余熱排出系統熱交換器的氦檢漏技術

王洪凱

(福建福清核電有限公司，福清 350318)

余熱排出系統(以下簡稱RRA)熱交換器是立式U形管式熱交換器，進出管口共1 160個。在某次運行期間，發現RRA熱交換器發生泄漏，該熱交換器的特點是傳熱管數量多、管程長，給查漏工作帶來極大的困難。為了定位泄漏點，計劃實施氦氣檢漏，但對于二次側開放式結構的熱交換器，常規氦檢漏技術存在諸多弊端[1]，如二次側氦氣本底的污染給漏點的精準定位帶來困難；氦氣本底濃度降低到環境正常水平需要較長的時間，大大增加了檢查周期。如何提高工作效率、精確定位漏點均是查漏過程中需要考慮的問題，對RRA熱交換器進行了離線氦氣檢漏，在殼側充滿氦氣，為了保證本底氦氣濃度不影響氦氣檢漏的精度和進度，提出“橡膠塞和覆塑料薄膜”相結合的方法，分別對熱交換器的每一根管束和管口脹接焊縫進行檢測，檢漏過程采用的是正壓吸氦法，通過對每一個可疑漏點的檢查，最終成功定位到泄漏點并對其進行封堵。在RRA熱交換器啟動運行后，專門監測該系統的輻射監測儀表，未有異常顯示，說明本次熱交換器的漏點全部被查出并修復，達到了預期的檢修目的。

1 余熱排出系統熱交換器設備簡介

1.1 余熱排出系統熱交換器功能

RRA熱交換器的主要功能是在電廠停堆期間，經蒸汽發生器初步冷卻和降壓后，從堆芯和反應堆冷卻劑中導出熱量，保證在反應堆停堆20 h后，反應堆達到冷停堆狀態。熱交換器的殼側流體是冷卻水，運行期間為除鹽水，水質良好；管側介質是一回路水，具有高溫、高壓、高放射性的特點，環境條件惡劣。該熱交換器是一回路高溫、高壓、高放射性介質的邊界，因此設備的密封性尤為重要。

1.2 余熱排出系統熱交換器組成

余熱排出系統熱交換器管側為雙程，殼側為單程。反應堆冷卻劑由底部入口管進入水室，流經U形管至出口水室，由水室出口管流出，把熱量傳給設冷水；設冷水從頂部入口管流入導流筒，由折流板反復橫向流經管束，在底部殼體流出，將熱量帶走。設備主要包括上封頭、筒體、U型管束、管板、折流板、下封頭、分程隔板等，設備組成如圖1所示，熱交換器管束如圖2所示。

圖1 RRA熱交換器組成示意

圖2 RRA熱交換器管束外觀

1.3 余熱排出系統熱交換器的出廠密封性要求

RRA熱交換器的傳熱管與管板采用先焊接后脹接工藝，在焊接之前進行氣密性試驗，試驗壓力為0.3 MPa(表壓)，經檢測無泄漏后再實施焊接和脹接，在脹接后將熱交換器殼程抽真空至0.133 Pa1.33 Pa并進行連續抽氣，再逐個沿著傳熱管與管板連接的焊縫進行噴氦檢測，單個焊縫泄漏率小于1.3×10-7Pa·m3·s-1為合格。

2 氦氣檢漏試驗準備

2.1 氦氣檢漏時機的選擇

氦氣檢漏可以分為在線檢漏和離線檢漏。在線檢漏對熱交換器不進行解體，采用正壓泄漏法，通過外接管線在熱交換器的殼側充滿氦氣，同時在冷卻劑出入口進行氦氣的檢測，總體工期少，能確定熱交換器整體是否有泄漏，但是無法精確定位泄漏管束；離線檢漏同樣采用正壓吸氦法(見圖3)，需要對熱交換器上半部分進行解體并吊裝運至檢修廠房進行查漏，工期長，吊裝、翻轉過程困難、風險大，但是能精確定位泄漏管束。為了能確定某單一泄漏點的具體位置，以便進行修補，并驗證返修后的泄漏情況[2]，選擇離線氦氣檢漏的方法。

圖3 正壓吸氦法示意

2.2 試驗原理與損傷

2.2.1 試驗原理

為了保證氦氣檢漏試驗能夠檢查出全部的漏點，工作分為初次檢漏和維修后檢漏兩個步驟。初次檢漏是該項工作最重要的一個步驟，是能否查出漏點的關鍵，其主要內容是對熱交換器漏點進行查找并定位。經試驗前分析，該工作主要有以下難點：① 如何準確地判斷漏點在傳熱管束內還是管口的脹接焊縫處；② 試驗過程中如何控制環境中氦氣本底的濃度；③ 對于管口的脹接焊縫處的檢查如何分區。為克服以上難點，提出“橡膠塞和覆塑料薄膜”法進行氦氣檢漏。設計并加工專用橡膠塞，在熱交換器殼側充氦氣前，使用橡膠塞對傳熱管管口進行密封封堵，實現管束和管口脹接焊縫的分離檢查，精確定位漏點；考慮到管口脹接焊縫可能存在漏點，對其整個熱端和冷端進行覆膜，保證環境中氦氣本底濃度維持在較低的水平；由于設備出廠驗收時，廠家對傳熱管與管板連接的焊縫進行過漏點檢查，認為存在漏點的可能性較小，為了提高工作效率，對熱端和冷端分為9個區域進行檢查，查漏分區模型如圖4所示。

