声发射在核电厂二回路阀门内漏检测中的应用

马咏 邱宪苗 丁兆建 梁广学

摘  要：核电厂二回路管道系统中使用了大量的关断型阀门，其中重要蒸汽与给水阀门的参数相对较高，一旦内漏，不仅直接影响机组出力，还会造成阀后管道的气蚀、闪蒸、液滴冲击及流动加速腐蚀等老化问题。本文介绍了声发射内漏检测法在核电现场的应用，并基于理论公式及试验数据评估出内漏量，为电厂开展基于状态的维修提供了指导，在提高机组出力的同时，减少了维修成本。

关键词：声发射  阀门  内漏  老化机理  监测

中图分类号：TL38                            文献标识码：A                  文章编号：1674-098X（2021）05（c）-0045-03

Application of Acoustic Emission Method in Internal Leakage Detection of Secondary Loop Valves in Nuclear Power Plant

MA Yong  QIU Xianmiao  DING Zhaojian  LIANG Guangxue

（Guangxi Fangchenggang Nuclear Power Plant， Fangchenggang， Guangxi Zhuang Autonomous Region， 538001  China）

Abstract：A large number of shut-off valves are used in the secondary pipeline system of nuclear power plant， among which the parameters of important steam and feed water valves are relatively high. Once the internal leakage not only directly affects the output of the unit， but also causes aging problems such as cavitation， flash， droplet impact and flow accelerated corrosion of the pipeline behind the valve. This paper introduces the application of acoustic emission internal leakage detection method in nuclear power field， and evaluates the internal leakage based on theoretical formula and test data， which provides guidance for the state-based maintenance of power plant， and reduces the maintenance cost while increasing the unit output.

Key Words： Acoustic emission; Valve; Internal leakage; Aging mechanism; Monitoring

核電厂常规岛蒸汽与给水系统中使用了大量的关断型阀门，这些阀门一旦发生内漏，将可能造成安全事故及机组出力不足的问题。此外，在高能的二回路管道系统中，阀门一旦发生内漏，还将引发一系列的腐蚀问题，形成更加隐蔽的缺陷。因此，阀门内漏长期以来一直是核电厂安全与经济运行的关注技术问题。

1  阀门内漏的危害

阀门内漏不仅将造成高品质工质的浪费以及安全风险，还将造成阀门上下游压降过大，而引发一系列的潜在腐蚀老化问题，如气蚀、闪蒸、液滴冲击侵蚀[1]及流动加速腐蚀，这些老化降质如不能被及时探测到，一旦失效将可能造成严重的安全生产事故[2]。

1.1  气蚀

气蚀也称为空泡腐蚀，当流体通过阀门泄漏形成的通道时，流体的流速增大，压力减小。当压力低于液体在该温度下的饱和蒸汽压时，液体蒸发为小气泡。当气泡到达高压区时将迅速崩溃，产生局部真空后导致阀门下游金属管道表面产生损伤。气蚀过程中压力与距离的关系见图1。

1.2 闪蒸

当高压液流通过阀门泄漏区域时产生剧烈的压降而形成气泡，由于下游压力低于饱和蒸汽压，气泡并不发生崩溃，产生比液体平均密度低得多的两相混合流，这将使下游流体的流速大大增加，高速液体冲击将对管道及其部件产生闪蒸损伤。闪蒸过程中压力变化与距离之间的关系见图2。

1.3 液滴冲击侵蚀

阀门泄漏流体中的高速流体或者包含液滴的两相蒸汽冲击下游管道表面，将造成液滴冲击侵蚀（LDE），如液滴直径足够大并且速度足够高，将会产生表面破坏。

1.4 流动加速腐蚀

流动加速腐蚀（FAC）是碳钢或低合金钢表面氧化膜溶进流动的水或者汽水混合物中，氧化膜变薄且保护性降低，同时腐蚀速率增加，最后腐蚀速率等于溶解速率并保持恒定的一个过程。当阀门发生内漏时，内漏处的流速、温度可能使下游管道对FAC的敏感性加强。

