氦气检漏在核电站常规岛真空相关系统检测中的应用

刘佩磊，施亦斌

(国核电站运行服务技术有限公司，上海200233)

0 前言

核电站常规岛与一般火电站类似，其热力系统中部分子系统在正常运行状态下处于负压状态。而负压状态则由常规岛内数台真空泵机组的运行维持，涉及负压的子系统在常规岛内主要包括：凝结水系统、汽轮机系统、冷凝器真空系统、高压给水加热系统、低压给水加热系统等。由于涉及负压的真空相关系统部件众多，管道、容器、阀门、法兰等等在运行过程中会出现不同程度的泄漏情况。一般不影响系统真空度的情况下一般泄漏无需处理，但是一旦系统真空度低于运行要求或者系统蓄氧量超过报警值，则表示系统中存在超标泄漏点，需要立即进行处理。传统的检测方法对于大系统、多部件的泄漏检测存在灵敏度低、效率差的问题，而氦气泄漏检查可以有效、快速的查找漏点。以国内某核电站常规岛机组真空相关系统氦检漏为例，对整个检测的原理、范围、流程、漏点的位置、漏率大小的分析及具体判断进行总结、优化和归纳，为同类型电站机组真空相关系统进行泄漏检查提供参考及帮助。

1 检漏技术

1.1 检测原理

对于负压状态的真空相关系统可以使用真空喷氦法氦检漏技术。其原理为：使用真空泵或检漏仪对被检部件内部抽真空，采用喷吹的方法在被检部件外表面施氦气，当被检部件表面有漏点时，氦气就会通过漏点进入被检部件内部，再进入氦质谱检漏仪，从而实现被检部件泄漏量检测见图1 所示。真空法的优点是检测灵敏度高，可以精确定位，能实现大容器或复杂系统的检漏。真空法的缺点是不能准确反映被检部件的真实泄漏状态。

图1 检漏原理示意图

1.2 技术要点

由于氦气是较轻的惰性气体，在喷出后会自动上升，为了准确的在漏孔位置喷氦，喷氦时应自上而下，由近至远(相对检漏仪位置)，喷枪和被检部件的距离应保持在6 mm 以内［1］，这是因为在喷下方时氦气有可能被上方漏孔吸入，就很难确定漏孔的位置；再者漏孔离质谱室的距离检漏仪反应时间也不同，所以喷氦应先从靠近检漏仪的一侧开始由近至远来进行。

1.3 灵敏度的影响因素

影响灵敏度的因素包括两个方面：一是受质谱检漏仪本身仪器灵敏度限制；二是检漏方法的影响。比如：负压分流法，为了使检漏仪正常工作，调整节流阀或加大辅助泵。辅助泵对氦气的抽速过大灵敏度将明显下降，尽量采用效率高的累积氦罩法代替喷吹方法或吸枪方法。

1.4 响应时间和清除时间[1]

正常运行的仪器响应时间与清除时间不应大于3 s。检漏仪的响应时间会影响检漏工作的速度：检漏时喷枪在漏孔处停留的时间应为仪器响应时间的3倍，该时间再加上氦气在真空系统中的传递时间，即为两次喷氦的最小间隔时间，当然真空系统越庞大，该间隔时间也越长。不同检测系统和部件响应时间均有所不同，对于复杂系统的应用时间还需要考虑系统运行状态，已现场实际测试时间为准。仪器的清除时间在理论上与响应时间相同，但由于仪器零件对氦的吸附和脱附作用的影响，清除时间一般要更长些。另外喷氦量的多少也影响清除时间的长短，喷氦时喷枪移动速率合理，可以缩短仪器的清除时间，提高检漏效率。

2 检测实施

国内某核电站二号机组在日常运行过程中，正常状态当汽轮机在额定功率运行时，凝汽器真空度在11.8 kPa(循环冷却水温度33 ℃)，汽轮机带最大保证功率运行时，保证凝汽器真空度为5.39 kPa(循环冷却水温度为18 ℃)。三台水环式真空泵保持二台泵运行，一台备用。备用泵在运行泵故障跳闸或真空泵吸入口真空低 (定值为11 kPa 时自动启动，以维持凝汽器真空。当凝汽器真空度下降时怀疑系统中出现泄漏，需要进行检漏。

2.1 检测范围

二号机组真空相关系统部件共9 个子系统362个测点，包括各种阀门进出口连接处、阀杆部件、仪表接头、波纹管进出口连接处、凝汽器喉部膨胀节、凝汽器气室人孔、低压缸爆破膜见图2～5 所示。

