安全壳试验泄漏率超标原因分析及查漏策略

单 强，陈英瑜，王永超

（中广核核电运营有限公司，广东 深圳 518000）

安全壳试验中出现泄漏率超标将是一个非常棘手的问题。第一，由于安全壳边界范围特别大，其表面积甚至超过一个标准足球场；第二，潜在影响泄漏率结果的因素众多；第三，该试验处于大修关键路径上。每当试验人员面临这种困难而又紧张的局面时，如何快速、准确地定位泄漏点将是一项十分复杂和艰巨的挑战。

1 安全壳试验简介

安全壳作为核电厂最后一道安全屏障，其密封性直接关乎着公众和环境的安全。根据法规要求，安全壳在建成投运前与装料后每10 a 须进行1 次安全壳试验，以保证其整体密封性满足设计要求。

以中国改进型三环路压水堆（CPR1000）机组为例，其安全壳为圆柱形预应力钢筋混凝土构筑物，外径约为37 m，地面上高度约为60 m，壁厚为900 mm，内附钢衬里厚度为6 mm，内部自由体积约为50 000 m3，筒体上不同层高分布着数量众多的贯穿件，根据设计，在核电厂发生一回路失水事故（LOCA）和二回路蒸汽管道、给水管道破裂事故时，安全壳能承受4.2 bar.g 内压，并限制放射性物质向安全壳外泄漏。

有关安全壳整体泄漏率的测量，行业内普遍采用的是绝对质量法[1-3]，经推导，泄漏率可通过求各个实时监测参数（压力、温度、湿度）单位时间内的相对变化，然后再线性合成（叠加）得到。安全壳内在同一时刻，各处的压力可认为是相同的，但温度和湿度差异明显。因此，为准确测量安全壳内的温度和湿度，试验人员把安全壳内的自由空间划分为若干个温度区域和湿度区域，在这些区域内，各点的温湿度可近似地认为是一致的，然后把位于不同区域传感器采集到的数据统一汇集至泄漏率数据采集系统，再通过泄漏率数据分析系统进行实时计算，从而得到安全壳泄漏率结果。

安全壳泄漏率测量系统的基本构架如图1 所示。

2 安全壳泄漏率超标原因分析

安全壳泄漏率的限值十分严苛，以CPR1000 机组为例，其验收标准为：在LOCA 后24 h 内安全壳总的泄漏率小于安全壳内所含气体质量的0.3%，即安全壳在4.2 bar.g 的差压下每小时泄漏量不得超过16 Nm3。相对于表面积约等于一个足球场的安全壳来讲，如果存在一个铅笔芯大小的贯穿孔就会导致泄漏率结果超标。

安全壳试验的边界范围较广，主要包括钢内衬、机械贯穿件、电气贯穿件、人员闸门贯穿件、设备闸门贯穿件及核燃料传输贯穿件等，其中任何一个环节出现异常都有可能导致安全壳泄漏率超标，因此，需根据其各自的结构特点，结合历史经验反馈并逐一分析[4]。

2.1 钢内衬

CPR1000 机组安全壳的密封性主要依靠钢衬里来保证，这些钢板通过焊接拼装构成了安全壳压力边界的主体，包括底板、截锥体、圆柱体和穹顶等。考虑到这些焊缝在建造期间已根据RCC-G《900 MWe 压水堆核电站土建设计与建造规范》进行了100%比例的无损检测，一般可认为通过钢内衬泄漏导致超标的概率是极低的。但假如在内观检查时发现钢内衬出现明显缺陷，包括被外部撞击的痕迹、涂层粉化、剥落，甚至鼓泡开裂、锈蚀等，则需对相关区域进行重点分析，评估损伤情况。

