ENUN 24P乏燃料运输容器排气排水孔盖泄漏检测方法的改进

刘义清，赵枭栋，郑 宇，赵京昌，钟迈豪

(中广核铀业发展有限公司，北京 100029)

乏燃料运输容器包容边界密封性是防止容器内放射性物质泄漏的重要保障[1]，运输容器内盖、内盖上排水排气孔及孔盖属于容器的包容边界，包容边界采用双○型密封圈结构。为保证乏燃料运输安全性，容器装载乏燃料组件后需对包容边界进行氦泄漏检测[2]，如果泄漏率底于标准值，即容器包容边界密封性合格，容器才能运出核电厂燃料厂房并实施乏燃料运输。

ENUN 24P型乏燃料运输容器为国内现有的一种用于运输压水堆17×17型高燃耗乏燃料组件的容器，单个容器可装载24组乏燃料组件，其包容边界排气/排水孔盖(图1)采用双○型金属密封圈结构，由于金属密封圈变形后不可恢复，每次装载乏燃料前都需要更换密封圈并在安装容器内盖后，对内盖、排水排气孔盖密封圈进行氦泄漏检测，当泄漏率低于1×10-7Pa·m3/s时，包容边界密封性合格。

图1 排气/排水孔盖板示意图

2017年在开展ENUN 24P容器调试时，发现容器设计制造单位提供的排气/排水孔盖泄漏检测方法操作复杂，未考虑本底值，且配套的检测工具在操作时存在工具与排气/排水孔盖中心对中困难、操作复杂、无法观察到工具与孔盖连接情况、安装孔盖时容易破坏密封面等问题，操作人员因操作时间过长而增加受照剂量。针对以上问题，研究分析提出一些改进方案，将检测方法及配套的检测工具进行优化改进，以减少测量误差和简化现场操作。

1 原泄漏检测方法存在的问题

1.1 原泄漏检测方法

容器设计制造单位提供的排气/排水孔盖泄漏检测方法如下：

(1)首先检测排气/排水孔盖金属密封圈内圈泄漏率，采用质谱仪法[3]，操作步骤如下：

①将原检测工具(图2)与排气/排水孔盖板连接，通过工具上的提升杆将排气/排水孔盖板提升一定高度，然后通过工具上接口安装转换接头并连接充氦管线，向排气/排水孔盖下方空腔充入0.1 MPa氦气，然后操作提升杆下降排气/排水孔盖，拆除检测工具，拧紧排气/排水孔盖螺栓；

图2 原检测工具剖面图

②将质谱仪探头连接至排气/排水孔盖双○型金属密封圈间的检测孔，开启质谱仪进行泄漏检测，记录泄漏率值I内。

(2)排气/排水孔盖密封圈外圈泄漏率，采用嗅探吸枪法，操作步骤如下：

①在排气/排水孔盖双○型金属密封圈之间的检测孔上连接抽真空装置，将排气/排水孔盖双○型密封圈间空间(512 cm3)抽真空至压力小于1 000 Pa，再拆除抽真空装置，检测孔上连接充氦管线，向双○型密封圈之间的空间充入0.2 MPa的氦气；

②充氦结束后，拆除充氦管线，在质谱仪上连接嗅探器，开启质谱仪，在排气/排水孔盖外移动嗅探器探头进行测量，记录泄漏率值I外。

(3)两次测量的泄漏值相加即得到排气/排水孔盖总的泄漏值。

1.2 存在的问题

(1)检测工具存在的问题

①检测工具由丝套杆、密封罩、质谱仪接口和密封圈组成，其中丝套杆由丝套杆套筒、丝套杆把手、弹簧、螺纹接头和固定手柄组成，主要用于将检测工具与排气/排水孔盖连接并提起孔盖；密封罩及密封圈将工具与孔盖之间的腔体封闭。密封罩为金属结构，无可视窗观察密封罩内排气/排水孔盖与检测工具螺纹接头连接情况，操作人员只能通过多次尝试才能对中连接上，耗时较长。根据现场调试经验，平均每次需要15分钟，如果容器正式装载乏燃料组件后进行该项操作，将增加操作人员的辐射剂量，同时检测工具上的丝套杆进行孔盖提升或下降时，操作人员也无法观察到孔盖是否到位。

