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雷达物位计泄漏监测原理及方案研究

作者: 来源: 发布时间:2019-10-26 10:50:23

    摘 要 :本文介绍了雷达物位计的泄漏监测系统设计要求与破前漏分析的关系,通过对高能管道泄漏的物理过程分析,提出了多种可能的泄漏监测手段,并对每种监测手段的监测实现方案、监测能力进行了介绍。不仅可以为雷达物位计的泄漏监测系统设计提供指导,而且当应用破前漏技术对泄漏监测能力提出更高要求的时候,也可以依据本文内容对原有的泄漏监测手段进行优化和改进。

    引言
沙巴体育     核电站运行寿期内,冷却剂系统压力边界上的设备不可避免地因正常运行磨损、机械损伤、化学腐蚀或疲劳而老化,导致反应堆冷却剂系统发生微量的泄漏。冷却剂的泄漏可能会导致硼酸腐蚀,一回路水应力腐蚀破裂和晶间应力腐蚀开裂等现象,进而严重危及到冷却剂系统压力边界的完整性,引发失水事故。

沙巴体育    同时,核电站设计中采用破前漏 [1] 技术,在考虑一定的安全裕量情况下,通过泄漏监测系统测得的泄漏率来反推此时发生泄漏的裂纹长度,进而通过断裂力学分析判断该裂纹是否会失稳,是否会发生双端剪切断裂,泄漏监测是破前漏技术应用的基础。

    为了降低失水事故的风险,且满足破前漏分析的要求,核电站应该设置对应的泄漏监测系统,尽可能提前发现泄漏,并采取适当的措施对泄漏做出响应,以控制不良后果继续蔓延。因此,在核电站的设计中,对于反应堆冷却剂系统等重要的系统或设备,根据法规要求需要设置对应的泄漏监测手段或者系统 [2-4]。

    1 泄漏的物理过程
   雷达物位计的泄漏分为两大类:可确定泄漏和不可确定泄漏。泄漏监测的对象主要是安全壳内一回路和二回路高能管道,破前漏技术应用主要也是针对这些管道开展。
 
    1.1 可确定泄漏收集
    可确定泄漏主要是因阀门密封、设备密封、法兰密封等退化或失效造成。通过有效的监测,可以很好地确定泄漏源和泄漏量,也能够与不确定泄漏进行区分。对重要的可确定泄漏源,应设置泄漏收集和测量系统,收集其源漏出的蒸汽和液体,实现泄漏的定量和定位。可确定泄漏不是破前漏技术关心的。

    1.2 不可确定泄漏的物理过程
    不可确定泄漏主要指管壁(包括焊缝)或承压容器壁的结构发生不可隔离破损引起的泄漏,这些泄漏没有被收集而是释放到安全壳大气中。在破前漏分析中主要关注的是这类泄漏。
    以反应堆冷却剂系统为例,管道出现穿壁裂纹泄漏至安全壳内的过程,大致可划分为 4 个物理过程:

    1)破口处的临界流过程。
    2)水蒸汽在保温层内壁与管道外壁之间的扩散过程。
    3)蒸汽穿过保温层进入设备隔间、安全壳空间内的扩散过程。
    4)液态直接进入地坑,湿空气在冷却盘管表面内冷凝成液体水的过程。

沙巴体育    泄漏在管道破口附近主要发生的物理现象如图 1 所示,主要会引起以下几个对象数值或者状态的变化:

沙巴体育    声音:在管道表面以纵波和横波方式传播,在空气中以纵波方式传播。

    湿度:由于分子热运动加上初始喷射的动能,汽液两相混合物会在管道与保温层之间的间隙内扩散,带来湿度和温度的变化,穿越保温层后弥散到安全壳内也有湿度的变化。

    温度:在泄漏管道表面,泄漏附近的设备隔间都有变化。

    放 射 性: 一 回 路 水 含 各 种 核 素 Ar、Kr、Xe、N-13、N-16、F-18,会引起放射性强度变化。监测放射性可以用来区分一回路与二回路的泄漏。

