬孔洞，長度為1 200 mm，全部使用硅酮橡膠封堵，箱體Ⅱ為加壓空間，在封堵施工完成后，將兩段拼接起來。測得試驗件整體泄漏率為1.4 mL/min，考慮到儀器本身誤差，認為試驗件整體無泄漏。

圖1 試驗封堵試件Fig.1 A sealed specimen for testing

1.2 聲強—泄漏量關(guān)系式研究

對試驗件在相同泄漏孔徑下，分別使用流量補充法、超聲波檢漏法進行試驗，每打開一個泄漏孔，使用流量補充法檢測泄漏率后，立即卸去壓力后進行超聲波檢漏。得出不同泄漏率對應(yīng)聲強值，見表1。

表1 不同泄漏率對應(yīng)聲強值Table 1 Sound intensity values corresponding to different leakage rates

根據(jù)凈聲強值公式，得出每個試驗點的凈聲強值，見表2。

表2 各試驗點凈聲強值Table 2 The net sound intensity of each test value

對表2中12組數(shù)據(jù)進行擬合，以泄漏點處凈聲強值為橫坐標，單位為dBμV，5 kPa.g標況下空氣泄漏率為縱坐標，單位為NmL/min，得出：y=0.076 9x3+2.658 6x2+79.406x+1 062.5，R2=0.977 4，得到凈聲強值與泄漏率關(guān)系擬合曲線，如圖2所示。

圖2 泄漏率-凈聲強值關(guān)系圖Fig.2 The leakage rate-the net sound intensity relationship

1.3 泄漏率轉(zhuǎn)換標準

因為每個試驗點在不同時間段測量時周圍環(huán)境的分貝值不同，即測量環(huán)境的本底值不同，所以在進行試驗時，每一次測量都要對試驗地點周圍環(huán)境進行測量，即每一組測量結(jié)果都應(yīng)包含當次測量環(huán)境的本底值和泄漏點的測量值。周圍環(huán)境測量的本底值用I0表示；每一個泄漏點的測量值用Ij表示；每一個泄漏點的凈聲強值用Ik表示；根據(jù)擬合公式法，推導(dǎo)出線性插值法進行最終測量結(jié)果的判定。

1)Ik<-27時，該封堵無泄漏；

2)-27≤Ik<-9時，該封堵的泄漏率小于500 mL/min(最小檢出值)，保守取值500 mL/min；

3)-9≤Ik<-1時，該封堵的泄漏率是500～1 000 mL/min，保守取值1 000 mL/min；

4)-1≤Ik<3時，該封堵的泄漏率是1 000～1 500 mL/min，保守取值1 500 mL/min；

5)3≤Ik<9時，該封堵的泄漏率是1 500～2 000 mL/min，保守取值2 000 mL/min；

6)Ik≥9時，該封堵的泄漏率大于2 L/min。

上述泄漏率均為在相同條件下，殼內(nèi)外壓差在5 kPa下的空氣泄漏率。

1.4 超聲波檢漏標定方法

通過本試驗研究過程可知，單個封堵面積泄漏率L封堵與超聲測量泄漏率L測量，兩者含義不一致，無法進行等效對比。L封堵為單個封堵面積泄漏率，L測量為單位路徑泄漏率。由于兩者無法進行等效換算，因此需進行理論換算，并提出試驗結(jié)果的模型假設(shè)?，F(xiàn)場每一處電纜孔洞封堵的泄漏路徑未知，因此需要先通過手段去判斷每一處試驗點的泄漏路徑數(shù)量。在滿足取值原則的條件下，將每一條泄漏路徑檢測的聲強值轉(zhuǎn)換成空氣泄漏率，進行理論換算。

超聲波檢漏儀配有專用耳機，用以接收38 kHz的聲源，并轉(zhuǎn)換成有規(guī)律的“嘀嘀”聲，可以利用這一特點，在每次超聲波檢漏試驗時，記錄聲強本底值后，先利用聲源與耳機，將整個電纜孔洞封堵進行初步判定，超聲波探頭沿著整個封堵面掃描，將檢測到“嘀嘀”聲的地方進行標記并讀取當前聲強示數(shù)。