图2 汽轮机低压缸

图3 凝结水泵及管道

图4 凝汽器热阱及人孔

图5 低压给水加热系统管道

2.2 取样位置选择及响应时间确定

取样点一般选择在真空泵出口端排大气管线上合适位置，方便接入氦检漏仪探头。而该核电站机组有监测主蒸汽系统核泄漏的辐射防护监测系统（KRT）其中有一台小真空泵接在排气管线上，真空泵排气出口可用于方便接入氦检漏仪探头。虽然真空泵具有一定分流作用，但对系统灵敏度影响不大。在氦质谱仪到测试状态后，在系统离取样点最远端系统开口处施加一定量氦气进入系统，测量从施放完氦气起到氦质谱仪探测出氦气所需时间，即为系统的最大响应时间，二号机组系统最大响应时间为3 min。

2.3 对漏点可能区域的分析

由于真空相关系统庞大，检漏前必须仔细分析与泄漏相关的各个子系统的特点，以便逐个检查，这样才能运用氦质谱检漏仪快速和准确地检漏。对于该核电站二号机组的系统一般可能存在漏点的子系统及部件包括：汽轮机低压缸爆破膜、凝汽器人孔、汽轮机低压缸与凝汽器连接喉部膨胀节、凝结水泵、汽轮机低压缸轴封、真空破坏阀。

2.4 执行检测

(1)启动并调试氦质谱检漏仪，将吸枪置于KRT排气口出，厂房内保持良好的通风；

(2)测量系统反应时间：待氦质谱仪到测试状态后，在系统离取样点最远端系统开口处施加一定量氦气进入系统，测量从施放完氦气起到氦质谱仪探测出氦气所需时间，即为系统的反应时间；

(3)将氦气(示漏气体)施于被检区域，喷嘴离被检部位的距离应小于6 mm，喷枪的扫描速度不应超过能检出从泄漏标准的泄漏速率；

(4)保持2～3 倍系统反应时间，记录氦质谱仪读数；

(5) 当氦质谱仪探到被测点的仪器读数变化约一个数量级以上(与本底比较)，记录漏点位置及仪器读数；

(6)对于外界空间空气流动较大的查漏点，先用塑料袋进行包裹如图6 所示，以排除外界气流对泄漏到外界的氦气进行稀释，保证探测的灵敏度。

图6 阀门包裹塑料布

由于部分被检部件位置所限，喷氦可以通过加长工具进行。

2.5 对泄漏漏点漏率的判断

一般系统部件其缺陷有以下几种：

(1)焊接贯穿性缺陷；

(2)异物外力碰撞贯穿性损伤；

(3)机械结构间隙；

(4)原材料贯穿性缺陷；

(5)其他贯穿性缺陷。

而贯穿性漏点的漏率一般大于1.0×10-8Pa·m3/s，一般氦检漏仪喷氦法的本底读数在1.0 × 10-11Pa·m3/s 至 1.0 × 10-10Pa·m3/s，所以高于本底一个数量级的显示都应怀疑为泄漏显示［2］。经过检测发现该核电站二号机组一台真空破坏阀存在高于本底4 个数量级的显示，确定泄漏点。

3 结论

(1)氦质谱检漏技术用于核电站常规岛的检漏工作，具有操作方便、灵敏度高和无损伤性等优点，特别是可以在正常运行中准确快捷地对机组进行检漏，减少停机带来的经济损失。

(2)氦质谱检漏技术对于复杂系统的泄漏检测具有良好的检测效果，特别是对运行机组，人员设备无法有效到达区域的泄漏检测具备一定优势且检测重复性好。

(3)可以准确的确定漏点位置，为维修工作提供支持。

(4)由于目前喷氦法无法准确的进行漏点的定量分析，所有无法给出漏点的实际漏率大小。但是可以通过对比标准漏孔漏率的试验，针对特定系统进行漏率的比较和估算，下一步将是继续完善喷氦法在系统泄漏检测中的应用，提高检测效率。

总之对于电站大型系统或者类型部件的检测，都需要多种检测方法，无论传统常规的检测方法还是非常规的检测方法配合检测，才能达到最佳的检测效果。而在多种检测方法中氦检漏无疑是非常重要及有效的方法，值得继续探讨研究以完善其不足之处，扩展其应用范围。