(中國核動力研究設計院，成都 610041)

0 引言

核反應堆是可持續(xù)發(fā)展能源應用的典范，為了保證反應堆安全可靠地運行，反應堆內(nèi)的各種壓力設備與裝置需要進行密封性能的實時監(jiān)測與故障診斷，即泄漏監(jiān)測技術。目前主流的泄漏監(jiān)測技術有基于溫濕度探測、基于信號聲發(fā)射特性、基于攝像頭圖像識別、基于放射劑量探測等多種方法，大部分方法需要待設備泄漏達到臨界階段才能識別，而基于信號聲發(fā)射由于定位定量準、敏感度較高、檢測技術不會對設備本身帶來影響成為當下最適用的技術[1-2]?；诼暟l(fā)射技術研發(fā)的反應堆一回路主管道和波動管泄漏監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)應用于福清56和巴基斯坦K2K3核電廠[3]，對核電廠的壓力邊界評估提供重要指標，但總體上看應用還不夠廣泛。與此同時，反應堆中自主可控研制的其他新型壓力設備包括蒸汽發(fā)生器和閥門等的密封性能驗證也需要進行泄漏監(jiān)測才能得到工程應用，蒸汽發(fā)生器是一回路3個環(huán)路的熱交換壓力設備，反應堆各種回路上配置有數(shù)量眾多的閥門，它們的環(huán)形密封面密封性能的監(jiān)測對于維護反應堆的正常穩(wěn)定運行有重要意義。

因此，有必要對核反應堆壓力設備的環(huán)形密封面進行泄漏監(jiān)測與分析診斷，以準確監(jiān)測其泄漏狀況，并推廣到其他類似環(huán)形密封面泄漏監(jiān)測中，保證核反應堆運行的可靠性。本文將聲發(fā)射泄漏監(jiān)測技術應用到自主化研制的新型蒸汽發(fā)生器的密封性能試驗驗證上，對蒸汽發(fā)生器最容易泄漏的環(huán)形密封面進行泄漏監(jiān)測與分析診斷，為蒸汽發(fā)生器的國產(chǎn)化研制及工程應用提供可靠性的理論依據(jù)。

1 試驗裝置及系統(tǒng)框架

1.1 試驗裝置

蒸汽發(fā)生器是利用反應堆中產(chǎn)生的高溫高壓微過熱蒸汽由過熱器加熱后驅(qū)動汽輪機發(fā)電的能源源頭，是反應堆中的重要設備，其密封性能的評估對其長期運行的安全性至關重要。為了對一種自主設計的新型蒸汽發(fā)生器進行密封性能試驗驗證，需要針對其新的自緊式密封結(jié)構(gòu)進行泄漏監(jiān)測，其密封原理是依靠密封墊片錐面與浮動頂蓋的凸形面接觸實現(xiàn)，借助預緊螺栓達到預緊作用。試驗裝置主要包括蒸汽發(fā)生器、蒸汽調(diào)節(jié)閥、流量測量裝置、減溫水泵、壓力溫度調(diào)節(jié)裝置、緩沖器及相關閥門。其中，環(huán)形密封面為該蒸汽發(fā)生器最易發(fā)生泄漏的位置，因此將在環(huán)形密封面上進行泄漏監(jiān)測與分析診斷。

如圖1所示為蒸汽發(fā)生器環(huán)形密封面的俯視圖，在密封頂蓋Φ600 mm空間內(nèi)周向焊接布置4個聲發(fā)射傳感器，且采用波導桿的安裝方式，以避免高溫高壓的過熱蒸汽對聲發(fā)射傳感器造成損壞，4個傳感器分別均勻安裝在環(huán)形密封面上，即0°、90°、180°、270°4個方向。

圖1 蒸汽發(fā)生器環(huán)形密封面俯視圖

S1～S4為安裝在環(huán)形密封面上的4個聲發(fā)射傳感器，它們布置在圓心對稱的位置但不在圓環(huán)上。若發(fā)生泄漏，則泄漏源點位于環(huán)形密封面以r為半徑的圓環(huán)上，并在整個密封面上蔓延，由于泄漏在二維平面上蔓延，其泄漏判斷和定位定量相對一維泄漏有難度，需要通過試驗后的泄漏數(shù)據(jù)分析與診斷給出更為可靠的結(jié)論。

