壓水堆核電廠管道中不可凝結(jié)氣體的監(jiān)測方法

趙延輝，崔婷(1.中廣核工程有限公司，廣東 深圳 518026；2.中廣核工程有限公司核電安全監(jiān)控技術(shù)與裝備國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳 518172)

0 引言

核電廠不可凝結(jié)氣體積聚(Non-Condensable Gas Accumulation)的運(yùn)行事件時有發(fā)生，導(dǎo)致系統(tǒng)和設(shè)備故障甚至損壞。2008年，美國核管會(NRC)發(fā)布公開信GL2008-01[1],要求核電廠執(zhí)照持有者針對核電廠不可凝結(jié)氣體積聚提供應(yīng)對措施。與美國NRC類似，我國核監(jiān)管當(dāng)局也同樣意識到該問題對核電廠安全的挑戰(zhàn)，要求核電廠對不可凝結(jié)氣體集聚進(jìn)行評估[2]。因此，有必要針對核電廠不可凝結(jié)氣體積聚定期或臨時監(jiān)測，確定是否存在意外的氣體積聚。如存在則需進(jìn)一步測量積聚氣體體積，分析對系統(tǒng)安全功能的影響，從而為制定糾正行動提供依據(jù)。

1 不可凝結(jié)氣體意外積聚的原因

不可凝結(jié)氣體積聚運(yùn)行事件有大量經(jīng)驗(yàn)反饋[3-5]發(fā)生這些事件的原因總結(jié)分為三類。

1.1 管道排氣不充分

導(dǎo)致氣體侵入和積聚的事件大部分與系統(tǒng)和設(shè)備檢修或運(yùn)行后對管道排氣不充分有關(guān)。管道排氣不充分原因包括程序手冊不完善，排氣操作不規(guī)范，對氣體積聚位置掌握不準(zhǔn)確，管道設(shè)計缺少合適的高點(diǎn)排氣口，排氣方法不正確，計劃外工作未考慮充分排氣等。

1.2 高壓飽和含氣水泄漏

在高壓氣體由于隔離邊界泄漏而進(jìn)入下游低壓管道時，高壓氣體在壓差作用下逐步泄漏到下游管道，或者高壓飽和含氣的水由于泄漏到低壓系統(tǒng)，因壓力降低而析出，并在管道布置的局部高點(diǎn)積聚。閥門泄漏是最普遍的原因。

1.3 不充分的設(shè)計

核電廠中高壓的氣體儲罐，例如安注箱(ACC)。事故工況下，ACC會注入到一回路，水排空后ACC中覆蓋的氮?dú)鈩t可能注入到一回路中，導(dǎo)致氮?dú)庠谙掠喂艿婪e聚。

2 不可凝結(jié)氣體意外侵入的征兆

不可凝結(jié)氣體積聚時，電廠會產(chǎn)生一些特殊現(xiàn)象，稱為氣體侵入的征兆。典型征兆包括[6]：(1)ACC液位意外下降；(2)反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)(RCS)意外泄漏；(3)泵的性能意外退化；(4)系統(tǒng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的管道意外低壓；(5)含氣源的系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)意外波動。

電廠應(yīng)基于其設(shè)計和運(yùn)行評估并記錄其氣體侵入征兆，一旦發(fā)現(xiàn)相關(guān)征兆，需要開展監(jiān)測，以確定氣體積聚的體積。

3 不可凝結(jié)氣體的監(jiān)測

3.1 不可凝結(jié)氣體積聚位置

不可凝結(jié)氣體往往積聚在系統(tǒng)的布置高點(diǎn)處，因此對容易出現(xiàn)氣體積聚的位置需要設(shè)置儀表和措施進(jìn)行監(jiān)測。氣體積聚點(diǎn)包括：(1)倒“U”形管；(2)熱交換器；(3)閥門；(4)排氣點(diǎn)；(5)支管；(6)孔板；(7)管道大小頭等。

不可凝結(jié)氣體的積聚位置應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際布置確定。通過現(xiàn)場踏勘的方式，確保設(shè)計圖紙與現(xiàn)場布置的一致性。

3.2 不可凝結(jié)氣體量化監(jiān)測

不可凝結(jié)氣體的定量測量方法包括充水法、超聲波(UT)法、超聲導(dǎo)波技術(shù)以及上述相互結(jié)合的方法。

3.2.1 充水法

對于積聚氣體類別確定的位置，測量其初始壓力P0和溫度T0，將已知體積ΔV的水注入到該含氣管道，再次測量壓力P1和溫度T1。將積聚的氣體視為理想氣體，通過公式(1)計算原積聚氣體體積V0。