②检测工具的丝套杆与孔盖连接时，无法判定丝套杆下部螺纹接头是否安装到位，导致试探性操作极易对密封圈和排气排水孔密封面造成破坏。

③现有的丝套杆采用弹簧压紧设计，在用丝套杆把手操作解除丝套杆与孔盖连接时，弹簧的反作用容易使操作人员受伤。

④密封罩内部高度不够，使得丝套杆提升孔盖时，孔盖提升位置堵住检测工具的质谱仪接口。

(2)检测方法存在的问题

①排气/排水孔盖密封圈内圈泄漏检测时，在未对检测工具内和孔盖下方空间抽真空的情况下，提起排气/排水孔盖后直接向孔盖下方空腔充入氦气，无法保证空间内氦气纯度，使得测量值存在一定误差。

②排气/排水孔盖密封圈外圈泄漏检测时，未进行本底测量，质谱仪嗅探法受人为操作因素和环境中氦气浓度干扰太大[4]，测量值存在较大误差。

2 改进方案

2.1 检测工具改进

针对调试过程中发现的检测工具操作问题，通过调研和设计分析，提出了检测工具的改进方案，具体的改进内容如下：

(1)增加导向销。重新改进设计的检测工具(如图3所示)配套四个大小与排气/排水孔盖安装螺栓相适配的导向销(图3中部件12)。检测前，在排气/排水孔盖上四个对角位置安装四个导向销，导向销长度略长于孔盖提升高度，便于排气排水盖螺栓孔与盖板之间对中，这样检测工具丝套杆下部螺纹接头与排气/排水孔盖连接拧紧的时候，可防止孔盖板旋转滑动而导致操作困难和密封面破坏。

(2)重新改进设计的检测工具在密封罩顶部开一个直径60 mm的防爆可视窗(图3中部件8)，通过防爆可视窗观察到检测工具的丝套杆螺纹接头与排气/排水孔盖中心的对中情况和孔盖板的升降情况，可有效缩短丝套杆与孔盖连接操作时间，减少操作人员辐射剂量。

(3)丝套杆套筒上设计折套焊(焊缝的余高)，当丝套杆被提升时可通过焊缝限制丝套杆提升过度导致排气排水盖板抽风口被堵住。

(4)取消弹簧连接，丝套杆与密封罩之间全部采用螺纹连接密封，避免了弹簧反弹对人造成伤害。

(5)工具高度增加22 mm，原检测工具高度过低导致操作时排气/排水孔盖活动空间过小，提高高度可扩大操作的空间，也有利于对密封罩内部空间的抽真空操作。

(6)在密封罩上安装了一对密封罩手提把手，便于操作人员操作检测工具。

改进后的检测工具及泄漏检测模拟体立体结构分解示意图及相关结构说明如图3所示。

1—固定手柄；2—锁紧螺母；3—锁紧手柄止挡块；4—平头锁紧手柄；5—质谱仪接头；6—丝套杆套筒；7—密封罩手提把手；8—防爆可视窗；9—密封罩；10—丝套杆；11—检测模拟体盖；12—导向销；13—检测模拟体密封圈；14—检测模拟体与盖之间空间；15—检测模拟体本体；16—检测模拟体把手；17—进排气接头。

2.2 检测方法优化改进

为消除排气/排水孔盖密封圈内圈泄漏检测的氦气纯度问题，以及排气/排水孔盖密封圈外圈泄漏检测存在的测量精度问题，研究提出排气/排水孔盖密封圈内圈的泄漏检测过程中增加本底测量、静置环节[5]，排气/排水孔盖密封圈外圈的泄漏检测中增加了本底测量和抽真空过程的改进方案。