需特别提醒的是，目前的内观检查范围仅针对暴露在外的钢内衬部分，而对于不可达部分暂时还无法检查，随着运行时间的延长，这些不可达位置就存在被腐蚀贯穿的可能，且很难被发现。国外某机组曾在安全壳试验中出现泄漏率超标，经过2 个多月的排查才最终定位了泄漏位置。泄漏点发生在混凝土底板周边的钢衬里部位（图2），这个位置存在局部衬里腐蚀，腐蚀穿孔面积大约为3～10 mm2，可能由于腐蚀面积和伸缩缝间距太小不便于检查的原因，在清除伸缩缝中的填充材料后，内窥镜检查未能发现确切腐蚀点。但通过“底部浸没”条件（试验过程中实际是将底板上部浸没高度为10 cm 的水，对应LOCA 事故工况）下重新进行安全壳密封性试验，结果合格，从而间接证实了泄漏位置。

图2 安全壳底板混凝土结构整体示意图

为避免出现类似异常，应建立对相关伸缩缝区域钢衬里的定期检查措施，以便尽早识别钢衬里是否发生腐蚀减薄现象。

2.2 机械贯穿件

根据安全壳试验的设置原则，机械贯穿件隔离阀上下游会进行排空并联通大气，虽然所有的阀门在试验前都已进行贯穿件试验以验证其密封性，但在相关历史经验反馈中，安全壳换气通风系统（EBA）、安全壳内大气监测系统（ETY）、核岛排气和疏水系统（RPE）等都多次在安全壳试验期间发生隔离阀密封性不严导致泄漏率超标的情况。究其原因，大致可分为如下几类。①密封面存在异物。在大修尤其是工程建设期间，安全壳内存在大量的土建、焊接、切割和打磨等操作，这些作业都会产生大量的粉尘和杂屑，从而通过通风口或设备开口进入到相关系统中去。当然，这些杂屑也有可能来自系统内部，如在某次安全壳试验中，隔离阀密封面位置发现大量铁锈，经分析发现这些异物都是来自系统管道内部因腐蚀而脱落的残渣；②制造工艺不佳。这类情况一般在阀门出现换型或制造商变更时较多，具体表现为贯穿件试验不合格率高，试验结果复现性差，密封面需反复研磨才能达标，止回阀不回座等；③阀门状态错误。在安全壳试验前未正确设置阀门状态，可能是由于人员疏忽或是文件错误，或者是某些需要远动关闭的阀门，其执行机构实际行程未到位，但在主控室显示已隔离关闭。

综上，即便贯穿件隔离阀在安全壳试验前都已进行过贯穿件试验，但由于制造工艺、运行环境、人员疏忽和机械可靠性等多种因素的影响，再加上这些阀门数量庞大（CPR1000 机组共布置84 组机械贯穿件，对应的安全壳隔离阀接近300 个），贯穿件试验结束到安全壳试验开始之间还有一段时间间隔，导致后续出现密封性不严的概率依然较大。因此，一旦出现安全壳泄漏率超标，它们也是最值得关注和排查的对象。

2.3 电气贯穿件

电气贯穿件结构如图3 所示。电气贯穿件安装在钢衬套管内，在安全壳墙壁内外两侧通过2 个钢板密封，电缆通过密封装置穿过这2 块钢板。这一钢衬套管与贯穿件钢衬筒焊接在一起。另外，在安全壳墙壁外侧钢板上，安装有充压和测压装置，可用于实时监视贯穿件内氮气的压力。由于电气贯穿件基本为焊接形式，在安全壳试验期间出现泄漏的可能性并不大，日常期间曾出现过氮气压力下降的案例，经核实是压力表连接处的密封圈老化所致。

2.4 人员闸门、设备闸门、燃料传输通道

这类设备的等效直径较大，其密封效果主要是通过橡胶材质的密封圈来实现的。大修期间，这些设备的使用频率非常高，如果密封圈年久老化或安装不规范，都有可能导致泄漏。此外，还需重点关注闸门上局部贯穿件的密封状态，以往安全壳试验中就出现过内门平衡阀密封圈老化失效、弹簧压紧力不足导致气闸门过渡舱压力异常上涨的情况，如图4 所示。另外，历史上还多次发生闸门密封圈在设备运输时不小心撞击或划伤人员的案例。

