“華龍一號(hào)”主蒸汽管道局部泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張 雷，魏華彤，閆桂銀

（中國(guó)核電工程有限公司，北京 100840）

LBB技術(shù)（破前泄漏，Leak Before Break），其基本思想是當(dāng)管道發(fā)生早期泄漏，泄漏量達(dá)到一定程度之前，可以通過(guò)泄漏監(jiān)測(cè)裝置測(cè)量出來(lái)，這樣在管道裂紋擴(kuò)展到臨界裂紋尺寸而突然斷裂之前，可以有充裕時(shí)間實(shí)現(xiàn)安全停堆，對(duì)泄漏管道進(jìn)行修補(bǔ)或更換等處理，以避免管道雙端斷裂的發(fā)生[1]。

LBB技術(shù)應(yīng)用于反應(yīng)堆冷卻劑管道、波動(dòng)管、安全殼內(nèi)主蒸汽管道等高能管道，其中一回路反應(yīng)堆冷卻劑管道和波動(dòng)管LBB技術(shù)的應(yīng)用，其法規(guī)要求和檢測(cè)手段較為完善，而主蒸汽管道LBB技術(shù)的應(yīng)用，屬于新的研究領(lǐng)域，目前并沒(méi)有專門的法規(guī)要求，主蒸汽管道的泄漏檢測(cè)手段也很少，針對(duì)二代加 M310堆型，安全殼地坑液位測(cè)量作為主蒸汽管道泄漏率定量測(cè)量的唯一方法，暫無(wú)其他定量測(cè)量手段，檢測(cè)手段較為單一。地坑液位檢測(cè)通過(guò)泄漏蒸汽冷凝后匯集到房間地漏，經(jīng)地漏傳輸管線送到安全殼地坑最終收集，通過(guò)設(shè)置在地坑中的液位儀表判斷單位時(shí)間內(nèi)液位高度的變化計(jì)算出管道泄漏率。該測(cè)量方法過(guò)程傳輸時(shí)間較長(zhǎng)，無(wú)法及時(shí)反應(yīng)主蒸汽管道的泄漏，也無(wú)法對(duì)主蒸汽管道的泄漏位置進(jìn)行定位。

“華龍一號(hào)”主蒸汽管道局部泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱主蒸汽泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)）為TSM主蒸汽系統(tǒng)中需要采用 LBB技術(shù)的主蒸汽管道（蒸發(fā)器出口到安全殼貫穿件之間的主蒸汽管道）專門增設(shè)的一套泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。主蒸汽泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用聲發(fā)射泄漏檢測(cè)技術(shù)，即將聲發(fā)射傳感器測(cè)點(diǎn)沿主蒸汽管道進(jìn)行布置，聲發(fā)射傳感器接收主蒸汽管道泄漏時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力—應(yīng)變信號(hào)，并將信號(hào)送入到聲發(fā)射局部泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)控制機(jī)柜進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)主蒸汽管道發(fā)生的泄漏，當(dāng)主蒸汽管道泄漏達(dá)到一定量時(shí)，該系統(tǒng)能夠?qū)艿佬孤┝窟M(jìn)行監(jiān)測(cè)報(bào)警并判斷出泄漏位置。

1 主蒸汽泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)主框架設(shè)計(jì)方案

主蒸汽泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括聲發(fā)射傳感器、聲發(fā)射放大器、聲發(fā)射處理機(jī)柜、主蒸汽泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)專用軟件、同軸電纜和連接器等。主框架設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

圖1 主蒸汽泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic of the main steam line local leakage measuring system

主蒸汽泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)如下：

（1）“華龍一號(hào)”核電廠應(yīng)用 LBB技術(shù)的主蒸汽管道有三條，通過(guò)對(duì)主焊縫、支吊架、支撐護(hù)板等位置的綜合分析，SG1（蒸汽發(fā)生器1）管路布置4個(gè)聲發(fā)射傳感器，SG2（蒸汽發(fā)生器2）管路布置12個(gè)聲發(fā)射傳感器，SG3（蒸汽發(fā)生器3）管路布置10個(gè)聲發(fā)射傳感器，共計(jì)26個(gè)聲發(fā)射傳感器。

