摘 要 ：本文介紹了壓力變送器核電站的泄漏監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計要求與破前漏分析的關(guān)系，通過對高能管道泄漏的物理過程分析，提出了多種可能的泄漏監(jiān)測手段，并對每種監(jiān)測手段的監(jiān)測實現(xiàn)方案、監(jiān)測能力進(jìn)行了介紹。不僅可以為壓力變送器核電站的泄漏監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計提供指導(dǎo)，而且當(dāng)應(yīng)用破前漏技術(shù)對泄漏監(jiān)測能力提出更高要求的時候，也可以依據(jù)本文內(nèi)容對原有的泄漏監(jiān)測手段進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。
0 引言
核電站運(yùn)行壽期內(nèi)，冷卻劑系統(tǒng)壓力邊界上的設(shè)備不可避免地因正常運(yùn)行磨損、機(jī)械損傷、化學(xué)腐蝕或疲勞而老化，導(dǎo)致反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)發(fā)生微量的泄漏。冷卻劑的泄漏可能會導(dǎo)致硼酸腐蝕，一回路水應(yīng)力腐蝕破裂和晶間應(yīng)力腐蝕開裂等現(xiàn)象，進(jìn)而嚴(yán)重危及到冷卻劑系統(tǒng)壓力邊界的完整性，引發(fā)失水事故。
同時，核電站設(shè)計中采用破前漏[1]技術(shù)，在考慮一定的安全裕量情況下，通過泄漏監(jiān)測系統(tǒng)測得的泄漏率來反推此時發(fā)生泄漏的裂紋長度，進(jìn)而通過斷裂力學(xué)分析判斷該裂紋是否會失穩(wěn)，是否會發(fā)生雙端剪切斷裂，泄漏監(jiān)測是破前漏技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)。
為了降低失水事故的風(fēng)險，且滿足破前漏分析的要求，核電站應(yīng)該設(shè)置對應(yīng)的泄漏監(jiān)測系統(tǒng)，盡可能提前發(fā)現(xiàn)泄漏，并采取適當(dāng)?shù)拇胧⿲π孤┳龀鲰憫?yīng)，以控制不良后果繼續(xù)蔓延。因此，在核電站的設(shè)計中，對于反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)等重要的系統(tǒng)或設(shè)備，根據(jù)法規(guī)要求需要設(shè)置對應(yīng)的泄漏監(jiān)測手段或者系統(tǒng)
[2-4] 。
1 泄漏的物理過程
壓力變送器核電站的泄漏分為兩大類：可確定泄漏和不可確定泄漏。泄漏監(jiān)測的對象主要是安全殼內(nèi)一回路和二回路高能管道，破前漏技術(shù)應(yīng)用主要也是針對這些管道開展。
1.1 可確定泄漏收集
可確定泄漏主要是因閥門密封、設(shè)備密封、法蘭密封等退化或失效造成。通過有效的監(jiān)測，可以很好地確定泄漏源和泄漏量，也能夠與不確定泄漏進(jìn)行區(qū)分。對重要的可確定泄漏源，應(yīng)設(shè)置泄漏收集和測量系統(tǒng)，收集其源漏出的蒸汽和液體，實現(xiàn)泄漏的定量和定位。可確定泄漏不是破前漏技術(shù)關(guān)心的。
1.2 不可確定泄漏的物理過程