图4 电气贯穿件结构示意图

为保证该类设备的密封可靠性，建议采取如下措施：①大修期间增加对闸门密封圈的保护措施，如加装盖板；②试验前确认各橡胶圈的老化情况，必要时更换新的橡胶圈；③试验前确认各平衡阀的弹簧压紧力设置是否正确；④试验前安全壳正式关门后加做一次密封性验证试验；⑤试验前核实局部贯穿件各仪表阀的状态设置是否正确。

2.5 蒸汽发生器（SG）二次侧

SG 二次侧属于安全壳试验的承压边界，国外经验反馈曾出现过SG 二次侧泄漏导致安全壳泄漏率超标的案例，为保证泄漏率计算的准确性，在安全壳试验期间须采取一定的措施避免向水-蒸气的二回路泄漏。

目前较普遍的做法是在试验期间维持SG 二次侧和安全壳内的压力基本相等，以此消除这种干扰。但在试验中常常出现二次侧边界阀门内漏导致压力下降的现象，这就需密切关注二次侧压力并及时对其补气至额定压力。

2.6 压力测量管线

根据泄漏率计算式可知，安全壳压力的测量参数是最关键的，为准确地测量，除了使用高精度的压力计，还需对压力测量管线进行严格的密封性试验，这里需特别注意的是，因为完整的压力测量通道不仅包括现场固定的管线，还包括压力计所使用的转接头、软管等配件，在压力测量管线密封性试验合格后最好不要改变系统连接状态，做好隔离、防止被误碰的措施，否则需重新对整个管路进行密封性试验。

2.7 泄漏率测量系统

根据前文介绍，安全壳泄漏率是通过泄漏率测量和分析系统实施采集和计算的，但有时计算结果显示“泄漏率超标”并非是安全壳密封状态的真实体现，而是由于泄漏率测量系统自身出现故障所致，包括温度或湿度探头数值失真、软件参数设置错误等，这就要求泄漏率测量人员一定要精通测量原理和系统设备，可在第一时间判断和消除故障。

3 安全壳试验查漏策略

考虑到导致安全壳泄漏率超标的原因非常复杂，为快速、准确地定位泄漏点，应根据故障发生概率、最佳查漏窗口、人力优化配置等维度综合考虑来制定查漏策略，具体如下。

3.1 故障发生概率

通过前文对泄漏率超标可能原因进行分类，结合历史经验反馈数据库，可将这些故障发生的概率进行统计（图5），并根据概率大小分为高、中、低3 个等级（图6），为后续查漏检查时设置优先级提供了依据。

图5 泄漏量超标故障发生概率统计

图6 泄漏量超标故障发生概率分级

3.2 最佳查漏窗口

典型的安全壳试验压力曲线如图7 所示，为保证查漏效率与试验工期，查漏策略依次在上行阶段设置了3 个查漏窗口，主要遵循如下原则。查漏窗口应尽量前提，越早发现异常，越有利于后续的处理；查漏与故障处理最好不影响试验的连续性；安全壳内外有一定的差压，便于试验人员识别泄漏点；查漏期间安全壳压力不超过听音检查人员承压锻炼的上限。

图7 安全壳试验压力曲线示意图

3.2.1 0 bar.g 查漏窗口

在安全壳关闭所有闸门、正式隔离完成后应立刻开始0 bar.g 平台的泄漏率计算，主要目的为：①检验泄漏率采集分析系统所有设备的运行状态是否良好，如安全壳内各探头的显示是否正常，这个窗口进行更换相对方便；②通过计算泄漏率，可对安全壳初始的密封状态有一个基本的判定。虽然这个阶段安全壳内外的差压很小（此时安全壳内压力应比周围辅助厂房的压力稍低），但依然可通过剔除温、湿度影响后的压力变化趋势判断是否存在较大的漏孔。