1)若整個封堵面沒有檢測到38 kHz的聲源且超聲波檢漏儀顯示值無較大波動，則認為整個封堵面泄漏率在可接受范圍。

2)若在一個點附近連續(xù)檢測到“嘀嘀”聲，則證明此處為裂隙形泄漏，需要根據(jù)耳機聽到的聲音和超聲波檢漏儀顯示值，定位到“嘀嘀”聲音最大且顯示值也最大時，即為該裂隙形泄漏點的檢測值。

3)若泄漏點為連續(xù)不間斷檢測到聲音的小范圍面積，且周圍均檢測不到聲音，則認為是一處泄漏點，需要進行標記。

每一處封堵的泄漏路徑條數(shù)為n，且n≥1。

對于超聲波檢漏試驗，試驗結(jié)果的模型假設(shè)為：單個封堵面積泄漏率等于面積內(nèi)所有單位路徑泄漏率之和，即

1.5 靈敏度確認

1.5.1 超聲波檢漏儀校準情況

超聲波檢漏儀(SDT200)由上海市計量測試技術(shù)研究院華東國家計量測試中心校準證明。

(1)最小檢出信號

采用40 kHz聲信號進行測試，可探測到聲壓級38 dB的信號，符合標準至少探測到聲壓級60 dB的信號 (以20 uPa為參考)。

(2)聲靈敏度級

采用40 kHz聲信號進行測試，聲音靈敏度級為-13 dB，不低于標準-40 dB(以1 V/Pa為參考)。

(3)級線性

采用40 kHz電信號測量，當輸入信號級以10 dB變化時，聲級指示應(yīng)引起相同的變化，級線性誤差0.3 dB，不超過標準+2 dB；當輸入信號級以1 dB變化時，聲級指示引起相同的變化，級線性誤差0.2 dB，不超過標準+1 dB。

綜上所述，超聲檢漏儀靈敏度校準合格。

1.5.2 超聲波實際使用

1)現(xiàn)場進行超聲波檢漏法試驗時，所采用的超聲波發(fā)射源為38～40 kHz的固定頻率聲源，確保接收端各點處測得聲強的準確性。

2)考慮到超聲波經(jīng)過一定泄漏路徑后存在損耗，且超聲波檢漏法為半定量檢測法，實驗室測得當存在微小泄漏(實際泄漏率小于500 mL/min)時，無法精確得知實際泄漏率，泄漏率保守取值500 mL/min。

2 超聲波檢漏法現(xiàn)場試驗應(yīng)用

試驗過程發(fā)現(xiàn)1個大漏、1個小漏電纜孔洞，相關(guān)數(shù)據(jù)見表3。已全部進行處理，處理方式如圖3所示。

表3 試驗檢測出的不合格電纜孔洞Table 3 Unqualified cable holes detected by the test

(a)試驗檢測泄漏孔洞1

(b)孔洞1增設(shè)外掛處理

(c)試驗檢測泄漏孔洞2

(d)孔洞2二次封堵處理圖3 試驗檢測泄漏孔洞及處理方式Fig.3 The diagram of leakage holes and treatment methods

通過超聲波檢測法有效驗證了電纜孔洞封堵的密封性能，并對檢測發(fā)現(xiàn)的不合格孔洞進行及時返工修復(fù)，安全殼邊界電纜孔洞封堵密封性能得到進一步保障。

3 結(jié)論

1)實踐證明，超聲波檢漏法能半定量開展電纜孔洞封堵密封性檢查，已檢查發(fā)現(xiàn)2處缺陷并完成處理；

2)超聲檢測法需制作被檢對象的試驗件，在實驗室完成聲強與泄漏率的對應(yīng)關(guān)系，并明確泄漏的標準。