圖2 環(huán)形密封面聲發(fā)射泄漏監(jiān)測系統(tǒng)框圖

1.2 系統(tǒng)框架

蒸汽發(fā)生器環(huán)形密封面泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的框圖如圖2所示，聲發(fā)射是材料受外力或內(nèi)力作用而產(chǎn)生變形或斷裂時以應力波的形式釋放能量的現(xiàn)象[4]，若蒸汽發(fā)生器發(fā)生泄漏，其釋放的應力波經(jīng)波導桿導出后由4路聲發(fā)射傳感器將其轉(zhuǎn)換為微電壓信號，經(jīng)前置放大器轉(zhuǎn)換為電壓信號。信號調(diào)理系統(tǒng)對輸入的信號進行電氣隔離、程控放大、帶通濾波等信號處理，濾除由結(jié)構(gòu)、摩擦等因素產(chǎn)生的帶外噪聲后輸入到采集系統(tǒng)中，調(diào)理模塊同時運用電路設計技術對系統(tǒng)進行自我故障診斷，保證調(diào)理系統(tǒng)正確連接前端放大器且不存在短路等現(xiàn)象[5]。調(diào)理后的信號輸出至采集系統(tǒng)，采集的信號存入日常監(jiān)測數(shù)據(jù)庫用于后續(xù)的泄漏數(shù)據(jù)分析與故障診斷分析，若明顯存在泄漏，則通過軟件界面的泄漏算法判斷及顯示并由報警系統(tǒng)輸出。

2 聲發(fā)射特性與軟件設計

2.1 聲發(fā)射信號特性

泄漏聲發(fā)射信號為超聲應力波信號，該應力波的頻率范圍主要集中在50～200 kHz，屬于中高頻的超聲信號，前端信號經(jīng)過前置放大器后的幅度為毫伏及毫伏以下，波形傳輸?shù)闹饕问綖槊}沖信號。

泄漏聲發(fā)射信號沿密封表面?zhèn)鞑ミ^程中將發(fā)生衰減，并具有隨距離指數(shù)衰減的特性[4-6]。設傳感器的位置與泄漏位置P的位置距離為，泄漏處聲發(fā)射信號值為，根據(jù)聲發(fā)射信號在金屬壓力管道表明近似指數(shù)衰減的特性，有如下關系式：

Ui=UP·exp(-αLi)

其中：α為距離衰減常數(shù)，和環(huán)形密封面的制作材料、信號波的頻率有關。

由指數(shù)衰減公式可以得到衰減常數(shù)α的計算表達式為:

其中：Ui1Ui2為用于計算衰減常數(shù)而測試的聲發(fā)射有效值，Li1Li2為測試的距離值，通過試驗預先測定現(xiàn)場情況的兩組數(shù)據(jù)后即可求解衰減常數(shù)α，因此泄漏監(jiān)測與分析時算法將其視作已知常量進行計算。

信號有效值可以轉(zhuǎn)換為泄漏定量結(jié)果，經(jīng)研究金屬壓力管道冷卻劑泄漏率G與信號有效值UP有下列經(jīng)驗公式[7]：

logG=alogUP+b

2.2 軟件設計

根據(jù)蒸汽發(fā)生器環(huán)形密封面的試驗裝置和系統(tǒng)框架，通過Labview軟件開發(fā)了環(huán)形密封面泄漏監(jiān)測軟件，其軟件流程圖如圖3所示，主要包括軟件運行前的系統(tǒng)參數(shù)配置和軟件運行后4個并行的流程。

圖3 環(huán)形密封面泄漏監(jiān)測軟件流程圖

用戶登錄成功系統(tǒng)開始初始化，之后進行參數(shù)設置，硬件參數(shù)設置包括聲發(fā)射傳感器靈敏度、轉(zhuǎn)換系數(shù)、通信串口、硬件板卡槽位、采樣頻率、采樣時間等參數(shù)。算法參數(shù)設置包括日常數(shù)據(jù)存儲時間、泄漏數(shù)據(jù)存儲時間、原始波形數(shù)據(jù)存儲時間、泄漏初步/終判診斷時間及達標百分比門限等參數(shù)。

軟件配置完成正常運行時，主要分為聲發(fā)射信號采集、數(shù)據(jù)存儲、故障診斷監(jiān)測、數(shù)據(jù)庫查詢4個流程。

聲發(fā)射信號采集通過便攜式工控機里的NI-6356采集板卡進行數(shù)據(jù)獲取，由于聲發(fā)射信號頻率較高且變化緩慢，一般設置為每隔1 s采集一次，采樣率設置為1 MHz，每次采集50 ms的數(shù)據(jù)。日常原始數(shù)據(jù)間隔滿足條件后將波形數(shù)據(jù)存入文件以供后續(xù)數(shù)據(jù)分析。

