“华龙一号”主蒸汽管道局部泄漏监测系统设计

张 雷，魏华彤，闫桂银

（中国核电工程有限公司，北京 100840）

LBB技术（破前泄漏，Leak Before Break），其基本思想是当管道发生早期泄漏，泄漏量达到一定程度之前，可以通过泄漏监测装置测量出来，这样在管道裂纹扩展到临界裂纹尺寸而突然断裂之前，可以有充裕时间实现安全停堆，对泄漏管道进行修补或更换等处理，以避免管道双端断裂的发生[1]。

LBB技术应用于反应堆冷却剂管道、波动管、安全壳内主蒸汽管道等高能管道，其中一回路反应堆冷却剂管道和波动管LBB技术的应用，其法规要求和检测手段较为完善，而主蒸汽管道LBB技术的应用，属于新的研究领域，目前并没有专门的法规要求，主蒸汽管道的泄漏检测手段也很少，针对二代加 M310堆型，安全壳地坑液位测量作为主蒸汽管道泄漏率定量测量的唯一方法，暂无其他定量测量手段，检测手段较为单一。地坑液位检测通过泄漏蒸汽冷凝后汇集到房间地漏，经地漏传输管线送到安全壳地坑最终收集，通过设置在地坑中的液位仪表判断单位时间内液位高度的变化计算出管道泄漏率。该测量方法过程传输时间较长，无法及时反应主蒸汽管道的泄漏，也无法对主蒸汽管道的泄漏位置进行定位。

“华龙一号”主蒸汽管道局部泄漏监测系统（以下简称主蒸汽泄漏监测系统）为TSM主蒸汽系统中需要采用 LBB技术的主蒸汽管道（蒸发器出口到安全壳贯穿件之间的主蒸汽管道）专门增设的一套泄漏监测系统。主蒸汽泄漏监测系统采用声发射泄漏检测技术，即将声发射传感器测点沿主蒸汽管道进行布置，声发射传感器接收主蒸汽管道泄漏时产生的应力—应变信号，并将信号送入到声发射局部泄漏监测系统控制机柜进行数据分析处理，用于实时监测主蒸汽管道发生的泄漏，当主蒸汽管道泄漏达到一定量时，该系统能够对管道泄漏量进行监测报警并判断出泄漏位置。

1 主蒸汽泄漏监测系统总体设计

1.1 系统主框架设计方案

主蒸汽泄漏监测系统包括声发射传感器、声发射放大器、声发射处理机柜、主蒸汽泄漏监测系统专用软件、同轴电缆和连接器等。主框架设计图如图1所示。

图1 主蒸汽泄漏监测系统示意图Fig.1 Schematic of the main steam line local leakage measuring system

主蒸汽泄漏监测系统设计如下：

（1）“华龙一号”核电厂应用 LBB技术的主蒸汽管道有三条，通过对主焊缝、支吊架、支撑护板等位置的综合分析，SG1（蒸汽发生器1）管路布置4个声发射传感器，SG2（蒸汽发生器2）管路布置12个声发射传感器，SG3（蒸汽发生器3）管路布置10个声发射传感器，共计26个声发射传感器。

（2）声发射传感器安装时为方便检修，避免和管道直接接触造成损坏，采用波导杆的安装方式。在管道上焊接一个波导杆，将声发射信号引到保温层外，声发射传感器再安装到波导杆上。

（3）主蒸汽泄漏监测系统机柜和监测系统软件，根据“华龙一号”核电厂声发射传感器布置实际情况进行研制开发。满足26路声发射传感器的数据采集、显示、分析、处理、报警等功能，同时充分考虑了人因操作和系统管理的便捷性和安全性。最终保证了发生泄漏事故时主蒸汽泄漏监测系统的人机交互能力。

1.2 系统设计原理

管道材料在塑性变形或损伤破坏过程中会释放应变能或产生应力波，声发射泄漏检测方法通过布置在被测对象上的声发射传感器接收到应力-应变信号，并将信号送入到声发射机柜进行数据分析处理，以实现蒸汽泄漏的定量和定位测量[2]。声发射泄漏检测示意图如图 2所示。

图2 声发射泄漏检测示意图Fig.2 Schematic of acoustic emission leakage detection

管道泄漏时，声发射强度信号与管道泄漏率存在如下经验公式[3]：

由于声发射信号在固体介质中传播都将伴随有衰减，声发射信号强度与传播距离呈指数衰减关系[4]，公式如下所示。

a、b、c已知的前提下，当布置在管道上的两台声发射传感器之间发生泄漏时，通过公式换算可实现泄漏率G的定量测量和泄漏位置L的定位测量。

2 主蒸汽泄漏监测系统详细设计

2.1 系统结构设计

主蒸汽泄漏监测系统由声发射传感器、声发射放大器、接线箱、声发射处理机柜、主蒸汽泄漏监测系统专用软件、同轴电缆以及波导杆等安装附件组成，详细设备组成如下。

（1）声发射传感器：26个。SG1（蒸汽发生器1）管道布置4个，SG2（蒸汽发生器2）布置12个，SG3（蒸汽发生器3）布置10个，均布置在RX厂房。

（2）声发射放大器：26个。每个声发射传感器配备一个声发射放大器，均布置在RX厂房。

（3）放大器接线箱（附带电缆密封头）：26个。用于声发射放大器的安装和接线，均布置在R厂房。

（4）声发射处理机柜：1个，控制柜位于L713厂房中。

（5）主蒸汽泄漏监测系统专用软件：用于声发射信号采集、分析处理、人机交互的专用软件。

其他部件：

（6）信号电缆：同轴电缆，用于声发射放大器和声发射处理机柜之间的信号传输，两端为BNC接头，阻抗50 Ω。

（7）BNC接头，SMB接头：若干，阻抗50 Ω。

（8）SMA接头：若干，阻抗50 Ω。

（9）波导杆及探头压件：各26个。波导杆一端预留V锥型坡口，垂直焊接在主蒸汽管道上，另一端安装声发射传感器。

主蒸汽泄漏监测系统设备清单和布置房间如表 1 所示，主蒸汽泄漏监测系统结构设计流程简图如图3所示。

表1 系统设备清单和房间布置Table 1 System equipment and room layout

图3 主蒸汽泄漏监测系统结构设计流程简图Fig.3 Flow chart of main steam line local leakage measuring system

