趙 偉，王金龍，汪兆軍，趙 玄

(中核武漢核電運行技術(shù)股份有限公司, 武漢 430223)

核電站乏燃料水池轉(zhuǎn)運艙如果出現(xiàn)超過系統(tǒng)規(guī)定限值的放射性物質(zhì)泄漏，會引起污染區(qū)域擴散，人員受輻射劑量增加，從而帶來一定的核安全風險。因此，研究乏燃料水池的泄漏問題，并制定相應的檢測方案，查找出泄漏位置是很有必要的。

1 檢測對象的結(jié)構(gòu)

核電廠乏燃料轉(zhuǎn)運艙水池屬核安全二級設(shè)備．是轉(zhuǎn)運核燃料組件的區(qū)域。為防止放射性含硼水泄漏，混凝土水池內(nèi)壁會設(shè)計有一層鋼襯里，通常稱鋼覆面。鋼覆面以混凝土墻或底板中預埋的支撐骨架為墊板進行組對焊接。整個乏燃料轉(zhuǎn)運艙水池為長方體形狀，池底部有一臺倒料機，其在換料期間轉(zhuǎn)運燃料組件，負載運作，對池底鋼敷面施加壓力，轉(zhuǎn)運艙結(jié)構(gòu)示意見圖1。在轉(zhuǎn)運艙底部有一引流管，用于收集從水池鋼覆面泄漏出的水。

圖1 乏燃料轉(zhuǎn)運艙結(jié)構(gòu)示意圖

2 泄漏理論分析

水池轉(zhuǎn)運艙的工作介質(zhì)為水，檢測使用的介質(zhì)為空氣和氦氣，故需將液體的泄漏率轉(zhuǎn)換為氣體的泄漏率，轉(zhuǎn)換公式如式(1)所示。

(1)

對比正常大氣壓下的氣體泄漏率，可換算出不同氣體的泄漏率，但其并不能反映真實的泄漏率，目前對流體的泄漏率測量還沒有一個較為精確的手段。文章采用估算的公式來計算的泄漏率。

空氣的動力黏度為ηq=1.84×10-5Pa·s，可得Qq=1.035×10-7×10-2Pa·m3·s-1，即該系統(tǒng)用空氣檢漏時，泄漏率為1.035×10-2Pa·m3·s-1。

3 檢漏難點和方法選擇

乏燃料水池的檢漏受以下幾個因素影響。

(1) 殘留水干擾。乏燃料水池轉(zhuǎn)運艙泄漏后，水池鋼敷面與混凝土墻會殘留大量流出水，在現(xiàn)有條件下，無法去除這些殘留水，從而對檢測產(chǎn)生較大影響。

(2) 池壁冷凝水干擾。核電站位于沿海地帶，空氣濕度大，鹽分含量高，空氣中的水份易在池壁內(nèi)壁凝結(jié)成水，長時間后形成水滴，存在堵塞泄漏口的可能性。

(3) 檢測靈敏度問題。通過液體泄漏率換算出的氣體泄漏率為1.005×10-2Pa·m3·s-1，則所選擇的檢漏方法靈敏度要高于10-3Pa·m3·s-1(要高于所測泄漏率一個數(shù)量級)。

(4) 池壁尺寸因素。水池尺寸為深12 m，長15 m，寬3 m，池壁的面積大會延長檢測人員的工作時間，而增加其受輻射風險。

(5) 沾污風險。該乏燃料水池轉(zhuǎn)運艙已服役，池壁表面有放射性物質(zhì)，存在放射性污染，增加了檢漏工作的實施難度和風險。

(6) 本底干擾。水池為半開口式結(jié)構(gòu)，采用氦氣為示蹤氣體時，會干擾儀器的顯示值。

(7) 鋼敷面承壓。鋼敷面設(shè)計時，承受正向壓力，并不能承受背面(指鋼覆面與水接觸面的反面)的正向壓力。

通過分析，對以上的難點可采取以下的應對措施：對于(1)中的問題，可以排空水池中的水并空置2個月，以使殘留水盡可能減少；對于(2)中的問題，可將檢測時機選擇在秋冬季，如來年2月前，此時空氣中水蒸氣少，濕度對于泄漏率的影響會降低；對于(3)中的問題，可采用真空罩氣泡法和質(zhì)譜儀吸槍氦罩法來解決，這兩種方法采用空氣和氦氣等作為特征氣體，對鋼覆面無腐蝕，且空氣和氦氣不易殘留，較易排空，后期處理簡單；對于(4)和(5)中存在的問題，應用核電站積累的相關(guān)工程經(jīng)驗可以消除。