沙巴体育    化学性质:由于一回路含慢化剂硼酸,释放到安全壳会带来化学性质变化,可以用来区分一回路与二回路的泄漏。

    压力:当泄漏量很大,会引起安全壳内压力的变化。

    图像:由于一、二回路的高温高压的冷却剂喷放过程中与空气能量交换,压力的突降而发生闪蒸,会形成汽雾,持续一段时间后一回路的硼酸会在管道表面形成硼酸结晶。这些现象可以通过巡视或摄像系统观察。

    质量流:两相混合物中的水通过地漏、管道、最终在重力的作用下汇入安全壳地坑,蒸汽则由安全壳内布置的风管吸入,在冷冻水作用下发生冷凝,最终冷凝液进入地坑与破口喷放的两相混合物中的水混合。在泄漏监测系统设计中,可以根据监测精度需要,监测实现的难易程度,针对不同的物理量,采用不同的监测方法。

 

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    在泄漏监测系统设计中,可以根据监测精度需要,监测实现的难易程度,针对不同的物理量,采用不同的监测方法。

    2 泄漏的发展及对应的监测方法
    当雷达物位计高能管道发生泄漏时,针对泄漏的发
展过程,对应的监测方法如图 2 所示。从图 2 中可以看出,可确定泄漏主要发生在阀门密封、主要设备,如反应堆压力容器法兰和封头法兰密封,以及一回路向与相连系统的连接处等。对应不同的泄漏源,通过不同收集管道进行收集和监测。泄漏监测系统必须收集或隔离从可确定泄漏源漏入安全壳的泄漏,以便对可确定泄漏与不可确定泄漏分别进行监测,提升泄漏监测系统对不可确定泄漏的监测精度。

 

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沙巴体育    不可确定泄漏主要指管壁(包括焊缝)或压力容器壁的材料发生破损引起的泄漏。通常有效的监测方法如下:

沙巴体育    1)当发生小破口失水事故时,当高温高压介质从承压边界穿壁裂缝或腐蚀孔逃逸时,将会产生两种声信号 [5] :空气传播的人耳听觉领域内的声波信号;金属边界中传播的应力波信号。这两种信号均是连续性信号,并携带着泄漏点的特征信息(如漏孔形状、大小、位置和泄漏率等)。根据这一特点,声发射技术的基本原理是用灵敏的仪器接收和处理泄漏源的声发射信号。声波信号以纵波的方式在空气中传播,可以利用麦克风采集空气进行泄漏监测。管壁上应力波方式传播通常采用压电陶瓷传感器进行监测,其频带范围是 50kHz ~ 250kHz,主要能量集中在 150kHz左右。通过对声发射源特征参数的分析和研究,推断出材料或结构内部缺陷位置、状态变化程度和发展趋势。

沙巴体育    2)冷却剂在喷射流出的过程中因压力的突降而发生闪蒸,破口流出的介质一般为汽液两相混合物。汽液两相混合物穿越了一回路压力边界,泄压后在保温层内扩散;其蒸汽在管道外壁和保温层之间迅速向两边依次扩散,布置在保温层上的各个温湿度探头会依次探测到扩散的蒸汽,根据探测的湿度发生的先后时间以及探头的布置位置,可以确定发生泄漏的大致位置。

    也可采用 FLÜS 的监测方法 [6],其核心部件“Sensor Tube”是一种多微孔的金属陶瓷部件,安装在要监测的水 /蒸汽管道旁边,能够耐受高温和辐射。当管道或管道上焊缝出现贯穿性裂纹,从管道泄漏的高温蒸汽通过分子扩散运动,通过微孔的金属烧结物进入 Sensor Tube 内,定期用压缩的干空气吹扫,扩散进入 Sensor Tube 的高温蒸汽被吹扫进入末端高灵敏的湿度分析仪来判断是否发生泄漏。