圖4 查漏分區模型

2.2.2 氦檢漏的步驟及要求

對熱交換器的殼側進行烘干、充氦氣、保壓。使用吸槍抽取每一個分區塑料薄膜內的氣體，送入氦質譜儀進行分析[3]，確定脹接焊縫區域內是否有漏點，如果有泄漏，進一步縮小檢查范圍，直至確定漏點；每一個區域檢查完成后，對檢查區域進行重新覆膜密封，防止泄漏的氦氣提升本底濃度。待氦氣本底濃度降為環境濃度時，繼續檢查下一個區域。所有區域檢查完畢后，對每一根換熱管束的檢查，都需要拔掉傳熱管的橡膠塞，逐一確定傳熱管是否有泄漏，最終達到定位的目的。如果發現泄漏的傳熱管，需進行標記并進行后續處理。

維修后檢漏是對處理后的漏點進行檢查。為提高工作效率，維修后檢漏只對傳熱管進行覆膜封堵，使用吸槍抽取薄膜內的氣體進行檢測。

2.3 驗收準則確定

熱交換器內部的流體介質是水，使用氦氣進行檢漏，為能找出全部漏點，需確定試驗合理的氦氣泄漏率。漏孔的泄漏率不僅受漏孔壓力大小的影響，而且漏孔兩端壓差的大小也對氣流的流動起關鍵作用，在粘滯流的作用下，漏孔的泄漏率與漏孔兩端的壓力平方差成正比[4]，參考式(1)。

(1)

式中：Q為氣體泄漏率，Pa·m3·s-1;p1為漏孔入口端壓力，Pa；p2為漏孔出口端壓力，Pa。

根據1.3節可知，出廠的氦氣檢漏泄漏率低于1.3×10-7Pa·m3·s-1為合格，出廠泄漏檢查的入口壓力為1.0×105Pa，出口壓力為0 Pa；在試驗時，殼側壓力為4.0×105Pa，出口壓力為1.0×105Pa。

根據式(1)，Q標準=1.95×10-6Pa·m3·s-1，考慮到現場環境等情況的影響，保守決策，氦氣檢漏試驗按照Q為5×10-7Pa·m3·s-1的標準執行，泄漏率大于該標準的傳熱管需進行處理。

3 試驗結果

3.1 傳熱管編號設置

傳熱管數量為580根，共1 160個管口。為了更精確、快速地定位到某一根傳熱管，對每一根傳熱管進行編號，標號原則為：首先按照冷卻劑的流動方向分為冷端和熱端，冷卻劑入口區域為熱端，為HOT端，簡稱H端，冷卻劑出口區域為冷端，為COLD端，簡稱C端，每一端以直角坐標方式(Rxxx，Cxxx)表示傳熱管的編號。余熱排出熱交換器拆除下封頭后，水平放置于工作區域，并使冷卻水進、出口位于同一水平面。面向管板，當冷卻水出口位于左側時：定義x方向(180°往0°)為行(Row，縮寫為R)方向，最靠近下封頭隔板為R1，向外相鄰的一行為R2，依此類推，最大為R14；定義y方向(270°往90°)為列(Column，縮寫為C)方向，每列管束上方最高的一根為C1，第二高度的一根為C2，依此類推，最大為C46。如冷端的第5行、第6列表示為C(R5，C6)。

3.2 初次氦氣檢漏試驗

考慮試驗應盡可能減少工期，降低人員的輻照劑量。按照實施方案將冷端區域分為9份，分別進行橡膠塞封堵并在橡膠塞外進行覆膜，將熱端區域分為9份，只進行覆膜并未進行橡膠塞封堵。只對冷端進行橡膠塞封堵和覆膜法檢查的目的是由于傳熱管的冷端和熱端是連通的，冷端傳熱管的檢查數據可以代表整根傳熱管的數據；對熱端區域只進行了整體覆膜，這是因為傳熱器在放置時，管板側使用枕木墊高了20 cm左右，存在泄漏的情況下氦氣會向熱端的傳熱管口方向飄移，對冷端的沒有影響，覆膜的目的是讓泄漏的氦氣包裹在覆膜內，避免影響氦氣本底。保壓2 h后開始對其進行檢查，系統本底值為3.0×10-9Pa·m3·s-1，儀器顯示正常。首先對冷熱端薄膜進行檢查，氦質樸儀器讀數均大于1.0×10-6Pa·m3·s-1，檢查結果不合格，后續對冷端的單管進行檢查，完成1，2列的檢查，發現大漏，即大于10-710-6數量級的不合格管束較多，繼續檢查還是同樣情況。