2.2 声发射传感器安装设计

由于声发射传感器直接安装到主蒸汽管道上，一方面主蒸汽管道的高温可能会对传感器产生损坏，缩短声发射传感器寿命，另一方面保温层包裹住声发射仪表，造成检修、更换困难，同时检修人员也将面临热辐射的风险。所以特殊设计的波导杆可将主蒸汽管道的声音信号引出到保温层外进行测量，而不影响测量信号的准确性，同时可以将声发射仪表牢固固定在波导杆上，避免长时间管道振动或地震情况下导致声发射仪表安装松弛对测量产生影响，保障了声发射仪表正常监测功能。

波导杆和声发射传感器采用一体化封装。波导杆一端连接管道，一端连接声发射传感器，可以将管道泄漏产生的声发射信号引导到波导杆后，再传输到波导杆安装的仪表上进行测量[5]。

波导杆本体采用314L不锈钢材质，主要由V锥形坡口（管道焊接端，带一定弧度的V锥坡口便于与管道进行堆焊）、波导杆延长段（从管道外壁穿出保温层）、探头安装平台（侧面加工外螺纹）构成。一端连接管道，一端连接声发射仪表，将高能管道泄漏产生的声发射信号引出到保温层外进行测量。波导杆设计简图如图4所示。

2.3 声发射处理机柜设计

声发射处理机柜是主蒸汽泄漏监测系统的控制中枢，工控机、声发射采集卡、触摸显示屏等核心设备均安装在声发射处理机柜中。声发射处理机柜的设计主要包括前门、前面板、后门、后面板四个部分，如图5所示。

（1）前门：主要用于前面板防护，设置有透明窗口，可以在不开门的情况下监测显示器运行画面。

（2）前面板：主要包括铭牌区、流程图示意区、电源分配盘、工业显示屏安装盘、工控机仓、键盘仓、打印机仓、文件资料仓。

图4 波导杆设计简图Fig.4 Schematic design of waveguide rod

（3）后门：主要用于后面板防护和机柜散热。

（4）后面板：在机柜上部设置有柜内电气附件的安装面板，该安装面板分为三个区：断路器/变压器安装区、插座/端子排安装区、外部信号接口安装区。

图5 声发射处理机柜布置图Fig.5 The layout of the acoustic emission processing cabinet

2.4 保温层优化设计

“华龙一号”核电厂将永久安装单壁保温壳结构改为双壁可拆卸保温壳（见图6）。这样在提高主蒸汽管道保温效果的同时，可以满足声发射泄漏检测的要求，同时拆卸，维护检修都更加方便。

图6 双壁保温壳示意图Fig.6 Schematic of the double wall insulation layer

双壁可拆卸保温壳不能直接贴近管道，利用保温层波形垫片（见图 7）使管道和双壁可拆卸保温盒之间保留15 mm的净空。保温壳内外壁采用不锈钢材质，内壁 0.4 mm、侧壁1.5 mm、外壁1.5 mm，填充材料为散装玻璃棉纤维。

图7 保温层波形垫片示意图Fig.7 Schematic of the insulation layer shim

3 系统先进性和创新点

主蒸汽泄漏监测系统首次将声发射定量（定位）检测技术应用于主蒸汽管道泄漏监测，具有很高的先进性，能够满足“华龙一号”LBB的技术要求。具体先进性如下所示。

（1）主蒸汽泄漏监测系统利用声发射定量和定位检测技术，对主蒸汽管道泄漏进行定量和定位监测，为“华龙一号”主蒸汽管道实施LBB技术要求提供了有力支撑。

（2）主蒸汽泄漏监测系统结构和设备布置按照抗震要求设计，同时通过了EMC、辐照等一系列鉴定试验。系统主要设备选型兼容性好、稳定性高，机柜盘面和柜内布局设计合理、可操性强，能够更好地满足“华龙一号”现场应用需求。

（3）安装到核电厂高能管道并有效传输声发射信号的波导杆组件，为声发射仪表在高能管道上安装、维护、检修提供了有效解决方案。

（4）主蒸汽泄漏监测系统控制硬件选用主流工业用控制设备，软件和硬件数据通信顺畅，稳定性高，可以实现主蒸汽管道泄漏定位和定量测量，定量测量能力达到0.25 gpm。

（5）根据“华龙一号”管道布置和监测要求，提出了合适的测点数量和布置方案，26个测点的布置方案即可满足主蒸汽管道泄漏的监测要求。

4 主蒸汽泄漏监测系统详细设计

本文对主蒸汽管道泄漏监测系统设计从主框架设计、检测原理设计、系统结构设计、传感器安装设计、处理机柜设计、保温层优化设计六个方面进行详细表述。主蒸汽管道局部泄漏监测系统的设计成果已在“华龙一号”工程项目中应用，为LBB技术应用于主蒸汽管道提供了有力支持。主蒸汽管道将具有主动监测机制，可对管道贯穿裂纹处微小泄漏进行监测，进一步避免高能管道双端断裂的风险，既确保核反应堆的安全，也考虑节省防甩件等设施，同时还能降低核反应堆结构的复杂程度和建设费用。