不可確定泄漏主要指管壁（包括焊縫）或承壓容器壁的結(jié)構(gòu)發(fā)生不可隔離破損引起的泄漏，這些泄漏沒有被收集而是釋放到安全殼大氣中。在破前漏分析中主要關(guān)注的是這類泄漏。
以反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)為例，管道出現(xiàn)穿壁裂紋泄漏至安全殼內(nèi)的過程，大致可劃分為 4 個物理過程：
1）破口處的臨界流過程。
2）水蒸汽在保溫層內(nèi)壁與管道外壁之間的擴(kuò)散過程。
3）蒸汽穿過保溫層進(jìn)入設(shè)備隔間、安全殼空間內(nèi)的擴(kuò)散過程。
4）液態(tài)直接進(jìn)入地坑，濕空氣在冷卻盤管表面內(nèi)冷凝成液體水的過程。泄漏在管道破口附近主要發(fā)生的物理現(xiàn)象如圖 1 所示，主要會引起以下幾個對象數(shù)值或者狀態(tài)的變化：
聲音：在管道表面以縱波和橫波方式傳播，在空氣中以縱波方式傳播。
濕度：由于分子熱運(yùn)動加上初始噴射的動能，汽液兩相混合物會在管道與保溫層之間的間隙內(nèi)擴(kuò)散，帶來濕度和溫度的變化，穿越保溫層后彌散到安全殼內(nèi)也有濕度的變化。
溫度：在泄漏管道表面，泄漏附近的設(shè)備隔間都有變化。
放射性：一回路水含各種核素 Ar、Kr、Xe、N-13、N-16、F-18，會引起放射性強(qiáng)度變化。監(jiān)測放射性可以用來區(qū)分一回路與二回路的泄漏。
化學(xué)性質(zhì)：由于一回路含慢化劑硼酸，釋放到安全殼會帶來化學(xué)性質(zhì)變化，可以用來區(qū)分一回路與二回路的泄漏。壓力：當(dāng)泄漏量很大，會引起安全殼內(nèi)壓力的變化。圖像：由于一、二回路的高溫高壓的冷卻劑噴放過程中與空氣能量交換，壓力的突降而發(fā)生閃蒸，會形成汽霧，持續(xù)一段時間后一回路的硼酸會在管道表面形成硼酸結(jié)晶。這些現(xiàn)象可以通過巡視或攝像系統(tǒng)觀察。質(zhì)量流：兩相混合物中的水通過地漏、管道、#終在
重力的作用下匯入安全殼地坑，蒸汽則由安全殼內(nèi)布置的風(fēng)管吸入，在冷凍水作用下發(fā)生冷凝，#終冷凝液進(jìn)入地坑與破口噴放的兩相混合物中的水混合。在泄漏監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計中，可以根據(jù)監(jiān)測精度需要，監(jiān)測實現(xiàn)的難易程度，針對不同的物理量，采用不同的監(jiān)測方法。
2 泄漏的發(fā)展及對應(yīng)的監(jiān)測方法
當(dāng)壓力變送器核電站高能管道發(fā)生泄漏時，針對泄漏的發(fā)展過程，對應(yīng)的監(jiān)測方法如圖 2 所示。從圖 2 中可以看出，可確定泄漏主要發(fā)生在閥門密封、主要設(shè)備，如反應(yīng)堆壓力容器法蘭和封頭法蘭密封，以及一回路向與相連系統(tǒng)的連接處等。對應(yīng)不同的泄漏源，通過不同收集管道進(jìn)行收集和監(jiān)測。泄漏監(jiān)測系統(tǒng)必須收集或隔離從可確定泄漏源漏入安全殼的泄漏，以便對可確定泄漏與不可確定泄漏分別進(jìn)行監(jiān)測，提升泄漏監(jiān)測系統(tǒng)對不可確定泄漏的監(jiān)測精度。
不可確定泄漏主要指管壁（包括焊縫）或壓力容器壁的材料發(fā)生破損引起的泄漏。通常有效的監(jiān)測方法如下：