（2）聲發(fā)射傳感器安裝時(shí)為方便檢修，避免和管道直接接觸造成損壞，采用波導(dǎo)桿的安裝方式。在管道上焊接一個(gè)波導(dǎo)桿，將聲發(fā)射信號(hào)引到保溫層外，聲發(fā)射傳感器再安裝到波導(dǎo)桿上。

（3）主蒸汽泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)機(jī)柜和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件，根據(jù)“華龍一號(hào)”核電廠聲發(fā)射傳感器布置實(shí)際情況進(jìn)行研制開發(fā)。滿足26路聲發(fā)射傳感器的數(shù)據(jù)采集、顯示、分析、處理、報(bào)警等功能，同時(shí)充分考慮了人因操作和系統(tǒng)管理的便捷性和安全性。最終保證了發(fā)生泄漏事故時(shí)主蒸汽泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的人機(jī)交互能力。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

管道材料在塑性變形或損傷破壞過(guò)程中會(huì)釋放應(yīng)變能或產(chǎn)生應(yīng)力波，聲發(fā)射泄漏檢測(cè)方法通過(guò)布置在被測(cè)對(duì)象上的聲發(fā)射傳感器接收到應(yīng)力-應(yīng)變信號(hào)，并將信號(hào)送入到聲發(fā)射機(jī)柜進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，以實(shí)現(xiàn)蒸汽泄漏的定量和定位測(cè)量[2]。聲發(fā)射泄漏檢測(cè)示意圖如圖 2所示。

圖2 聲發(fā)射泄漏檢測(cè)示意圖Fig.2 Schematic of acoustic emission leakage detection

管道泄漏時(shí)，聲發(fā)射強(qiáng)度信號(hào)與管道泄漏率存在如下經(jīng)驗(yàn)公式[3]：

由于聲發(fā)射信號(hào)在固體介質(zhì)中傳播都將伴隨有衰減，聲發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度與傳播距離呈指數(shù)衰減關(guān)系[4]，公式如下所示。

a、b、c已知的前提下，當(dāng)布置在管道上的兩臺(tái)聲發(fā)射傳感器之間發(fā)生泄漏時(shí)，通過(guò)公式換算可實(shí)現(xiàn)泄漏率G的定量測(cè)量和泄漏位置L的定位測(cè)量。

2 主蒸汽泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主蒸汽泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由聲發(fā)射傳感器、聲發(fā)射放大器、接線箱、聲發(fā)射處理機(jī)柜、主蒸汽泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)專用軟件、同軸電纜以及波導(dǎo)桿等安裝附件組成，詳細(xì)設(shè)備組成如下。

（1）聲發(fā)射傳感器：26個(gè)。SG1（蒸汽發(fā)生器1）管道布置4個(gè)，SG2（蒸汽發(fā)生器2）布置12個(gè)，SG3（蒸汽發(fā)生器3）布置10個(gè)，均布置在RX廠房。

（2）聲發(fā)射放大器：26個(gè)。每個(gè)聲發(fā)射傳感器配備一個(gè)聲發(fā)射放大器，均布置在RX廠房。

（3）放大器接線箱（附帶電纜密封頭）：26個(gè)。用于聲發(fā)射放大器的安裝和接線，均布置在R廠房。

（4）聲發(fā)射處理機(jī)柜：1個(gè)，控制柜位于L713廠房中。

（5）主蒸汽泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)專用軟件：用于聲發(fā)射信號(hào)采集、分析處理、人機(jī)交互的專用軟件。

其他部件：

（6）信號(hào)電纜：同軸電纜，用于聲發(fā)射放大器和聲發(fā)射處理機(jī)柜之間的信號(hào)傳輸，兩端為BNC接頭，阻抗50 Ω。

（7）BNC接頭，SMB接頭：若干，阻抗50 Ω。

（8）SMA接頭：若干，阻抗50 Ω。

（9）波導(dǎo)桿及探頭壓件：各26個(gè)。波導(dǎo)桿一端預(yù)留V錐型坡口，垂直焊接在主蒸汽管道上，另一端安裝聲發(fā)射傳感器。

主蒸汽泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)備清單和布置房間如表 1 所示，主蒸汽泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程簡(jiǎn)圖如圖3所示。