通過數據的收集及分析，無論是覆膜內還是傳熱管內氦氣濃度均偏高，說明熱交換器存在泄漏，由于本底濃度過高，并不能精確定位泄漏傳熱管，分析原因如下：① 熱端氦氣濃度偏高屬于正常現象，說明傳熱管泄漏的氦氣積聚在熱端的覆膜內；② 冷端單根傳熱管內氦氣濃度均偏高，說明氦氣在熱端集聚混合后由熱端管口向冷端管口擴散；③ 冷端橡膠塞外覆膜內氦氣濃度偏高，是冷端管束內的氦氣通過分子熱運動在塞子密封不嚴的情況下，在長達2 h的時間積累下造成的?？梢缘贸鼋Y論：初次氦氣檢漏失敗，原因為不能只對傳熱管的一端進行檢查，需對兩端均進行封堵并檢查。

3.3 方案修改后的氦氣檢漏試驗

通過對方案進行調整，對冷熱兩端區域的傳熱管均進行橡膠塞封堵并在橡膠塞外整體覆膜。檢測流程為對覆膜內的每個區域進行檢測，以確定管板與管口脹接焊縫是否有泄漏；然后對管束進行檢漏，其流程如圖5所示。

圖5 RRA熱交換器氦氣檢漏的流程

3.3.1 脹接焊縫區域檢查

保壓1 h后，開始對冷熱端區域的覆膜內氣體進行檢測，發現以下問題：① 部分區域內的氦氣濃度較高，高出本底濃度34個數量級，分別是熱端的H1，H4，H5，H7區域，冷端的C1，C4，C5，C6區域，列為可疑區域，后續重點檢查，具體分區如圖4所示；② 熱端區域數值比冷端區域數值高。隨后，對冷端和熱端每一個區域的覆膜逐一去除，并使用壓縮空氣進行吹掃，確保環境氦氣濃度水平與試驗前本底濃度基本一致，氦氣吸槍在管口脹接焊縫處進行檢測，發現氦氣濃度并不高，濃度最高的區域高出本底濃度2個數量級。對于以上現象，推斷如下：① 覆膜區域內出現較高的氦氣濃度，說明存在漏點，具體的漏點定位不能確定；② 覆膜區域的氦氣濃度比去除覆膜后的濃度高，說明覆膜有一定的氦氣積累；③ 去除覆膜后的檢測表明，氦氣濃度不算高，可能管口脹接焊縫處漏點很小或是不存在漏點，同時存在橡膠塞對管束密封不嚴的可能性，導致管束內的氦氣泄漏至覆膜內。

3.3.2 管束區域檢查

為進一步定位漏點，逐一拔出橡膠塞后對管束進行檢查。通過對冷熱端區域每一根傳熱管進行檢查，制作數據分布圖，并用不同顏色進行標記，漏點可疑區域示意如圖6所示，顏色越深說明氦質樸檢漏儀顯示的數據越大，漏點存在的可能性越大，并標出7個區域(熱端4個、冷端3個)作為后續重點排查的區域，其與覆膜檢查的可疑區域相吻合。

圖6 漏點可疑區域示意

3.3.3 檢查結果

通過對可疑區域及可疑的零星傳熱管進行反復檢查和確認，最終發現5根傳熱管超出驗收準則，具體數據如表1所示。其中只有R(5)-C(30)即表1中的序號2為管口脹接焊縫處漏點，其他的均為管束內部的漏點，間接說明橡膠塞對管束的密封性并不是很嚴密，后續作為注意事項進行經驗反饋。

表1 超出驗收標準的傳熱管

3.4 維修后試驗

通過對發現的5根泄漏傳熱管進行堵管處理，對冷熱端進行覆膜檢漏，在保壓1 h后，薄膜內的泄漏率均在半個數量級內，說明泄漏的傳熱管均得到了維修。在啟動RRA系統后，專門監測RRA系統內部放射性的電廠輻射監測系統未顯示放射性異常，說明RRA系統熱交換器的漏點全部被查出并封堵合格，消除了設備的缺陷，保證了系統的安全運行。

4 結語

在余熱排出系統熱交換器的檢漏工作中，提出“橡膠塞和覆塑料薄膜”相結合的方法，采用對冷端和熱端區域均進行封堵的方式，分別對熱交換器的管束和管口脹接焊縫進行氦氣檢漏。

(1)U形管式熱交換器發生熱端泄漏的概率明顯大于冷端的，說明熱端管束的運行環境更為惡劣，存在泄漏的風險更大。

(2)使用“橡膠塞和覆塑料薄膜”相結合的方法對U形管式熱交換器的管束和脹接焊縫進行氦氣檢漏，可有效縮小檢查范圍，定位準確，大大縮短了檢漏時間，提高了檢漏效率。