2  现有管理手段的不足

核电厂在阀门内漏检测时通常采用上下游温度比较法，即通过测温枪对阀门上下游邻近管道本体进行温度测量。通常，当阀门下游温度明显低于上游温度时，可判断阀门未发生内漏;当阀门下游温度接近上游温度时，判断阀门可能存在内漏。然而以上方法存在一定的局限性：（1）当阀门上下游温度本来就接近时，该方法难以有效判断出阀门是否发生内漏;（2）当阀门为非水平安装时，即使发生内漏，造成下游临近管道温度的提高也有限;（3）当介质本身不引起管系温度差异时，如常温介质、气体介质，温度判断法将无法使用;（4）仅能做定性判断，无法评估内漏量，对检修的指导性不强。为了有效提高核电厂阀门内漏的检测与评估能力，有必要采用更加先进的检测方法。

3  声发射阀门内漏检测原理

由于高能管道泄漏时会发出声信号，因此使用常规听音检测理论是可行的。然而，核电厂现场设备繁多，环境干扰信号将严重影响常规的听音检测的准确性。而声发射是一种来自于材料内部，由于突然释放应变能而形成的弹性应力波[3-4]。在一定压差下，阀门内漏时将会发出声发射信号，通过高灵敏度的声发射传感器接收后转化为电信号，对电信号进行分析可判断阀门是否存在泄漏。此外，通过理论分析与试验数据，可进一步计算出泄漏率[5]。

4  现场实施

4.1 检测流程

使用声发射法检测阀门内漏时，流程主要如下：（1）确保阀门是关闭状态，上下游存在足够壓差，以产生湍流。（2）打磨阀门本体外壳及上下游管道上的疏松铁锈，在探头上涂抹耦合剂，并将其用力按压在测点上。上下游测点应距离阀门0.5～1m。对于温度较高的阀门，可在探头上连接专用的波导杆进行检测。（3）进行检测，记录稳定后的数值。（4）通过将读数信息与实验室数据库进行对比，判断是否泄漏及其泄漏率。（5）根据泄漏量对机组安全性与经济性的影响，结合电厂检修计划，在合适的窗口执行阀门维修。

4.2 测试方法

在电厂现场测试阀门内漏时，应注意烫伤、误碰以及走错间隔等工作风险。为保证现场测试的准确性，现场上下游测点应距离阀门0.5～1m，阀门本体上可多测几个点，以最高值作为阀门本体值。测量数据为平均信号电平（ASL）。

4.3 检测结果

若阀门有泄漏，通常阀门下游读数明显高于阀门上游读数（大约高5～10dB）。该检测手段仪器便携，可进行在线检测或监测[6]。对核电厂汽轮机旁路排放系统（GCT）阀门检测的结果见表1。

5  结语

通过声发射方法检测了核电厂二回路汽水管道重要阀门的内漏，阀门解体检查结果显示该方法可靠有效。与电厂常规方法进行比对，声发射法不仅检测速率快，结果准确，还能应用于温度法不能检测的领域。

声发射法可一定程度上计算出现场泄漏率，但该数据需要搭建专门的试验台架进行核实验证。为更好地对现场汽水阀门进行内漏检测，降低泄漏率评估误差，建议进一步开展试验工作以不断优化定量评估能力。

参考文献

[1] 申罡.核电厂二回路冷却系统的冲蚀管理[J].腐蚀与防护，2018，39（7）：535-538.

[2] 李程，李强，罗林，等.阀门内漏原因的分析及解决方案[J].化工管理，2021（7）：132-133.

[3] 李伟，马云栋，蒋鹏，等.基于声学检测系统理论的输油管道阀门内漏问题分析[J].压力容器，2017，34（12）：55-62.

[4] 吴猛猛，董秀臣，孙团.基于声发射的舰船管路阀门内漏检测技术研究[J].重庆理工大学学报：自然科学，2019，33（9）：166-169.

[5] 雷红祥.基于声发射的天然气管道阀门内漏检测技术研究[D].北京：中国石油大学，2017.

[6] 张庚.天然气管道阀门内漏流量与声发射信号特征量化关系实验研究[D].北京：中国石油大学，2018.