綜上所述，可采用的方法為真空罩氣泡法和質(zhì)譜儀吸槍氦罩法，真空罩氣泡法的最小檢測靈敏度為10-5Pa·m3·s-1，質(zhì)譜儀吸槍氦罩法最小檢測靈敏度為10-9Pa·m3·s-1。第一步采用真空罩氣泡法對鋼覆面的焊縫進行檢測，如未發(fā)現(xiàn)缺陷，擴大檢測范圍；第二步將水池底面與側(cè)面的母材和焊縫，分成數(shù)個檢測區(qū)域，每個區(qū)域相互隔離，避免氣體逸散，采用氦罩法對池壁進行檢測，快速查尋到泄漏的大致范圍后，再采用真空罩氣泡法進行精確定位。

3.1 氦質(zhì)譜儀吸槍氦罩法檢測原理

氦質(zhì)譜儀吸槍氦罩法檢測設(shè)備主要由氦質(zhì)譜儀、吸槍和輔助泵、塑料膜、氦氣等組成(見圖2)。其基本原理是用塑料膜將被檢件的外部覆蓋住，以保證其密封性，被檢件的內(nèi)部充入一定的氦氣，吸槍插入塑料膜內(nèi)進行檢測，如果有泄漏，氦質(zhì)譜儀讀數(shù)超過本底值，表明被塑料膜覆蓋的區(qū)域有泄漏。吸槍氦罩法的檢測靈敏度為10-210-9Pa·m3·s-1。吸槍檢漏時，檢漏儀的反應值與檢漏儀的入口壓力和收集包的體積無關(guān)[1]，故可以采用面積較大的塑料膜覆蓋鋼覆面，使用數(shù)量較少的塑料收集包，在較快的時間內(nèi)完成塑料收集包的制作。實際泄漏率可由式(2)得到。

QL=K·Qs/β

(2)

式中:QL為實際泄漏率；K為機器因子；Qs為儀器讀數(shù)；β為氦氣濃度。

圖2 氦質(zhì)譜儀吸槍氦罩法檢測設(shè)備框圖

3.2 真空罩法檢測原理

真空罩檢漏技術(shù)屬于氣泡泄漏檢漏法的一種，檢漏設(shè)備主要由真空罩、真空泵、真空表、放氣閥等組成[2]。該方法主要用于檢測不能直接加壓的承壓部件的泄漏。其原理和基本方法為：在被檢部件局部區(qū)域涂刷起泡劑，并在其上放置真空罩，對真空罩抽真空以使局部區(qū)域的內(nèi)外兩側(cè)形成壓力差，如果被檢部件中存在穿透性缺陷，則缺陷位置處的起泡劑會因氣體通過而形成氣泡，氣泡冒出的位置可判定為漏孔位置，根據(jù)泄漏點氣泡的大小和出現(xiàn)頻次可判斷泄漏程度。真空罩氣泡法的靈敏度為10-410-5Pa·m3·s-1，其檢測原理示意如圖3所示。

圖3 真空罩氣泡法檢測原理示意

氣泡位于液面上方時，氣泡內(nèi)的壓力Pb可用式(3)表示。

pb=pa+4σ/Db

(3)

式中：Db為測得氣泡的直徑；σ為表面張力系數(shù)；Pa為大氣壓力。

對應于檢測溫度T和氣泡內(nèi)的壓力Pb，泄漏率如式(4)所示。

(4)

式中：n為氣泡形成的頻率;D為氣泡直徑。

折算到標準狀態(tài)下氣體的泄漏率為(對于液面上方的氣泡)[3]

(5)

式中:Ts,Ps分別為標準狀態(tài)下的溫度，氣壓。

由式(3)(5)可以推導出氣泡泄漏法檢測時的泄漏率，但并不是很精確，其可以作為一個參考值來研判泄漏率的數(shù)量級。

4 檢測分區(qū)的建立

先采用真空罩氣泡法對鋼覆面焊縫進行檢測，若未發(fā)現(xiàn)缺陷，擴大檢測范圍，再次用氦質(zhì)譜儀吸槍氦罩法進行檢測。

4.1 真空罩氣泡法檢測分區(qū)的建立

真空罩氣泡法操作方便，對檢測順序的要求不高，對鋼覆面焊縫采用自上而下的方式進行檢測。

4.2 氦質(zhì)譜儀吸槍氦罩法檢測分區(qū)的建立

參考文獻[1]中提到①吸槍法可以對單點泄漏率進行定量檢測；②吸槍檢漏時，檢漏儀的反應值與檢漏儀的入口壓力和收集包的體積無關(guān)；③收集包的體積與檢漏儀的入口壓力會影響測試的時間，為縮短吸槍檢漏的周期，可以采用較小的收集體積和較大的入口壓力。