1）當(dāng)發(fā)生小破口失水事故時，當(dāng)高溫高壓介質(zhì)從承壓邊界穿壁裂縫或腐蝕孔逃逸時，將會產(chǎn)生兩種聲信號[5]：空氣傳播的人耳聽覺領(lǐng)域內(nèi)的聲波信號；金屬邊界中傳播的應(yīng)力波信號。這兩種信號均是連續(xù)性信號，并攜帶著泄漏點的特征信息（如漏孔形狀、大小、位置和泄漏率等）。根據(jù)這一特點，聲發(fā)射技術(shù)的基本原理是用靈敏的儀器接收和處理泄漏源的聲發(fā)射信號。聲波信號以縱波的方式在空氣中傳播，可以利用麥克風(fēng)采集空氣進(jìn)行泄漏監(jiān)測。管壁上應(yīng)力波方式傳播通常采用壓電陶瓷傳感器進(jìn)行監(jiān)測，
其頻帶范圍是 50kHz ～ 250kHz，主要能量集中在 150kHz左右。通過對聲發(fā)射源特征參數(shù)的分析和研究，推斷出材料或結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷位置、狀態(tài)變化程度和發(fā)展趨勢。
2）冷卻劑在噴射流出的過程中因壓力的突降而發(fā)生閃蒸，破口流出的介質(zhì)一般為汽液兩相混合物。汽液兩相混合物穿越了一回路壓力邊界，泄壓后在保溫層內(nèi)擴(kuò)散；其蒸汽在管道外壁和保溫層之間迅速向兩邊依次擴(kuò)散，布置在保溫層上的各個溫濕度探頭會依次探測到擴(kuò)散的蒸汽，根據(jù)探測的濕度發(fā)生的先后時間以及探頭的布置位置，可以確定發(fā)生泄漏的大致位置。
也可采用 FLÜS 的監(jiān)測方法[6] ，其核心部件“SensorTube”是一種多微孔的金屬陶瓷部件，安裝在要監(jiān)測的水 /蒸汽管道旁邊，能夠耐受高溫和輻射。當(dāng)管道或管道上焊縫出現(xiàn)貫穿性裂紋，從管道泄漏的高溫蒸汽通過分子擴(kuò)散運(yùn)動，通過微孔的金屬燒結(jié)物進(jìn)入 Sensor Tube 內(nèi)，定期用壓縮的干空氣吹掃，擴(kuò)散進(jìn)入 Sensor Tube 的高溫蒸汽被吹掃進(jìn)入末端高靈敏的濕度分析儀來判斷是否發(fā)生泄漏。
3）在反應(yīng)堆運(yùn)行過程中，當(dāng)燃料元件破損時或當(dāng)一回路水及其中的雜質(zhì)（腐蝕產(chǎn)物）被中子活化，這些情況可使一回路水中包含多種放射性核素。如果冷卻劑發(fā)生泄漏，這些放射性核素隨之泄漏到安全殼中，伴隨水的氣化形成氣載放射性粒子。監(jiān)測空氣中的放射性濃度的變化，也能很好地監(jiān)測承壓邊界的泄漏情況。也可以采用常規(guī)的熱電阻、
壓力變送器和相對濕度傳感器來監(jiān)測泄漏造成的安全殼大氣溫度、濕度、壓力變化。
4）蒸汽釋放到安全殼大氣中，通過強(qiáng)迫對流回到通風(fēng)管道進(jìn)入安全殼下部冷卻器內(nèi)，在冷凝盤管處發(fā)生結(jié)潞娩凝，表面的冷凝水靠重力作用匯集到管道。由于在泄漏初期冷凝水流量很低，當(dāng)破口嚴(yán)重時流量會較高，通常需要選擇量程比高（可達(dá) 100 倍以上）的質(zhì)量流量計來測量冷凝物流量。
#終冷凝液進(jìn)入地坑與破口噴放的兩相混合物中的水混合，在重力作用下直接通過地漏、管道，#終匯入安全殼地坑，通安裝液位計來監(jiān)測液位的變化率來計算泄漏率。
5）在一回路中，無論可確定泄漏還是不可確定泄漏都會引起一回路水裝量變化，在平穩(wěn)的運(yùn)行工況下，監(jiān)測一回路受影響系統(tǒng)內(nèi)水箱中異常的水位和流量，就可以獲得一回路總的泄漏量。由于水裝量平衡包含了可確定泄漏和不可確定泄漏，總的泄漏量減去可確定泄漏即可獲得不可確定泄漏。