表1 系統(tǒng)設(shè)備清單和房間布置Table 1 System equipment and room layout

圖3 主蒸汽泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程簡(jiǎn)圖Fig.3 Flow chart of main steam line local leakage measuring system

2.2 聲發(fā)射傳感器安裝設(shè)計(jì)

由于聲發(fā)射傳感器直接安裝到主蒸汽管道上，一方面主蒸汽管道的高溫可能會(huì)對(duì)傳感器產(chǎn)生損壞，縮短聲發(fā)射傳感器壽命，另一方面保溫層包裹住聲發(fā)射儀表，造成檢修、更換困難，同時(shí)檢修人員也將面臨熱輻射的風(fēng)險(xiǎn)。所以特殊設(shè)計(jì)的波導(dǎo)桿可將主蒸汽管道的聲音信號(hào)引出到保溫層外進(jìn)行測(cè)量，而不影響測(cè)量信號(hào)的準(zhǔn)確性，同時(shí)可以將聲發(fā)射儀表牢固固定在波導(dǎo)桿上，避免長(zhǎng)時(shí)間管道振動(dòng)或地震情況下導(dǎo)致聲發(fā)射儀表安裝松弛對(duì)測(cè)量產(chǎn)生影響，保障了聲發(fā)射儀表正常監(jiān)測(cè)功能。

波導(dǎo)桿和聲發(fā)射傳感器采用一體化封裝。波導(dǎo)桿一端連接管道，一端連接聲發(fā)射傳感器，可以將管道泄漏產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)引導(dǎo)到波導(dǎo)桿后，再傳輸?shù)讲▽?dǎo)桿安裝的儀表上進(jìn)行測(cè)量[5]。

波導(dǎo)桿本體采用314L不銹鋼材質(zhì)，主要由V錐形坡口（管道焊接端，帶一定弧度的V錐坡口便于與管道進(jìn)行堆焊）、波導(dǎo)桿延長(zhǎng)段（從管道外壁穿出保溫層）、探頭安裝平臺(tái)（側(cè)面加工外螺紋）構(gòu)成。一端連接管道，一端連接聲發(fā)射儀表，將高能管道泄漏產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)引出到保溫層外進(jìn)行測(cè)量。波導(dǎo)桿設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖如圖4所示。

2.3 聲發(fā)射處理機(jī)柜設(shè)計(jì)

聲發(fā)射處理機(jī)柜是主蒸汽泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的控制中樞，工控機(jī)、聲發(fā)射采集卡、觸摸顯示屏等核心設(shè)備均安裝在聲發(fā)射處理機(jī)柜中。聲發(fā)射處理機(jī)柜的設(shè)計(jì)主要包括前門、前面板、后門、后面板四個(gè)部分，如圖5所示。

（1）前門：主要用于前面板防護(hù)，設(shè)置有透明窗口，可以在不開門的情況下監(jiān)測(cè)顯示器運(yùn)行畫面。

（2）前面板：主要包括銘牌區(qū)、流程圖示意區(qū)、電源分配盤、工業(yè)顯示屏安裝盤、工控機(jī)倉(cāng)、鍵盤倉(cāng)、打印機(jī)倉(cāng)、文件資料倉(cāng)。

圖4 波導(dǎo)桿設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖Fig.4 Schematic design of waveguide rod

（3）后門：主要用于后面板防護(hù)和機(jī)柜散熱。

（4）后面板：在機(jī)柜上部設(shè)置有柜內(nèi)電氣附件的安裝面板，該安裝面板分為三個(gè)區(qū)：斷路器/變壓器安裝區(qū)、插座/端子排安裝區(qū)、外部信號(hào)接口安裝區(qū)。

圖5 聲發(fā)射處理機(jī)柜布置圖Fig.5 The layout of the acoustic emission processing cabinet

2.4 保溫層優(yōu)化設(shè)計(jì)

