“华龙一号”发电机整体气密试验方法分析

陈 康，程晋楠

(中国核工业第五建设有限公司，福建 漳州 363309)

“华龙一号”是我国自主研发设计的第三代核电技术，其中发电机采用隐极式半转速同步发电机，额定运行功率为1200 MW，额定转速1500 r/min。由于氢气有导热系数大、密度低等优点，所以氢冷发电机具有良好的冷却效果和较高的发电效率[1]。“华龙一号”机组发电机采用氢气进行发电机定子铁芯和转子绕组的冷却，发电机氢气控制系统(TGH)通过管道与发电机内部连通，向机内供应氢气。

发电机整体气密试验的主要目的是检验发电机本体及氢气控制系统设备和管道的严密性，确保发电机正式充氢前系统边界的完整性。“华龙一号”机组发电机及氢气控制系统设备和管道容积共143.5 m3，气密试验所用气体为干燥、洁净的压缩空气，试验压力为0.4 MPa，待机内气压稳定后记录大气压力、机内压力、大气温度、机内平均温度、试验持续时间等数据，保压24 h后再根据公式计算气体泄漏量，泄漏空气量应不超过2.6 m3。

1 气密试验方法简要介绍

发电机整体气密试验的主要方法是：1)利用发电机密封油系统的功能，通过密封油将发电机转子和轴承之间的间隙密封住，防止机内气体向外泄露。2)打开氢气控制系统气体供应阀门，向发电机内充入压缩空气。3)气压至0.1 MPa时暂停充气，进行低压状态下检漏。4)低压检漏完毕后，继续充压至发电机内压力0.4 MPa。此时仔细检查发电机本体及配套系统内有无泄漏点，有漏点则排气后进行处理。重复上述1～4步，直至发电机内压力保压24 h气体泄漏量不超过2.6 m3。

虽然发电机整体气密试验的方法主要分为上述4步，但是发电机整体气密试验时每一步操作的方法与时机，查漏和消漏的时机，工序的衔接，如何优化施工逻辑，并且采用合理的安排查漏、消漏方法，都对试验结果有着很大影响。因此，需要在发电机整体气密试验每个步骤寻找合适的方法，优化各个工序之间的施工逻辑，合理高效的安排试验步骤，以达到节约资源、节省工期的目的。

2 施工难点

发电机整体气密试验涉及的系统和回路较多，需同时控制发电机氢气控制系统(TGH)、汽轮机润滑油、顶轴和盘车系统(TTL)、发电机密封油系统(TGO)、发电机氢气控制系统(TGH)的启动和在线操作，边界范围广、管道回路多、阀门众多、仪控设备复杂。其中TGH系统阀门122个，TTL系统边界和阀门114处，TGO系统阀门129个，阀门众多，操作复杂。

按照规范要求，每一次发电机内压力充至0.4 MPa时，需将充气总时间控制在4 h以上，充气速度不能过快，否则可能会造成油氢压差阀来不及动作，使机内压力过大，密封油瓦处密封油外泄。且大部分漏点无法在保压状态处理，需排气进行处理，排气也需要将近2 h的时间。因此需要合理安排气密试验的方法和步骤，利用好每次充气检漏的机会，尽可能提高施工效率，节省工期。

另外，由于发电机整体气密试验是发电机本体安装完成后与氢气控制系统管道第一次进行气密性检验，整个系统内的泄漏点较多，根据“华龙一号”福清核电5号机组气密试验统计，发电机本体漏点8处，氢气控制系统管道漏点19处，氢气控制系统设备漏点17处，密封油系统设备漏点3处，总漏点共47处之多。因此，要想在一次充气的试验周期中检查出全部漏点几乎不可能，所以需分压力、分区域单独进行检查，以便有效的查找漏点并消除漏点。可以说，发电机整体气密试验的最难的地方就是漏点的查找和消漏。福清核电5号机组发电机整体气密试验漏点统计表见表1。