3 泄漏監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)要求
壓力變送器核電站中泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計要遵循中國的法規(guī)[7] ，或者參考 RG1.45 的要求 [8] ，滿足核電站安全運(yùn)行的需要，同時在監(jiān)測精度、監(jiān)測范圍等方面，還需要考慮破前漏技術(shù)的相關(guān)要求。結(jié)合 RG1.45 的相關(guān)要求，并綜合考慮破前漏分析的需要，壓力變送器核電站泄漏監(jiān)測系統(tǒng)需要滿足的主要技術(shù)要求如下：
安全分級：泄漏監(jiān)測系統(tǒng)屬于早期故障監(jiān)測系統(tǒng)，按照其對核電站安全運(yùn)行所起作用的大小進(jìn)行分級。安全分
級必須與使用它們輸出信息的系統(tǒng)相一致。靈敏度：定量監(jiān)測泄漏率的靈敏度不低于 1gpm，泄漏監(jiān)測系統(tǒng)靈敏度還與破前漏應(yīng)用的管道有關(guān)，如果管徑越小，要求的泄漏監(jiān)測系統(tǒng)靈敏度越高。
響應(yīng)時間：儀表系統(tǒng)的響應(yīng)時間小于 1h，不含泄漏擴(kuò)散時間，同時破前漏分析中，疲勞裂紋擴(kuò)展分析結(jié)果證明裂紋擴(kuò)展很慢，總體響應(yīng)時間對泄漏監(jiān)測并不是#重要的影響因素。
多樣性：應(yīng)采用至少兩種不同的泄漏測量方式。
抗震：至少一種監(jiān)測方式滿足抗震要求。
其他要求：必須滿足核電站運(yùn)行期間溫度、濕度和輻射水平的環(huán)境條件，具有靈活的擴(kuò)展功能，具備與其他系統(tǒng)（DCS）接口，方便運(yùn)行人員及時獲取信息。
4 各種方法泄漏監(jiān)測能力小結(jié)
核電站不需要采用上述提及的全部泄漏監(jiān)測方法或手段。然而，由于各種方法在敏感性和反應(yīng)時間上的差異，監(jiān)測手段應(yīng)充分地多樣化，以確保在某些手段的有效性變差甚至完全無效的情況下仍能夠保持有效的監(jiān)測，保證泄漏監(jiān)測的可靠性。表 1 從監(jiān)測靈敏度、可靠性、響應(yīng)時間和定位能力 4 個維度對各種監(jiān)測手段進(jìn)行了評估。
1）E（Excellent）表示如果正確設(shè)計和應(yīng)用，能滿足RG1.45 標(biāo)準(zhǔn)的要求。
2）G（Good）表示可能、勉強(qiáng)能滿足本標(biāo)準(zhǔn)的要求（這需根據(jù)應(yīng)用條件、測點位置和測點數(shù)量而定）。
3）W（weak）表示通常不建議采用，但可用于監(jiān)測特定位置的泄漏。
表 1 中能力的排列順序是根據(jù)這些儀表的運(yùn)行經(jīng)驗的結(jié)果做出的，且排列順序僅為選擇泄漏監(jiān)測儀表提供指導(dǎo)。上述提及的方法或手段是目前壓力變送器核電站泄漏監(jiān)測系統(tǒng)常用的監(jiān)測手段，反應(yīng)了目前的科技水平。早期的泄漏監(jiān)測對預(yù)防事故是非常重要的。因此，核電站應(yīng)不斷地尋求和運(yùn)用泄漏監(jiān)測及定位技術(shù)的改進(jìn)，提升泄漏定量監(jiān)測的精度和泄漏定位監(jiān)測的準(zhǔn)確性。