由于轉(zhuǎn)運艙鋼覆面的檢測區(qū)域較大，故收集包采取以下的分布方案：① 對于壓應力小的區(qū)域采用體積大的塑料收集包；② 對于壓應力大的區(qū)域采用體積小的塑料收集包。

根據(jù)鋼敷面的結(jié)構(gòu)以及流體的流向，將其分為三個大區(qū)域，分別為W、B、F，其中W區(qū)為側(cè)面墻壁，分為12個小區(qū)；B區(qū)為底面，分為12個小區(qū)；F區(qū)為前部和尾部，分為4個小區(qū)，具體分布如圖4所示?？梢?，W區(qū)靠近引流管，F(xiàn)區(qū)距離引流管較遠，B區(qū)與引流管距離最近，B區(qū)采用體積大的收集包，W區(qū)和F區(qū)采用體積小的收集包。

圖4 檢測分區(qū)示意

5 檢測結(jié)果

5.1 真空罩氣泡法的檢測結(jié)果

采用表1所示的檢測參數(shù)，實施檢測(檢測時間為2018年4月)。

表1 真空罩氣泡法的檢測參數(shù)

對高度2 m以下的鋼覆面焊縫檢測未發(fā)現(xiàn)氣泡。

5.2 氦質(zhì)譜儀吸槍氦罩法的檢測結(jié)果

檢測參數(shù)見表2，檢測時間為2019年1月份。

充入氦氣40 L，體積濃度為15%，充入完成后，5 min內(nèi)收集包的數(shù)據(jù)如表3所示。

表2 氦質(zhì)譜儀吸槍氦罩法的檢測參數(shù)

充入氦氣40 L，體積濃度為15%，充入完成后，20 min內(nèi)收集包的數(shù)據(jù)如表4所示。

表3 5 min內(nèi)收集包的泄漏顯示值 Pa·m3·s-1

根據(jù)采集所得的數(shù)據(jù)，得出如圖5所示的泄漏區(qū)域分布示意，從圖5可知，以B9區(qū)域為中心，B7、B10、B11以及W5共5個區(qū)域存在泄漏的可能性，根據(jù)文獻可知，0.1 mm的泄漏孔對應著10-1Pa·m3·s-1泄漏率，0.01 mm的泄漏孔對應著10-3Pa·m3·s-1泄漏率，0.1 mm和0.01 mm的泄漏孔可以通過肉眼觀察到，分析有以下的可能性：① B9、B7、B10、B11、W5這5個區(qū)域都有泄漏，但是泄漏點的泄漏率不超過10-4Pa·m3·s-1，為多個小泄漏點的累積泄漏；② B9區(qū)域存在大的泄漏點，因收集包和固定膠布固有的密封性問題，收集包的密封性能不足以密封住氦氣，存在氦氣彌散至附近區(qū)域的現(xiàn)象，B7、B10、B11、W5區(qū)域的顯示值高于本底是受到了B9區(qū)域泄漏點的影響。

表4 20 min內(nèi)收集包的泄漏顯示值 Pa·m3·s-1

圖5 泄漏區(qū)域分布示意圖

通過重新測量，找到位于池底母材上的區(qū)域B9，儀器讀數(shù)為6×10-6Pa·m3·s-1，超過本底3個數(shù)量級，機器因子為1 000。機器因子是在內(nèi)部校準后要考慮的檢漏儀與測量模式以及使用的測量模式(GROSS/FINE)下抽真空系統(tǒng)中泵的有效氦抽速之比。最終的檢測結(jié)果是測量漏率與機器因子的乘積。B9區(qū)域泄漏點的測量值如表5所示。

表5 B9區(qū)域泄漏點的4次測量值

經(jīng)過核算，得出真實的泄漏值為

3.6×10-2Pa·m3·s-1

后續(xù)采用真空罩氣泡法進一步確認，檢測參數(shù)如表1所示。真空罩氣泡法驗證后σ=7.2×10-2N·m-1，氣泡直徑為5 mm，n為4，真空度為-0.05 MPa。得出Ls為1.3×10-2Pa·m3·s-1，QL為3.6×10-2Pa·m3·s-1，兩者換算的值在同一數(shù)量級內(nèi)，表明泄漏值的數(shù)量級是準確的。

6 結(jié)論

(1) 氦質(zhì)譜儀吸槍氦罩法和真空罩氣泡法是有效的檢漏方法，兩者結(jié)合起來，可明顯地檢測出10-4Pa·m3·s-1以下泄漏率的泄漏點，并大幅提高檢測效率。

(2) 沿海地帶濕度大，易形成冷凝水附著于鋼覆面上從而堵塞缺陷口，應在排空水池干燥2月后，來年后的2個月份前進行檢測為佳。

(3) 服役期間的燃料水池，低放射性環(huán)境對泄漏檢測無影響。