聲發(fā)射信號采集后需要提取信號特征量，主要包括信號頻率、有效值、倍頻幅值等。提取的特征用于異常鑒別的報警，通常選取信號有效值特征量與閾值比較來進行判別。

試驗中采集的聲發(fā)射信號還需要扣除掉背景噪聲信號以保證泄漏判斷的準確性，設采集檢測的背景噪聲水平為U0，Ui是實際測量的聲發(fā)射信號的有效值，對Ui按下式處理，獲取實際的泄漏聲發(fā)射信號水平。

最后，對U采用下式作為泄漏鑒別關系式：

P(U≥n)≥p

即在一段時間內(nèi)統(tǒng)計真實的泄漏聲發(fā)射信號水平大于設定閾值n的概率滿足p(1>p>0)，即認為泄漏發(fā)生。實際試驗中，選定的泄漏初步及終判診斷時間分別為3分鐘和10分鐘，對應達標概率設置為0.8和0.9。根據(jù)現(xiàn)場實際采集的本底噪聲進行綜合統(tǒng)計平均后設置閾值n，參考華龍一號主管道和波動管LBB泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的閾值設置思路，結(jié)合聲發(fā)射泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的最小泄漏率監(jiān)測靈敏度為0.2 L/min的特性，一般設置閾值為現(xiàn)場本底的2～3倍。若數(shù)據(jù)滿足判定條件，即達到報警輸出條件。

報警條件觸發(fā)后根據(jù)設置的泄漏原始信號存儲間隔和泄漏數(shù)據(jù)庫存儲間隔分別保存泄漏波形數(shù)據(jù)和特征量數(shù)據(jù)于文件夾和數(shù)據(jù)庫中，以用于后續(xù)診斷分析，同時通過報警信號顯示器輸出紅色泄漏顯示。

在軟件監(jiān)測過程中，通過調(diào)理模塊電路設計獲取特定支路電流或電壓等方式進行故障診斷監(jiān)測，包括短路、斷路、欠壓和過載。短路和斷路監(jiān)測確認調(diào)理模塊與前端前置放大器的連接正常，欠壓監(jiān)測保證調(diào)理模塊對前置放大器提供的工作電源滿足要求，過載監(jiān)測保證信號在一個范圍內(nèi)不對設備造成損害。故障診斷設計增強了系統(tǒng)的可靠性。

暫停監(jiān)測時可進行數(shù)據(jù)庫的顯示、查詢與離線數(shù)據(jù)的分析，包括趨勢分析、特征量分析與文字報告。趨勢分析可根據(jù)選定的時間段進行曲線趨勢的顯示，并可結(jié)合特征量分析及現(xiàn)有的趨勢給出未來一段時間的預測作參考，文字報告根據(jù)分析的結(jié)果自動形成，作為離線分析的總結(jié)。

按上述編程思路及故障診斷方法進行軟件編程，并生成軟件泄漏仿真數(shù)據(jù)，其中數(shù)據(jù)根據(jù)環(huán)形密封面4個象限的不同角度、例如45°、135°、210°、280°等，按照泄漏指數(shù)衰減的規(guī)律生成，導入批量數(shù)據(jù)后通過軟件故障診斷算法診斷驗證，與輸入數(shù)據(jù)一一對比，結(jié)果與預期相符。因此，該軟件可應用到后續(xù)的蒸汽發(fā)生器等比例泄漏試驗及真實密封性能驗證試驗中。

3 蒸汽發(fā)生器試驗

蒸汽發(fā)生器試驗分為等比例模擬件的泄漏模擬試驗及蒸汽發(fā)生器的真實環(huán)路密封驗證試驗。

3.1 泄漏模擬試驗

通過制作蒸汽發(fā)生器環(huán)形密封面的等比例縮小模擬件對聲發(fā)射泄漏監(jiān)測系統(tǒng)進行真實泄漏情況下的檢驗。試驗選用材料為0Cr18Ni10Ti的模擬件，預先在液壓疲勞試驗裝置上，進行循環(huán)疲勞加載，使環(huán)形密封面預制的軸向溝槽直至裂紋貫穿，并達到一定的泄漏率，模擬件密封頂蓋為Φ300 mm空間，聲發(fā)射傳感器均勻安裝在密封面上。

將制備的蒸汽發(fā)生器環(huán)形密封面裂紋模擬件焊接在試驗裝置回路中，整個試驗裝置全部包裹保溫棉，試驗介質(zhì)為水，通過壓力調(diào)節(jié)裝置實現(xiàn)密封面穿透裂紋不同的泄漏率，開展數(shù)個升降溫循環(huán)試驗，試驗中的本底噪聲為0.007～0.010 V左右，根據(jù)前述理論將泄漏報警的最小閾值設置為0.02 V。