(1)排气/排水孔盖密封圈内圈泄漏检测。排气/排水孔盖密封圈内圈的泄漏检测仍采用质谱仪法，但在操作流程中增加了本底测量和静置环节，具体操作流程如下：

①按照原检测方法操作步骤，通过改进后的检测工具向排气/排水孔盖下方空腔充入0.1 MPa氦气；

②安装排气/排水孔盖并固定，在排气/排水孔盖双○型密封圈之间的检测孔上安装连接抽真空装置，抽真空20 min；

③拆除抽真空装置，静置约2 h；

④在检测孔上连接质谱仪，开启质谱仪并检测，待数值稳定不变时，记录读数S1；

⑤断开质谱仪与检测孔的连接，用堵头封堵质谱仪接管口，开始检测，待质谱仪上数值稳定后，记录质谱仪本底读数S0；

⑥则排气/排水孔盖密封圈内圈的泄漏率S内=SCF(S1-S0)×100/C[4]，其中,SCF为系统灵敏度；S0为质谱仪本底读数；S1为检测时质谱仪读数；C为检测用的氦气浓度。

(2)排气/排水孔盖密封圈外圈泄漏检测[6]。为避免人为操作因素和环境氦气的干扰，在排气/排水孔盖密封圈外圈的泄漏检测中增加了本底测量和抽真空过程，操作流程如下：

①改进后的检测工具安装在排气/排水孔盖上，工具上的质谱仪接头连接并开启质谱仪，预热完成后，开始检测，待数值稳定后，记录本底读数S2，拆除检测工具；

②在排气/排水孔盖密封圈检测孔上安装抽真空接头，并与真空泵、压力表、充氦管线连接；

③通过真空泵将排气/排水孔盖双○型密封圈之间空间抽真空至1 000 Pa，并使用充气管线向双○型密封圈之间空间充入0.1 MPa氦气；

④安装排气/排水孔盖螺栓，将改进后的检测工具安装在排气/排水孔盖上；

⑤检测工具上连接质谱仪，预热完成后开始检测，保持10 min，记录质谱仪读数S3；

⑥则排气/排水孔盖密封圈外圈的泄漏率S外=SCF(S3-S2)×100/C。

(3)内、外圈泄漏率相加即得到排气/排水孔盖总的泄漏值。

通过以上改进，可以有效避免原质谱仪嗅探器方法中靠人为手动移动探头造成的不稳定性，提高测量精度。

3 改进后的检测工具功能验证

为验证改进后的检测工具功能是否达到预期目标和满足泄漏检测要求，加工了一套排气/排水孔盖模拟件(图3中部件11和15)进行模拟检测试验，排气/排水孔盖模拟件和检测工具密封盖体采用单层密封圈，试验过程中使用校准漏孔进行质谱仪校准和计算系统灵敏度(标称漏率)，使用模拟漏孔向系统充入模拟泄漏的氦气。

3.1 试验方案

(1)排气/排水孔及孔盖模拟体密封性检验[7]

①按照图3完成改进后的检测工具及排气/排水孔盖模拟件装配，检查各部件装配及活动件运动情况，无卡涩且操作顺畅，进行下一步试验；

②将排气/排水孔及孔盖模拟体装配后，通过进排气接头(图3中部件17)连接真空泵和真空计，将模拟体内部空腔抽真空至小于1 000 Pa，关闭阀门，保压10 min，压力变化量小于100 Pa，则说明排气/排水孔及孔盖模拟体密封性合格。

(2)改进后的检测工具密封性检验

①按照图4组装泄漏检测试验装置，装置由质谱仪、真空显示器、模拟漏孔、校准漏孔和改进后的检测工具及孔盖模拟体组成，其中模拟漏孔采用型号LK-9的渗氦型漏孔，标称漏率为3.75×10-9Pa·m3/s，校准漏孔采用型号FC14000825，标称漏率为1.09×10-8Pa·m3/s；