表1 发电机整体气密试验漏点统计表

3 气密试验的两种检漏方法及应用实例

3.1 检漏液检漏法和氦质谱检漏法介绍

检漏液检查漏点的方法是最常用的气密试验查漏方法之一，并且在气密试验的初期阶段，一般都会先采用此种方法进行粗检漏。此种方法的优点是操作简单方便且成本较低，但是此检漏方法的缺点是检漏精度不够高，最高只能检测到泄漏率在1×10-5mbar·L/s以上的泄漏点，对于泄漏率在1×10-5mbar·L/s以下的泄漏点是无法检测出来的。加之发电机整体气密试验是模拟机组运行情况下所做的系统密封性试验，其所涉及的系统较多，检漏范围较广、检漏难度高，传统上的肥皂水及起泡检漏剂检漏可能无法满足发电机整体气密试验需求，这时便需要引入更高检测精度的检漏方法——氦质谱检漏法。氦质谱检漏法的最小可检漏率如图1所示。

检漏方法检漏气体最小可检漏率mbar L/s压强范围能否定量测量升压检漏法空气和其他气体10-4抽真空有限制压强衰减法空气和其他气体10-4正压有限制皂泡检漏法空气和其他气体10-5正压否水泡检漏法空气和其他气体10-4正压有限制超声波检漏空气和其他气体10-2正压/抽真空否热传导检漏空气和其他气体10-5正压/抽真空否吸附检漏法制冷剂和其他气体10-7正压能氦质谱检漏法氦,氢<10-7正压能氦质谱检漏法氦,氢<5×10-12抽真空能

氦质谱检漏技术是检漏领域里不可缺少的一种技术，由于检漏效率高，简便易操作，仪器反应灵敏，精度高，不易受其他气体的干扰，在发电机整体气密试验检漏中得到了广泛应用。真空法、吸枪法是氦质谱检漏仪在检漏中最常用的两种方法。真空法就是把容器内部抽真空，然后连接点喷氦气；吸枪法就是容器内部充入一定量的氦气，然后用吸枪再吸，福清核电1～4号机组发电机整体气密试验氦质谱检漏所使用的方法就是吸枪法。

氦质谱检漏仪(Helium Mass Spectrometer Leak Detector)为气体工业名词术语，用氦气作示漏气体，以气体分析仪检测氦气而进行检漏的质谱仪。氦气的本底噪声低，分子量及粘滞系数小，因而易通过漏孔并易扩散；另外，氦气为惰性气体，不腐蚀设备，故常用氦气作示漏气体。将这种气体喷到接有气体分析仪(调整到仅对氦气起反应的工作状态)的被检容器上，若容器有漏孔，则分析仪即有所反应，从而可知漏孔所在及漏气量大小。

3.2 氦质谱检漏法应用实例

福清核电1～4号机组发电机整体气密试验时，先进行肥皂水、起泡检漏液检查，当检测不出漏点但仍然无法保压后，均采用了氦质谱检漏法进一步检查漏点。

首先，在向机内系统充入高纯度氦气前，须对气密试验范围内(包边界隔离阀)所有需检漏部位(包含发电机本体各人孔门、表计接头、法兰盖板及各部位把合面，系统管路法兰及阀门等)包裹塑料袋(如图2所示)，以便收集各部位所泄漏出来的氦气，使其聚集于袋内便达到一定的浓度，即可通过氦质谱分析仪进行检测。

图2 管路法兰氦气收集袋现场安装图Fig.2 On-site installation of the helium collection bag for the pipeline flange

完成所有需检漏部位氦气收集袋安装工作后，启动密封油系统，然后通过高纯度氦气瓶，经氦气减压阀及自制充氦气管道开始向发电机内充入高纯度氦气至额定气体压力的20%以上(约60 kPa以上)，所需高纯度氦气大约25瓶。

充氦完毕后关闭氦气瓶阀门及充氦气阀门，拆除自制充氦装置并复装压缩空气正式进气管线，再打开压缩空气进气阀，继续充入压缩空气至额定气压300 kPa，关闭进气阀，稳压至少2 h，待氦气与压缩空气充分混合均匀后，开始进行氦质谱检漏工作。