注水法需要被測量的系統(tǒng)處于停運(yùn)狀態(tài)，管道隔離完好。對于易出現(xiàn)氣體積聚的管道，應(yīng)設(shè)置固定的氣體監(jiān)測接口和儀表，以便開展定期或臨時的監(jiān)測。

3.2.2 超聲波技術(shù)

根據(jù)超聲波在不同界面的反射和超聲波在不同介質(zhì)中的傳播速度，計算可獲得被測液體的液位高度。在滿水、較少氣體和較少液體的情況下，超聲波探頭應(yīng)安裝在不同位置。依據(jù)探頭位置和液、氣界面的回波之間的時間差和超聲波在被測液體中的聲速，可計算獲得管道中氣腔的體積。

液面位置在管道中心以上不滿水時，氣腔截面為A-C-B圍成氣體扇形截面面積為：

式中：n為圓心角∠AOB度數(shù)；R為管道內(nèi)徑；a為弦長，即圖中AB長度；H為氣腔高度，即圖中CD長度。

而當(dāng)液面在管道中心以下時，此時J-H-K圍成的氣體扇形截面面積為：

式中：n為圓心角∠JOK度數(shù)；R為管道內(nèi)徑；a為弦長，即圖中JK長度；h為管道中心線下方氣液面的高度，即圖中ON長度。

氣體積聚的體積用公式為：

式中：L為氣體積聚管道的長度；S為管道的氣相截面積。測量前通常需拆裝的保溫層面積較大以安裝傳感器。若管道處于放射性環(huán)境，則工作人員可能會受到較大的輻照劑量。

不同液面位置的UT測量如表1所示。

表1 不同液面位置的UT測量

3.2.3 導(dǎo)波超聲技術(shù)

導(dǎo)波超聲技術(shù)是利用固定在管道上的探頭模塊發(fā)射超聲波，在另一端設(shè)置接收器。由于聲能在水中的耗散遠(yuǎn)高于在空氣中的耗散，管道內(nèi)的水越多，則接收到的能量越少。反之，氣體越多則接受的能量越高。導(dǎo)波超聲技術(shù)的測量原理示意圖如圖1所示。

圖1 導(dǎo)波超聲技術(shù)測量原理示意圖

導(dǎo)波超聲技術(shù)可固定在管道上，導(dǎo)線布置方便，可快速地開展周期性檢查。導(dǎo)波超聲技術(shù)需拆卸的保溫材料較少，顯著降低人員現(xiàn)場工作時間和輻照劑量。導(dǎo)波超聲技術(shù)可對長管道進(jìn)行檢查。再者，核電廠管道難以接近時，導(dǎo)波裝置可以更方便地對管道進(jìn)行長范圍監(jiān)測。不過，導(dǎo)波超聲技術(shù)需要校準(zhǔn)刻度，標(biāo)記滿管、部分滿管以及空管情況下的刻度。這對于安裝的精度要求相對較高。

3.3 不同方法對比

充水法原理和操作簡單，但適用范圍受限制較多；傳統(tǒng)超聲波技術(shù)測量精度較高，但操作復(fù)雜，需要操作空間大，拆裝保溫材料量大，易造成工作人員輻照劑量較高；導(dǎo)波超聲技術(shù)可以監(jiān)測長管道，需要拆裝保溫材料少，適于監(jiān)測高溫高劑量環(huán)境下的氣體檢測，但使用前需要精度校準(zhǔn)。三種不同的氣體量化監(jiān)測方法的對比如表2所示。

表2 不同氣體測量方法對比

4 結(jié)語

為保證壓水堆核電廠的安全運(yùn)行，應(yīng)對不可凝結(jié)氣體在管道中的聚集進(jìn)行監(jiān)測。本文對不可凝結(jié)氣體意外積聚原因、氣體侵入征兆、潛在積聚位置和對應(yīng)的監(jiān)測方法進(jìn)行了介紹，并針對不同的監(jiān)測方法開展了對比分析。針對核電廠中產(chǎn)生氣體積聚的位置，應(yīng)設(shè)置固定測量接口及可隔離手段，采用充水法進(jìn)行量化測量；對于具備充分空間，輻照劑量較低的區(qū)域，可以采用超聲波技術(shù)，精確測量管道中積聚的氣體體積；而對于空間受限或輻照劑量較高的難以接近區(qū)域，則宜采用導(dǎo)波超聲進(jìn)行不可凝結(jié)氣體的量化測量。