图4 泄漏检测试验装置

②操作检测工具丝套杆将排气/排水孔盖模拟体提起，通过防爆可视窗(图3中部件8)确认提起到位；

③启动质谱仪预热，达到检测状态；

④开启模拟漏孔，观察并记录质谱仪读数，关闭模拟漏孔，观察并记录质谱仪读数；

⑤操作改进后的检测工具将孔盖模拟体放下，通过防爆可视窗确认落下状态；

⑥开启模拟漏孔，观察并记录质谱仪读数，关闭模拟漏孔，观察并记录质谱仪读数。

两次读数基本一致，则表明改进后的检测工具密封性合格。

(3)改进后的检测工具检测功能验证

①初始校准：保持模拟漏孔关闭，启动质谱仪，记录质谱仪本底读数M2，校准漏孔向检测系统开启后读数M1，计算初始的系统灵敏度：

(1)

式中，PSCF为初始的系统灵敏度，单位为Pa·m3/s；Q校准为校准漏孔漏率，3.75×10-9Pa·m3/s；M1为校准漏孔向被检系统开启后质谱仪读数;M2为检测开始前质谱仪本底读数。

②最终校准：开启模拟漏孔，关闭校准漏孔，记录质谱仪读数为M3，然后重新开启校准漏孔，记录质谱仪读数为M4，进行最终的系统灵敏度测量和计算：

(2)

式中，FSCF为最终的系统灵敏度，单位为Pa·m3/s；Q校准为校准漏孔漏率，1.09×10-8Pa·m3/s；M3为模拟漏孔开启后质谱仪读数；M4为校准漏孔再次向被检系统开启后质谱仪读数。

根据测量泄漏率数值和以上公式计算得到初始的系统灵敏度和最终的系统灵敏度，计算系统灵敏度偏差=(最终系统灵敏度-初始的系统灵敏度)/初始的系统灵敏度，小于35%[4]则表明本试验的泄漏检测系统灵敏度满足要检测要求，本次试验系统灵敏度取值为1.14×10-9Pa·m3/s。

③计算泄漏率

(3)

式中，Q为模拟装置的泄漏率，Pa·m3/s，其他参数含义同前。

3.2 试验结果

经过上述试验测试，排气/排水孔及孔盖模拟体内部空腔压力变化量小于100 Pa，密封性合格，检测工具密封性合格，检测并计算得到的排气排水孔盖模拟体泄漏率Q为3.96×10-9Pa·m3/s，满足泄漏检测要求。

操作时间上，改进后的检测工具组装到与孔盖模拟体连接并提升所用的时间15～20 min，比容器调试时使用原检测工具操作一次缩短10～15 min，依次推算，完成排气/排水孔盖的内外密封圈的测量，将缩短40～60 min。

综上，改进后检测工具操作简便，能有效地加快检测操作，工具密封性和检测功能满足泄漏检测要求，达到预期效果。

4 结论

针对现有ENUN 24P乏燃料运输容器的氦泄漏检测方法存在的问题，提出在排气/排水孔盖密封圈内圈的泄漏检测过程中增加本底测量、静置环节，排气/排水孔盖密封圈外圈的泄漏检测中增加本底测量和抽真空过程，以及改进检测工具等改进措施，并对改进后检测工具的检测功能进行了验证，试验得到的泄漏检测结果满足要求，单次连接操作时间较改进前缩短10～15 min，达到预期效果。检测操作时间缩短，将有效减少操作人员受照剂量，保障人员安全。

目前国内正在使用的NAC-STC型乏燃料运输容器的包容边界与ENUN 24P型容器有类似的密封设计，泄漏检测方法基本一致，因此改进后的检测工具可推广应用于该型号乏燃料运输容器泄漏检测操作。