3.2.2 0.5 bar.g 查漏窗口

如果0 bar.g 平台的泄漏率计算判断有泄漏，此时无需暂停安全壳试验，试验可按正常流程开始充压，同时查漏小组可进行必要的准备工作。待安全壳内压力达到0.5 bar.g 时，便可直接开始安全壳岛外查漏操作，这样安排即保证了充分的准备时间，也避免了关键路径时间的延误。

3.2.3 1 bar.g 查漏窗口

1 bar.g 平台是安全壳试验中特别关键的一个环节，假如在该平台经换算后的泄漏率结果合格，那么由于升压至设计压力的过程中安全壳密封状态基本不会发生改变，根据安全壳漏孔的泄漏特性，其设计压力平台泄漏率结果也会合格。假如这个平台的泄漏率结果不合格，那么须在该平台找到漏点并处理完毕后才可继续升压。

经安全壳岛外查漏并处理完毕后，假如泄漏率仍不合格，则需启动岛内听音检查。由于此时安全壳内所有机械设备已断电隔离，安全壳外高功率泵（如反应堆和乏燃料水池冷却和处理系统（PTR）泵）也会暂时停运，壳内环境非常安静，检查人员可通过用耳朵听的方式发现泄漏点，但由于安全壳内属高气压环境，需对相应的高气压风险进行预防，进岛人员须是经承压锻炼合格的人员。

考虑更为极端的情况，假如按上述步骤检查完毕后仍未发现泄漏点，则需考虑扩大查漏范围，主要的方向包括以下内容。①结合C 类试验结果，对进行过解体维修或泄漏率值偏大的阀门所属贯穿件优先通过新增对空点或扩边界隔离的方式进行定向查漏，直至覆盖所有贯穿件边界；②结合内外观检查结果，对安全壳结构进行检查，重点检查贯穿件处孔洞与壳体结构结合部及安全壳结构敏感区域。

3.3 查漏人员优化配置

查漏小组成员一般由安全壳试验各子项工作组成员兼任，数量十分有限，并在试验初期各子项的工作安排已非常紧凑，如果再参与后续的查漏工作，对他们的体力将是极大的考验。另一方面，查漏工作应根据被检查对象类型分组同时进行，因此，查漏策略在安排人员时应综合考虑各子项的工作窗口及检查人员的专业技能背景，有助于提高查漏效率与检查质量。

综合考虑以上因素，优化后的安全壳试验查漏整体策略如图8 所示。

图8 安全壳试验查漏整体策略

4 总结与展望

该安全壳试验查漏策略已成功应用，多次在大修实践中帮助试验人员快速、准确地定位到泄漏点，节省了大修关键路径时间，保障了试验的顺利进行。

考虑到查漏阶段如果安全壳边界有些区域暂时不可达（辐射剂量率较高、需脚手架等），仅依靠目视、听音等传统方式可能会对查漏进程带来一定程度的延误。为突破这种局限性，试验人员正积极跟踪泄漏检测行业最新的技术发展趋势，并创造性地与安全壳试验应用场景相结合，未来着重在如下几个方向展开研究。①利用红外成像检漏技术，能够非常直观地对泄漏源进行检测和定位[4]，特别适合安全壳不可达区域的检查；②采用氦气作为示踪剂，按照一定比例充压到安全壳内，利用电厂辐射监测系统（KRT）在安全壳厂房周围的分布特点，捕捉从安全壳泄漏出来的气体量，分析判断泄漏区域[5]；③引入基于无线传输声发射泄漏检测新技术，通过传感器捕捉在安全壳出现漏孔时声发射源释放的应变能，采用传感器三角形蜂窝状布局组网，利用波束形成定位法和互相关强度普定位法实现安全壳整体泄漏的缺陷定位[6]。

随着上述研究成果的逐步应用，未来可进一步提高泄漏定位效率，丰富泄漏检查手段，为后续查漏策略的不断完善打下良好的基础。