通過聲發(fā)射泄漏監(jiān)測系統(tǒng)對試驗過程進行實時監(jiān)測，試驗中1個完整的升降溫循環(huán)過程的聲發(fā)射采集數(shù)據(jù)如圖4所示，壓力由0 MPa升高至7 MPa作為預熱，再由7 Mpa升至14 Mpa最后降至7 MPa，圖中4個通道的數(shù)據(jù)趨勢隨著模擬件泄漏率的變化而變化，并且都遠遠大于泄漏的報警鑒別閾值。因此，通過泄漏模擬試驗證明該聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)能監(jiān)測到試驗件的介質(zhì)泄漏，可用于真實試驗件的泄漏監(jiān)測中，該試驗中獲取的真實泄漏的波形數(shù)據(jù)也將用于后續(xù)真實試驗件的泄漏診斷分析中。

圖4 泄漏模擬試驗真實泄漏數(shù)據(jù)時間分布圖

3.2 蒸汽發(fā)生器密封驗證試驗

將蒸汽發(fā)生器置于環(huán)路中，按照第一節(jié)所述的試驗裝置、試驗回路及系統(tǒng)框架進行試驗的搭建，分別通過鍋爐的過熱和水作為介質(zhì)，開展數(shù)個升溫升壓、降溫降壓及瞬態(tài)工況下長達一周的蒸汽發(fā)生器連續(xù)密封性能試驗，通過聲發(fā)射泄漏監(jiān)測系統(tǒng)讀取試驗數(shù)據(jù)，試驗記錄的數(shù)據(jù)每1 s采集一次，并按每秒鐘的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，進行3分鐘和10分鐘的統(tǒng)計判斷。數(shù)據(jù)庫日常數(shù)據(jù)采用1 min記錄一次作為后續(xù)分析使用，試驗過程中蒸汽發(fā)生器未觸發(fā)泄漏監(jiān)測系統(tǒng)報警。具體的試驗數(shù)據(jù)分析在下節(jié)中闡述。

4 試驗結(jié)果及分析

試驗后為了從理論上確認環(huán)形密封面未發(fā)生泄漏，還需對試驗數(shù)據(jù)進行深層次剖析，并結(jié)合3.1節(jié)等比例件的真實泄漏數(shù)據(jù)進行對比，以確保環(huán)形密封面的密封是穩(wěn)定可靠的。本節(jié)從數(shù)據(jù)關系擬合和數(shù)據(jù)分布兩個角度進行對比分析[8]。

4.1 數(shù)據(jù)擬合分析

如圖5所示為環(huán)形密封面模擬泄漏試驗真實泄漏數(shù)據(jù)擬合示意圖，對試驗中幅值較大的其中3個傳感器的聲發(fā)射數(shù)據(jù)進行擬合，可以得到兩兩之間的關系式分別符合：Y=0.251 5*exp(0.868 9*x)、Y=0.291 8*exp(1.103*x)、Y=0.188 1*exp(1.357*x)，式中x和Y分別代表橫縱坐標的數(shù)值，總體上都呈現(xiàn)為指數(shù)的關系，符合第3節(jié)中聲發(fā)射信號的指數(shù)衰減特性。

圖5 泄漏模擬試驗真實泄漏數(shù)據(jù)擬合示意圖

如圖6所示為蒸汽發(fā)生器環(huán)形密封面數(shù)據(jù)擬合示意圖，對環(huán)形密封面布置的4個聲發(fā)射信號傳感器數(shù)據(jù)進行兩兩擬合，可以得到傳感器1與其它3個傳感器的關系分別為：Y=1.038x-0.000 79、Y=1.711x-0.002 75、Y=0.904 9x-0.000 22，總體上都呈現(xiàn)為線性的關系。

圖6 蒸汽發(fā)生器環(huán)形密封面數(shù)據(jù)擬合示意圖

對比兩個試驗的數(shù)據(jù)擬合結(jié)果并分析可以得到，若蒸汽發(fā)生器發(fā)生泄漏，由于環(huán)形密封面為自主化研制的蒸汽發(fā)生器上唯一涉及焊接的部位，因此等同于環(huán)形密封面發(fā)生泄漏，根據(jù)環(huán)形密封面上的泄漏點至傳感器的傳輸距離信號應該仍然表現(xiàn)為指數(shù)衰減的形式，而試驗數(shù)據(jù)擬合后卻服從線性的關系，這主要是因為試驗的各種本底噪聲、儀器噪聲、主泵振動、水利摩擦等噪聲通過各種介質(zhì)的傳播在4個聲發(fā)射傳感器的探測上趨勢是基本一致的，據(jù)此可以判斷試驗中蒸汽發(fā)生器環(huán)形密封面未發(fā)生泄漏。

