摘 要 ：本文介紹了壓力變送器核電站的泄漏監測系統設計要求與破前漏分析的關(guān)系，通過(guò)對高能管道泄漏的物理過(guò)程分析，提出了多種可能的泄漏監測手段，并對每種監測手段的監測實(shí)現方案、監測能力進(jìn)行了介紹。不僅可以為壓力變送器核電站的泄漏監測系統設計提供指導，而且當應用破前漏技術(shù)對泄漏監測能力提出更高要求的時(shí)候，也可以依據本文內容對原有的泄漏監測手段進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。
0 引言
核電站運行壽期內，冷卻劑系統壓力邊界上的設備不可避免地因正常運行磨損、機械損傷、化學(xué)腐蝕或疲勞而老化，導致反應堆冷卻劑系統發(fā)生微量的泄漏。冷卻劑的泄漏可能會(huì )導致硼酸腐蝕，一回路水應力腐蝕破裂和晶間應力腐蝕開(kāi)裂等現象，進(jìn)而嚴重危及到冷卻劑系統壓力邊界的完整性，引發(fā)失水事故。
同時(shí)，核電站設計中采用破前漏[1]技術(shù)，在考慮一定的安全裕量情況下，通過(guò)泄漏監測系統測得的泄漏率來(lái)反推此時(shí)發(fā)生泄漏的裂紋長(cháng)度，進(jìn)而通過(guò)斷裂力學(xué)分析判斷該裂紋是否會(huì )失穩，是否會(huì )發(fā)生雙端剪切斷裂，泄漏監測是破前漏技術(shù)應用的基礎。
為了降低失水事故的風(fēng)險，且滿(mǎn)足破前漏分析的要求，核電站應該設置對應的泄漏監測系統，盡可能提前發(fā)現泄漏，并采取適當的措施對泄漏做出響應，以控制不良后果繼續蔓延。因此，在核電站的設計中，對于反應堆冷卻系統等重要的系統或設備，根據法規要求需要設置對應的泄漏監測手段或者系統
[2-4] 。
1 泄漏的物理過(guò)程
壓力變送器核電站的泄漏分為兩大類(lèi)：可確定泄漏和不可確定泄漏。泄漏監測的對象主要是安全殼內一回路和二回路高能管道，破前漏技術(shù)應用主要也是針對這些管道開(kāi)展。
1.1 可確定泄漏收集
可確定泄漏主要是因閥門(mén)密封、設備密封、法蘭密封等退化或失效造成。通過(guò)有效的監測，可以很好地確定泄漏源和泄漏量，也能夠與不確定泄漏進(jìn)行區分。對重要的可確定泄漏源，應設置泄漏收集和測量系統，收集其源漏出的蒸汽和液體，實(shí)現泄漏的定量和定位�？纱_定泄漏不是破前漏技術(shù)關(guān)心的。
1.2 不可確定泄漏的物理過(guò)程
不可確定泄漏主要指管壁（包括焊縫）或承壓容器壁的結構發(fā)生不可隔離破損引起的泄漏，這些泄漏沒(méi)有被收集而是釋放到安全殼大氣中。在破前漏分析中主要關(guān)注的是這類(lèi)泄漏。
以反應堆冷卻劑系統為例，管道出現穿壁裂紋泄漏至安全殼內的過(guò)程，大致可劃分為 4 個(gè)物理過(guò)程：
1）破口處的臨界流過(guò)程。
2）水蒸汽在保溫層內壁與管道外壁之間的擴散過(guò)程。
3）蒸汽穿過(guò)保溫層進(jìn)入設備隔間、安全殼空間內的擴散過(guò)程。
4）液態(tài)直接進(jìn)入地坑，濕空氣在冷卻盤(pán)管表面內冷凝成液體水的過(guò)程。泄漏在管道破口附近主要發(fā)生的物理現象如圖 1 所示，主要會(huì )引起以下幾個(gè)對象數值或者狀態(tài)的變化：
聲音：在管道表面以縱波和橫波方式傳播，在空氣中以縱波方式傳播。
濕度：由于分子熱運動(dòng)加上初始噴射的動(dòng)能，汽液兩相混合物會(huì )在管道與保溫層之間的間隙內擴散，帶來(lái)濕度和溫度的變化，穿越保溫層后彌散到安全殼內也有濕度的變化。
溫度：在泄漏管道表面，泄漏附近的設備隔間都有變化。
放射性：一回路水含各種核素 Ar、Kr、Xe、N-13、N-16、F-18，會(huì )引起放射性強度變化。監測放射性可以用來(lái)區分一回路與二回路的泄漏。