    3)在反应堆运行过程中,当燃料元件破损时或当一回路水及其中的杂质(腐蚀产物)被中子活化,这些情况可使一回路水中包含多种放射性核素。如果冷却剂发生泄漏,这些放射性核素随之泄漏到安全壳中,伴随水的气化形成气载放射性粒子。监测空气中的放射性浓度的变化,也能很好地监测承压边界的泄漏情况。也可以采用常规的热电阻、压力变送器和相对湿度传感器来监测泄漏造成的安全壳大气温度、湿度、压力变化。

沙巴体育    4)蒸汽释放到安全壳大气中,通过强迫对流回到通风管道进入安全壳下部冷却器内,在冷凝盘管处发生结露冷凝,表面的冷凝水靠重力作用汇集到管道。由于在泄漏初期冷凝水液位很低,当破口严重时液位会较高,通常需要选择量程比高(可达 100 倍以上)的质量液位计来测量冷凝物液位。

沙巴体育    最终冷凝液进入地坑与破口喷放的两相混合物中的水混合,在重力作用下直接通过地漏、管道,最终汇入安全壳地坑,通安装液位计来监测液位的变化率来计算泄漏率。

沙巴体育    5)在一回路中,无论可确定泄漏还是不可确定泄漏都会引起一回路水装量变化,在平稳的运行工况下,监测一回路受影响系统内水箱中异常的水位和液位,就可以获得一回路总的泄漏量。由于水装量平衡包含了可确定泄漏和不可确定泄漏,总的泄漏量减去可确定泄漏即可获得不可确定泄漏。

    3 泄漏监测系统技术要求
沙巴体育     雷达物位计中泄漏监测系统的设计要遵循中国的法规 [7],或者参考 RG1.45 的要求 [8],满足核电站安全运行的需要,同时在监测精度、监测范围等方面,还需要考虑破前漏技术的相关要求。结合 RG1.45 的相关要求,并综合考虑破前漏分析的需要,雷达物位计泄漏监测系统需要满足的主要技术要求如下:

沙巴体育    安全分级:泄漏监测系统属于早期故障监测系统,按照其对核电站安全运行所起作用的大小进行分级。安全分级必须与使用它们输出信息的系统相一致。

 

沙巴体育    灵敏度:定量监测泄漏率的灵敏度不低于 1gpm,泄漏监测系统灵敏度还与破前漏应用的管道有关,如果管径越小,要求的泄漏监测系统灵敏度越高。

    响应时间:仪表系统的响应时间小于 1h,不含泄漏扩散时间,同时破前漏分析中,疲劳裂纹扩展分析结果证明裂纹扩展很慢,总体响应时间对泄漏监测并不是最重要的影响因素。

    多样性:应采用至少两种不同的泄漏测量方式。

    抗震:至少一种监测方式满足抗震要求。

    其他要求:必须满足核电站运行期间温度、湿度和辐射水平的环境条件,具有灵活的扩展功能,具备与其他系统(DCS)接口,方便运行人员及时获取信息。

    4 各种方法泄漏监测能力小结
    核电站不需要采用上述提及的全部泄漏监测方法或手段。然而,由于各种方法在敏感性和反应时间上的差异,监测手段应充分地多样化,以确保在某些手段的有效性变差甚至完全无效的情况下仍能够保持有效的监测,保证泄漏监测的可靠性。表 1 从监测灵敏度、可靠性、响应时间和定位能力 4 个维度对各种监测手段进行了评估。

 

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    1)E(Excellent)表示如果正确设计和应用,能满足RG1.45 标准的要求。
    2)G(Good)表示可能、勉强能满足本标准的要求(这需根据应用条件、测点位置和测点数量而定)。
    3)W(weak)表示通常不建议采用,但可用于监测特定位置的泄漏。

沙巴体育    表 1 中能力的排列顺序是根据这些仪表的运行经验的结果做出的,且排列顺序仅为选择泄漏监测仪表提供指导。上述提及的方法或手段是目前雷达物位计泄漏监测系统常用的监测手段,反应了目前的科技水平。早期的泄漏监测对预防事故是非常重要的。因此,核电站应不断地寻求和运用泄漏监测及定位技术的改进,提升泄漏定量监测的精度和泄漏定位监测的准确性。

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