“華龍一號(hào)”核電廠將永久安裝單壁保溫殼結(jié)構(gòu)改為雙壁可拆卸保溫殼（見圖6）。這樣在提高主蒸汽管道保溫效果的同時(shí)，可以滿足聲發(fā)射泄漏檢測(cè)的要求，同時(shí)拆卸，維護(hù)檢修都更加方便。

圖6 雙壁保溫殼示意圖Fig.6 Schematic of the double wall insulation layer

雙壁可拆卸保溫殼不能直接貼近管道，利用保溫層波形墊片（見圖 7）使管道和雙壁可拆卸保溫盒之間保留15 mm的凈空。保溫殼內(nèi)外壁采用不銹鋼材質(zhì)，內(nèi)壁 0.4 mm、側(cè)壁1.5 mm、外壁1.5 mm，填充材料為散裝玻璃棉纖維。

圖7 保溫層波形墊片示意圖Fig.7 Schematic of the insulation layer shim

3 系統(tǒng)先進(jìn)性和創(chuàng)新點(diǎn)

主蒸汽泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)首次將聲發(fā)射定量（定位）檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于主蒸汽管道泄漏監(jiān)測(cè)，具有很高的先進(jìn)性，能夠滿足“華龍一號(hào)”LBB的技術(shù)要求。具體先進(jìn)性如下所示。

（1）主蒸汽泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)利用聲發(fā)射定量和定位檢測(cè)技術(shù)，對(duì)主蒸汽管道泄漏進(jìn)行定量和定位監(jiān)測(cè)，為“華龍一號(hào)”主蒸汽管道實(shí)施LBB技術(shù)要求提供了有力支撐。

（2）主蒸汽泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和設(shè)備布置按照抗震要求設(shè)計(jì)，同時(shí)通過(guò)了EMC、輻照等一系列鑒定試驗(yàn)。系統(tǒng)主要設(shè)備選型兼容性好、穩(wěn)定性高，機(jī)柜盤面和柜內(nèi)布局設(shè)計(jì)合理、可操性強(qiáng)，能夠更好地滿足“華龍一號(hào)”現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用需求。

（3）安裝到核電廠高能管道并有效傳輸聲發(fā)射信號(hào)的波導(dǎo)桿組件，為聲發(fā)射儀表在高能管道上安裝、維護(hù)、檢修提供了有效解決方案。

（4）主蒸汽泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)控制硬件選用主流工業(yè)用控制設(shè)備，軟件和硬件數(shù)據(jù)通信順暢，穩(wěn)定性高，可以實(shí)現(xiàn)主蒸汽管道泄漏定位和定量測(cè)量，定量測(cè)量能力達(dá)到0.25 gpm。

（5）根據(jù)“華龍一號(hào)”管道布置和監(jiān)測(cè)要求，提出了合適的測(cè)點(diǎn)數(shù)量和布置方案，26個(gè)測(cè)點(diǎn)的布置方案即可滿足主蒸汽管道泄漏的監(jiān)測(cè)要求。

4 主蒸汽泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)

本文對(duì)主蒸汽管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)從主框架設(shè)計(jì)、檢測(cè)原理設(shè)計(jì)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、傳感器安裝設(shè)計(jì)、處理機(jī)柜設(shè)計(jì)、保溫層優(yōu)化設(shè)計(jì)六個(gè)方面進(jìn)行詳細(xì)表述。主蒸汽管道局部泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成果已在“華龍一號(hào)”工程項(xiàng)目中應(yīng)用，為L(zhǎng)BB技術(shù)應(yīng)用于主蒸汽管道提供了有力支持。主蒸汽管道將具有主動(dòng)監(jiān)測(cè)機(jī)制，可對(duì)管道貫穿裂紋處微小泄漏進(jìn)行監(jiān)測(cè)，進(jìn)一步避免高能管道雙端斷裂的風(fēng)險(xiǎn)，既確保核反應(yīng)堆的安全，也考慮節(jié)省防甩件等設(shè)施，同時(shí)還能降低核反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度和建設(shè)費(fèi)用。