核电阀门的真空泄漏检测

孙 明

(苏州纽威阀门股份有限公司，江苏 苏州 215129)

在实际工况中，阀门经常会出现泄漏，这主要是因为能源化工行业中阀门多处于环境恶劣的工况，例如温差较大、介质压力较高或具有强腐蚀性、易燃易爆、甚至可能含有毒性。而在核电行业中，阀门可能处于高温高压工况，且可能存在一定的辐射。根据国际原子能组织(IAEA)核电站事故案例反映，因阀门故障和失效造成的停机或停堆、乃至核泄漏事故占的比重不小。

当前，国际社会已认识到低泄漏阀门对环保的重要性，因此，降低阀门对外界环境微小介质的逸散，已成为改善环境污染的必要措施。这种极其微小的泄漏靠常规的水或氮气试验无法判定，需要借助更加科学的手段以及精密的仪器来量化检测。本文介绍了核电行业中常用的低泄漏检测方法以及工艺规程，以期为同行提供参考与借鉴。

1 阀门真空检测相关标准

在核电行业中，阀门真空检测常用的国际标准有ASME《锅炉压力容器规范》第5卷第10章的检测方法和RCC-M《压水堆核岛机械设备设计和建造规则》第3卷MC篇检验方法。国内标准主要是NB/T 47013.8《承压设备无损检测》第8部分：泄漏检测。

2 阀门真空泄漏检测方法

阀门泄漏主要分为内漏和外漏两种情况。内漏是指因为阀门关闭件和阀座之间密封失效，介质无法截断从而产生的泄漏，这种泄漏往往只发生在阀门内部；而外漏则是指介质通过法兰密封面或是阀杆密封处泄漏至大气中，除此之外，外界的气体进入阀门内部所产生的泄漏也被称为外漏。以下介绍阀门外漏的检测方法。

阀门的外漏检测方法主要分为示踪探头技术和护罩技术。示踪探头技术主要用于阀门外漏的定性检测，而护罩技术用于阀门泄漏的定量检测。以下介绍护罩技术的试验过程。

2.1 护罩技术

用护罩技术检测阀门的原理见图1。

图1 护罩技术检测阀门原理

2.1.1氦质谱检漏仪校准

用经校验后的标准漏孔进行氦质谱检漏仪校准之前，设备应先通电预热。检漏仪按照仪器制造商的操作手册，用渗透型标准漏孔建立仪器最佳的灵敏度。仪器灵敏度至少为1×10-10Pa·m3/s。

2.1.2系统校准

用经校验后的标准漏孔与阀门相连，并尽可能地远离检漏仪与阀门的连接处。在使用校准检测系统时，标准漏孔应保持开启并跟系统连接。

(1)响应时间。通过辅助泵将阀门抽空至足以允许氦质谱检漏仪与系统相连接的绝对压力，将标准漏孔前端的控制阀打开，使其与系统相连通。标准漏孔前端的控制阀应保持开启，直至检漏仪信号稳定。记录经过标准漏孔到阀门开启的时间，以及输出信号的增大至稳定的时间，两个数之间所经历的时间差即为响应时间，检漏仪稳定的读数为标准漏孔在系统中的漏率，记为q1。

(2)系统漏率。系统漏率q2是在测定响应时间后确定的。关闭标准漏孔前端的控制阀，将标准漏孔与真空系统断开，当检漏仪读数稳定时，记录仪器的读数即为q2。

(3)初始校准。初始系统灵敏度S1应按式(1)计算：

(1)

式中，S1为初始系统灵敏度，Pa·m3/s；Q为标准漏孔漏率，Pa·m3/s。

(4)当泄漏检测真空系统的结构改变(即采用辅助泵而旁路至辅助泵的氦气流分配有所变化时)，或经校准的泄漏率有变动，就应重新进行校准。当完成系统初始灵敏度校准后，关闭标准漏孔前端控制阀，将标准漏孔与真空系统断开。

最终校准。当系统泄漏率检测完成，且阀门仍然处于护罩之中，标准漏孔关闭的情况下，测定检漏仪输出的读数q3。然后再次打开标准漏孔前端控制阀，将标准漏孔连入被检真空系统中，检漏仪输出漏率增大至读数q4。

最终系统灵敏度S2按式(2)计算：

(2)

式中，S2为最终系统灵敏度，Pa·m3/s；Q为标准漏孔漏率，Pa·m3/s。

如果最终系统灵敏度S2减小为初始灵敏度S1的35%以下，氦质谱检漏仪应进行维护修理、重新校准后，再从步骤(1)开始重新检测。

2.1.3阀门在真空系统中的泄漏率检测

对于阀门，护罩容器可以采用塑料袋。在完成初始校准之后，阀门外表面与塑料袋之间，在阀门被抽空以后应充入已知浓度的氦气(估算出充在塑料袋中的氦气浓度)。

(1)检测持续时间。用氦气填充护罩，在经过以上确定的响应时间以后，应记录仪器的输出读数q3，如果输出信号不稳定，检测持续时间要保持到输出信号稳定。

(2)阀门的泄漏率。对阀门进行最终校准后，阀门泄漏率应按如下步骤确定：①如果检测到的泄漏率不发生变化(即q2=q3)，阀门的泄漏率应记录为“低于系统的可探测范围”和检测合格；②对于检测到的泄漏率q3发生改变，但泄漏率在可检范围内，泄漏率QS应按式(3)计算：

