压水堆核电厂管道中不可凝结气体的监测方法

赵延辉，崔婷(1.中广核工程有限公司，广东 深圳 518026；2.中广核工程有限公司核电安全监控技术与装备国家重点实验室，广东 深圳 518172)

0 引言

核电厂不可凝结气体积聚(Non-Condensable Gas Accumulation)的运行事件时有发生，导致系统和设备故障甚至损坏。2008年，美国核管会(NRC)发布公开信GL2008-01[1],要求核电厂执照持有者针对核电厂不可凝结气体积聚提供应对措施。与美国NRC类似，我国核监管当局也同样意识到该问题对核电厂安全的挑战，要求核电厂对不可凝结气体集聚进行评估[2]。因此，有必要针对核电厂不可凝结气体积聚定期或临时监测，确定是否存在意外的气体积聚。如存在则需进一步测量积聚气体体积，分析对系统安全功能的影响，从而为制定纠正行动提供依据。

1 不可凝结气体意外积聚的原因

不可凝结气体积聚运行事件有大量经验反馈[3-5]发生这些事件的原因总结分为三类。

1.1 管道排气不充分

导致气体侵入和积聚的事件大部分与系统和设备检修或运行后对管道排气不充分有关。管道排气不充分原因包括程序手册不完善，排气操作不规范，对气体积聚位置掌握不准确，管道设计缺少合适的高点排气口，排气方法不正确，计划外工作未考虑充分排气等。

1.2 高压饱和含气水泄漏

在高压气体由于隔离边界泄漏而进入下游低压管道时，高压气体在压差作用下逐步泄漏到下游管道，或者高压饱和含气的水由于泄漏到低压系统，因压力降低而析出，并在管道布置的局部高点积聚。阀门泄漏是最普遍的原因。

1.3 不充分的设计

核电厂中高压的气体储罐，例如安注箱(ACC)。事故工况下，ACC会注入到一回路，水排空后ACC中覆盖的氮气则可能注入到一回路中，导致氮气在下游管道积聚。

2 不可凝结气体意外侵入的征兆

不可凝结气体积聚时，电厂会产生一些特殊现象，称为气体侵入的征兆。典型征兆包括[6]：(1)ACC液位意外下降；(2)反应堆冷却系统(RCS)意外泄漏；(3)泵的性能意外退化；(4)系统试验发现的管道意外低压；(5)含气源的系统运行参数意外波动。

电厂应基于其设计和运行评估并记录其气体侵入征兆，一旦发现相关征兆，需要开展监测，以确定气体积聚的体积。

3 不可凝结气体的监测

3.1 不可凝结气体积聚位置

不可凝结气体往往积聚在系统的布置高点处，因此对容易出现气体积聚的位置需要设置仪表和措施进行监测。气体积聚点包括：(1)倒“U”形管；(2)热交换器；(3)阀门；(4)排气点；(5)支管；(6)孔板；(7)管道大小头等。

不可凝结气体的积聚位置应根据现场的实际布置确定。通过现场踏勘的方式，确保设计图纸与现场布置的一致性。

3.2 不可凝结气体量化监测

不可凝结气体的定量测量方法包括充水法、超声波(UT)法、超声导波技术以及上述相互结合的方法。

3.2.1 充水法

对于积聚气体类别确定的位置，测量其初始压力P0和温度T0，将已知体积ΔV的水注入到该含气管道，再次测量压力P1和温度T1。将积聚的气体视为理想气体，通过公式(1)计算原积聚气体体积V0。

注水法需要被测量的系统处于停运状态，管道隔离完好。对于易出现气体积聚的管道，应设置固定的气体监测接口和仪表，以便开展定期或临时的监测。

3.2.2 超声波技术

根据超声波在不同界面的反射和超声波在不同介质中的传播速度，计算可获得被测液体的液位高度。在满水、较少气体和较少液体的情况下，超声波探头应安装在不同位置。依据探头位置和液、气界面的回波之间的时间差和超声波在被测液体中的声速，可计算获得管道中气腔的体积。

液面位置在管道中心以上不满水时，气腔截面为A-C-B围成气体扇形截面面积为：

式中：n为圆心角∠AOB度数；R为管道内径；a为弦长，即图中AB长度；H为气腔高度，即图中CD长度。

而当液面在管道中心以下时，此时J-H-K围成的气体扇形截面面积为：

式中：n为圆心角∠JOK度数；R为管道内径；a为弦长，即图中JK长度；h为管道中心线下方气液面的高度，即图中ON长度。

气体积聚的体积用公式为：

式中：L为气体积聚管道的长度；S为管道的气相截面积。测量前通常需拆装的保温层面积较大以安装传感器。若管道处于放射性环境，则工作人员可能会受到较大的辐照剂量。

不同液面位置的UT测量如表1所示。

表1 不同液面位置的UT测量

3.2.3 导波超声技术

导波超声技术是利用固定在管道上的探头模块发射超声波，在另一端设置接收器。由于声能在水中的耗散远高于在空气中的耗散，管道内的水越多，则接收到的能量越少。反之，气体越多则接受的能量越高。导波超声技术的测量原理示意图如图1所示。

图1 导波超声技术测量原理示意图

导波超声技术可固定在管道上，导线布置方便，可快速地开展周期性检查。导波超声技术需拆卸的保温材料较少，显著降低人员现场工作时间和辐照剂量。导波超声技术可对长管道进行检查。再者，核电厂管道难以接近时，导波装置可以更方便地对管道进行长范围监测。不过，导波超声技术需要校准刻度，标记满管、部分满管以及空管情况下的刻度。这对于安装的精度要求相对较高。

3.3 不同方法对比

充水法原理和操作简单，但适用范围受限制较多；传统超声波技术测量精度较高，但操作复杂，需要操作空间大，拆装保温材料量大，易造成工作人员辐照剂量较高；导波超声技术可以监测长管道，需要拆装保温材料少，适于监测高温高剂量环境下的气体检测，但使用前需要精度校准。三种不同的气体量化监测方法的对比如表2所示。

表2 不同气体测量方法对比

4 结语

为保证压水堆核电厂的安全运行，应对不可凝结气体在管道中的聚集进行监测。本文对不可凝结气体意外积聚原因、气体侵入征兆、潜在积聚位置和对应的监测方法进行了介绍，并针对不同的监测方法开展了对比分析。针对核电厂中产生气体积聚的位置，应设置固定测量接口及可隔离手段，采用充水法进行量化测量；对于具备充分空间，辐照剂量较低的区域，可以采用超声波技术，精确测量管道中积聚的气体体积；而对于空间受限或辐照剂量较高的难以接近区域，则宜采用导波超声进行不可凝结气体的量化测量。