图3 氦质谱检漏仪使用图Fig.3 Operation of the helium mass spectrometer leak detector

氦质谱检漏仪的使用方法：1)检漏前先将吸枪口放置在氦气瓶排气口，略微开启排气阀释放少量氦气以确定检漏仪设备吸枪口未堵塞。2)确认完成后，开始对之前包裹好发电机本体各人孔、法兰、阀门及表计接头的氦气收集袋进行检查。3)在收集袋的中下部位置剪开一小口，将吸枪伸入至收集袋内上部位置开始吸气检查，同时观察操作屏显泄漏率是否发生变化，若泄漏率有明显或大幅度升高变化时，即为工作漏点，当工作漏点较大时，泄漏率超过之前设定好的报警值，检漏仪便会报警。4)针对发电机本体人孔盖板、端盖与机座结合面、上下端盖结合面等发电机机壳结合面部位进行检查时，可将吸枪口放置在待检位置偏上1～2 mm位置处，将吸枪口沿着结合面开始，以20 mm/s速度移动吸枪，同时观察操作屏显泄漏率是否发生变化。如图3所示为氦质谱检漏仪在现场使用。

4 “华龙一号”发电机整体气密试验方法分析

4.1 氦质谱检漏法的启示

福清核电5号机组发电机整体气密试验前，技术人员和施工班组充分吸取福清前期机组气密试验过程中使用氦质谱检漏方法产生的经验反馈，收集在以前试验过程中容易出现的问题，在5号机组正式试验前采取措施提前减少漏点出现的可能。比如，在正式气密试验开始前，对以前机组发生泄漏概率较高的阀门和管道，提前进行单独打压，提前排除此部分阀门和管道漏气的风险。另外，针对现场安装的管线和设备接口，提前做好标记，查漏时注意重点检查此部分接口。

正是由于1～4号机组使用了氦质谱检漏法，使得5号机组通过分析和优化总结前期机组使用氦检中发现的问题后，有针对性的准备5号机组发电机整体气密试验，采用了更好的试验方法，经过采取一些控制措施后，最终还未使用氦质谱检漏方法，就使得5号机组发电机整体气密试验一次成功。

4.2 分压检漏和分区检漏

发电机整体气密试验时，先将发电机压力充至0.1 MPa,此时为低压状态检漏，主要是对较大的漏点进行检查。低压检漏完毕后，将发电机内压力充至额定压力0.4 MPa，此时划分区域仔细检查所有漏点。

低压状态下检漏时，暴露出来的漏点都是比较明显的，检查时比较容易发现。此时，应着重检查法兰螺栓是否把紧，机械和管道的密封垫片是否有损坏，这些位置的漏点一般来说是比较明显的，使用检漏液喷洒这些位置后，会立即产生较多的气泡。发现漏点后，先用记号笔做好标记，而不是发现一个漏点后就立马排气处理。类似螺栓未紧固的这种漏点可以马上紧固螺栓再喷洒检漏液检查是否还有泄漏。法兰密封垫片损坏的漏点，应当尽可能在一天的工作时间内都找出来做好标记，待排气后统一处理，这样可以提高施工效率，节省反复充气排气的时间。图4为密封垫片损坏导致的漏点和螺栓未紧固导致的漏点照片。

图4 密封垫片损坏导致的漏点和螺栓未紧固导致的漏点Fig.4 Leakage points caused by the damaged sealing gasket and untightened bolts

由于低压状态下，发电机及气体系统管道内压力较小，因此细小的焊缝泄漏，阀门内漏等漏点大部分很难发现。待发电机内压力维持在约0.1 MPa(100 kPa)时发电机低压检漏基本查不出漏点时，打开进气阀TGH001VA继续向发电机内充气增压至4 bar。

额定压力状态下查漏时，将发电机本体、TGH设备、TGH管道、TGO设备分为4个大的区域安排人员检漏。主要检查设备及管道的焊缝、仪表接头等位置。因为这些位置的漏点一般较小且难以发现，此时应当安排人员分组作业，分区域进行仔细检漏工作，可以逐步缩小检查范围，以达到事半功倍的效果。此阶段发现的漏点应当用记号笔做好记号，暂不进行处理，等待基本检查不出漏点时，再统一排气处理。