因此，從數(shù)據(jù)擬合角度分析蒸汽發(fā)生器環(huán)形密封面的密封性能是可靠的，試驗中介質(zhì)未泄漏。

4.2 數(shù)據(jù)分布分析

如圖7所示為泄漏模擬試驗真實泄漏數(shù)據(jù)的分布擬合圖，對幅值較大的3個聲發(fā)射監(jiān)測值進行數(shù)據(jù)分布處理，通過比較正態(tài)分布、指數(shù)分布、線性分布對數(shù)正態(tài)分布等常用分布的擬合效果，發(fā)現(xiàn)泄漏數(shù)據(jù)使用對數(shù)正態(tài)分布的擬合效果最好，3個聲發(fā)射監(jiān)測通道基本分別服從：(1.216 1,2.347)、(1.024, 1.331)、(1.001, 1.754)均值方差的對數(shù)正態(tài)數(shù)據(jù)分布特性，圖中包含擬合的曲線和數(shù)據(jù)概率密度分布圖，橫坐標表示監(jiān)測的聲發(fā)射有效值，縱坐標表示概率密度。在數(shù)值特性方面，監(jiān)測值覆蓋面設計0～5 V的廣域范圍，取決于泄漏的發(fā)展程度及快慢，由于聲發(fā)射本底噪聲一般為0.005～0.02之間，監(jiān)測值遠遠超過本底的3倍幅值，從理論上可以說明模擬件發(fā)生了泄漏。

圖7 泄漏模擬試驗真實泄漏數(shù)據(jù)分布擬合

如圖8所示為蒸汽發(fā)生器環(huán)形密封面數(shù)據(jù)的分布擬合圖，從環(huán)形密封面上選取其中的3個聲發(fā)射傳感器對其監(jiān)測值進行數(shù)據(jù)分布處理，發(fā)現(xiàn)沒有特別適用的分布可以擬合試驗數(shù)據(jù)。作為與真實泄漏數(shù)據(jù)的對比，用對數(shù)正態(tài)分布擬合環(huán)形密封面數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)幅值很小的時候試驗數(shù)據(jù)有較大的分布量，數(shù)據(jù)集中處分布的峰值與實際數(shù)據(jù)的峰值擬合后概率密度相差接近3倍。在數(shù)值特性方面，監(jiān)測幅值一般都不超過0.02 V，試驗數(shù)據(jù)大部分分布在0.007～0.01 V范圍內(nèi)，基本與試驗的實際本底噪聲一致，試驗整個階段監(jiān)測值都未能在3～10分鐘的穩(wěn)定時間段內(nèi)超過本底的3倍。對比真實泄漏數(shù)據(jù)和環(huán)形密封面的試驗數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)分布可以證明蒸汽發(fā)生器環(huán)形密封面未發(fā)生泄漏。

因此，從數(shù)據(jù)擬合和數(shù)據(jù)分布的角度綜合分析，蒸汽發(fā)生器環(huán)形密封面未發(fā)生介質(zhì)泄漏。

5 結(jié)束語

本文針對核反應堆壓力設備環(huán)形密封面的密封性能驗證需求，將聲發(fā)射監(jiān)測技術應用到自主化研制的新型蒸汽發(fā)生器的密封性能驗證上，搭建了蒸汽發(fā)生器環(huán)形密封面泄漏監(jiān)測系統(tǒng)，設計編寫了軟件框架程序，并通過等比例試驗件的泄漏模擬試驗驗證了監(jiān)測設備的有效性。通過開展數(shù)個升降溫循環(huán)試驗對蒸汽發(fā)生器密封性能進行驗證，試驗中未觸發(fā)泄漏報警算法。試驗后結(jié)合模擬件泄漏的真實數(shù)據(jù)，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行了數(shù)據(jù)分析，通過數(shù)據(jù)擬合與數(shù)據(jù)分布兩個角度與模擬件真實泄漏數(shù)據(jù)進行對比分析，證明了自主設計的新型蒸汽發(fā)生器環(huán)形密封面未發(fā)生介質(zhì)泄漏，密封性能驗證可靠。

圖8 蒸汽發(fā)生器環(huán)形密封面數(shù)據(jù)分布擬合