(3)

式中，S2为最终系统灵敏度，Pa·m3/s；QS为实测漏率，Pa·m3/s；C为检测时塑料袋中氦气的实际浓度估算值(以%表示)。③对于检测到的泄漏率q3超过系统可检测范围的情况，系统泄漏率应记录为“大于系统可检测范围”和检测不合格。

2.1.4评价

按标准要求(或客户要求)对比检测出的泄漏率应不超过规定的允许漏率，则该阀门可进行验收。

当阀门泄漏率超过允许值时，所有法兰、填料和其他可疑区域应采用示踪探头技术重新检测，确定泄漏位置。

3 检测难点及解决方案

阀门检测均在常温下进行，阀门的主要测试难点在于两个方面。

3.1 阀门连接端不统一

由于阀门口径、压力不同，故其连接端的尺寸不一，且阀门连接端的形式分为法兰端、对焊端和承插焊端，因此检测用的工装较多，装配过程占用了较多的时间。

图2 阀门泄漏检测工装

为提高工作效率，设计工装的结构见图3。

图3 真空工装结构

在底板打孔的过程中，需要将支撑板轴承等装好后放在底板上，以免出现错位。浮动球头的作用在于避免出现因气缸轴与支撑板轴不平行而造成卡顿的现象(见图4)。

图4 浮动球头

安装换气阀，以控制通入气缸空压气的方向(见图5)。

图5 手动换气阀

阀门两头的密封主要靠O型圈密封，两侧分别由底座加堵头组成，根据阀门的大小，连接端形式需要调整堵头的种类，故堵头与底座之间的设计需要灵活拆卸(见图6)。O型圈的材质为氟橡胶，这种材质有利于真空状态保持。

图6 可替换堵头结构

不同的阀种对应着不同的堵头，有利于实现真空密封(见图7)。

图7 阀门测试工装整体效果

该工装的投用使测试人员由双人变为单人，测试时间缩短了50%甚至更多，大大地提高了生产效率，且该工装已经申请国家实用新型专利。在HPC项目上，苏州纽威阀门股份有限公司的测试周期由3个月减少至1个月，大大缩短了生产周期。

3.2 真空度不易达到

当阀门较大或是波纹管结构阀门在做真空检测时，通常会出现真空度很难达到理想状态的情况。分析多年积累的经验后总结的原因如下：①阀门内部未脱油脱脂；②阀门腔体较大，需要增加辅助泵；③部分企业将低泄漏测试放在水压测试后，故阀门内部很容易积水，不能及时烘干，特别是在波纹管阀门的波纹管中。

3.3 环境中的氦气量较大

阀门检测和压力容器检测不同，压力容器每天可能只检测几台，而阀门每天需要检测几十台甚至上百台，多次检测后会导致系统环境中的氦气纯度较高，使氦质谱仪器或阀门内部均存在氦气残留，以至于阀门本底值很难达到稳定值。

可采取的解决方案如下：①将待检阀门用聚乙烯袋密封，或用其他密封堵头堵住阀门两端，待检测时再打开；②将氦质谱检漏仪的放气孔通过气管连接到室外，在抽完真空放气时，氦质谱检漏仪吸入纯净空气。

4 阀门低泄漏检测要求对比

4.1 核电阀门低泄漏检测要求对比

核电行业阀门的低泄漏检测一般参考压力容器的检测要求，对比见表1。

表1 核电阀门低泄漏检测要求对比

通过对比可以看出，三个标准所用的测试原理是相同的，测试方法有些差异。相对而言，RCC-M的测试要求较严苛，对于一些微小的渗漏，需要更长的持续时间来检测。

4.2 不同行业阀门低泄漏检测要求对比

相对于石油化工行业阀门的低泄漏检测，从温度、开关要求和检测方法等方面进行对比(见表2)。

表2 不同行业阀门低泄漏检测要求对比

通过对比可以看出，不同行业的测试方法有差异，核电阀门的测试压力要求较低，但泄漏率要求较高。也正是由于泄漏率要求已经超过本底值，故无法采用吸枪法进行检测。核电阀门测试标准主要针对压力容器，故无阀门专用测试标准，建议核电阀门检测应增加阀门开关要求，并检测其扭矩，以保证在实现阀门开关顺畅的同时，也能拥有稳定的密封性能。

5 结语

泄漏是绝对的，不漏则是相对的。泄漏检测就是用特定的方法将示踪介质加到被检阀门的一侧，用检漏仪在另一侧疑似有泄漏的位置检测通过漏孔漏出的示踪介质，从而达到检漏的目的。泄漏检测的目的是在制造、安装、运行、退役全过程检测，判断漏与不漏、泄漏率的大小，并找出漏孔的位置；在运行使用过程中监视系统可能发生的泄漏及其变化，避免发生泄漏事故。

在核电设备中，阀门虽然只是配件，但是它的作用却不容小觑，且覆盖面甚广。尤其是用在核岛一回路系统中的各种核级阀门，每一台都直接关系到核电站的安全稳定运行，故应严格按照标准要求进行检测。