4.3 查漏要点分析和气体泄漏量计算

在发电机升压过程中及保压检漏时，使用装满检漏液或肥皂水的喷壶配合毛刷，对可能存在漏点的位置进行喷涂，重点检查以下部位是否有气体泄漏现象[2]：1)发电机端盖与机座把合面，端盖合缝面；2)发电机各人孔门、堵板，气水油管道阀门、表计接头；3)发电机机壳，氢气冷却器连接处、冷却器包连接处、密封油外罩、人孔等；4)TGH系统设备、管道、法兰、表计接头等位置，特别是气体控制装置、氢气干燥器、氢气和空气循环风机、绝缘过热检测仪、氢气/二氧化碳监测管道。 气体控制装置的一个漏点见图5。

图5 气体控制装置漏点Fig.5 Leakage point of the gas control device

所有漏点全部检查并处理完毕后，向发电机内补充气至4 bar后停止充气开始保压，待压力稳定2 h后再开始读数并记录大气压力、机内压力、机内平均温度等数据，以后每个1 h记录一次数据，保压24 h。

发电机整体气密试验为0.4 MPa，试验气体为干燥洁净的压缩空气，按如下公式计算泄漏量：

式中：V——发电机穿转子后定子的充气容积为142 m3，TGH管道容积为1.5 m3，总容积为143.5 m3;

P0——给定状态下大气的绝对压力，P0=0.1 MPa;

P1——试验开始时机内的气体压力，MPa;

P2——试验结束时机内的气体压力，MPa;

B1——试验开始时大气绝对压力，MPa;

B2——试验结束时大气绝对压力，MPa;

θ0——给定状态下大气绝对温度，θ0=293 K;

θ1——试验开始时机内气体的平均温度，℃;

θ2——试验结束时机内气体的平均温度，℃;

Δt——试验进行的时间，h，本试验为24 h。

验收标准：24 h空气泄漏量不大于2.6 m3。

最终福清核电5号机组发电机整体气密试验保压24 h泄漏量为0.34 m3，远小于设计要求值2.6 m3。

5 改进和优化建议

福清核电5号机组在总结前期1～4号机组整体气密试验经验的基础上，对整体气密试验程序步骤进行了进一步的改进及优化。1)福清核电5号机组整体气密工作将试验检漏工作有条理、有依据地分成“低压状态下气密检漏”及“额定压力下气密检漏”；2)另外 “华龙一号”发电机密封油系统创新性地采用了“双流环式密封”供油原理，5号机组密封瓦结构相比前期机组有所改变，由单流环式密封改为双流环式密封，多了一层密封油进行密封，大大减小了密封瓦处的气体泄漏量。

建议：从整个气密试验过程来看，如果在发电机及气体系统管道安装期间严格管控安装质量、在现场安装的管道焊缝、阀门等，如果在正式安装前提前进行打压，保证安装质量，将能够大大减小气密试验时气体泄漏概率，减小发电机整体气密试验的工作量，避免试验后返修的风险。

6 结论

本文结合“华龙一号”机组发电机整体气密试验方法特点，分析施工难点，在总结前期机组经验反馈的基础上寻找合理的试验方法和步骤，并在福清核电5号机组现场得到了验证。气密试验时，采用分压检测法，先在低压下初步检漏查找较大漏点，额定压力最终检漏消除细小漏点。采用分区检测法，按照区域合理安排人员查找漏点，提高了施工效率；节省了向发电机内反复充气、放气的次数，缩短了工期，保证了发电机整体气密试验在发电机安装结束与调试工作的关键时期能够顺利完成。福清核电5号机组与福清1～4号机组发电机整体气密试验投入资源对照表见表2。

本文中的发电机整体气密试验方法在福清核电5号机组发电机整体气密试验过程中得到了验证，取得了良好效果。福清核电5号机组发电机整体气密试验相比较福清前期机组，缩短工期约半个月，且未使用氦质谱检漏方法，节省了一定的成本，总的来说高效、高质量地完成了发电机整体气密试验工作，证明本文方法行之有效，满足设计要求且能够提高施工效率，希望能为同类电厂发电机整体气密试验提供借鉴和参考。