化學(xué)性質(zhì)：由于一回路含慢化劑硼酸，釋放到安全殼會(huì )帶來(lái)化學(xué)性質(zhì)變化，可以用來(lái)區分一回路與二回路的泄漏。壓力：當泄漏量很大，會(huì )引起安全殼內壓力的變化。圖像：由于一、二回路的高溫高壓的冷卻劑噴放過(guò)程中與空氣能量交換，壓力的突降而發(fā)生閃蒸，會(huì )形成汽霧，持續一段時(shí)間后一回路的硼酸會(huì )在管道表面形成硼酸結晶。這些現象可以通過(guò)巡視或攝像系統觀(guān)察。質(zhì)量流：兩相混合物中的水通過(guò)地漏、管道、#終在
重力的作用下匯入安全殼地坑，蒸汽則由安全殼內布置的風(fēng)管吸入，在冷凍水作用下發(fā)生冷凝，#終冷凝液進(jìn)入地坑與破口噴放的兩相混合物中的水混合。在泄漏監測系統設計中，可以根據監測精度需要，監測實(shí)現的難易程度，針對不同的物理量，采用不同的監測方法。
2 泄漏的發(fā)展及對應的監測方法
當壓力變送器核電站高能管道發(fā)生泄漏時(shí)，針對泄漏的發(fā)展過(guò)程，對應的監測方法如圖 2 所示。從圖 2 中可以看出，可確定泄漏主要發(fā)生在閥門(mén)密封、主要設備，如反應堆壓力容器法蘭和封頭法蘭密封，以及一回路向與相連系統的連接處等。對應不同的泄漏源，通過(guò)不同收集管道進(jìn)行收集和監測。泄漏監測系統必須收集或隔離從可確定泄漏源漏入安全殼的泄漏，以便對可確定泄漏與不可確定泄漏分別進(jìn)行監測，提升泄漏監測系統對不可確定泄漏的監測精度。
不可確定泄漏主要指管壁（包括焊縫）或壓力容器壁的材料發(fā)生破損引起的泄漏。通常有效的監測方法如下：
1）當發(fā)生小破口失水事故時(shí)，當高溫高壓介質(zhì)從承壓邊界穿壁裂縫或腐蝕孔逃逸時(shí)，將會(huì )產(chǎn)生兩種聲信號[5]：空氣傳播的人耳聽(tīng)覺(jué)領(lǐng)域內的聲波信號；金屬邊界中傳播的應力波信號。這兩種信號均是連續性信號，并攜帶著(zhù)泄漏點(diǎn)的特征信息（如漏孔形狀、大小、位置和泄漏率等）。根據這一特點(diǎn)，聲發(fā)射技術(shù)的基本原理是用靈敏的儀器接收和處理泄漏源的聲發(fā)射信號。聲波信號以縱波的方式在空氣中傳播，可以利用麥克風(fēng)采集空氣進(jìn)行泄漏監測。管壁上應力波方式傳播通常采用壓電陶瓷傳感器進(jìn)行監測，
其頻帶范圍是 50kHz ～ 250kHz，主要能量集中在 150kHz左右。通過(guò)對聲發(fā)射源特征參數的分析和研究，推斷出材料或結構內部缺陷位置、狀態(tài)變化程度和發(fā)展趨勢。
2）冷卻劑在噴射流出的過(guò)程中因壓力的突降而發(fā)生閃蒸，破口流出的介質(zhì)一般為汽液兩相混合物。汽液兩相混合物穿越了一回路壓力邊界，泄壓后在保溫層內擴散；其蒸汽在管道外壁和保溫層之間迅速向兩邊依次擴散，布置在保溫層上的各個(gè)溫濕度探頭會(huì )依次探測到擴散的蒸汽，根據探測的濕度發(fā)生的先后時(shí)間以及探頭的布置位置，可以確定發(fā)生泄漏的大致位置。
也可采用 FLÜS 的監測方法[6] ，其核心部件“SensorTube”是一種多微孔的金屬陶瓷部件，安裝在要監測的水 /蒸汽管道旁邊，能夠耐受高溫和輻射。當管道或管道上焊縫出現貫穿性裂紋，從管道泄漏的高溫蒸汽通過(guò)分子擴散運動(dòng)，通過(guò)微孔的金屬燒結物進(jìn)入 Sensor Tube 內，定期用壓縮的干空氣吹掃，擴散進(jìn)入 Sensor Tube 的高溫蒸汽被吹掃進(jìn)入末端高靈敏的濕度分析儀來(lái)判斷是否發(fā)生泄漏。
3）在反應堆運行過(guò)程中，當燃料元件破損時(shí)或當一回路水及其中的雜質(zhì)（腐蝕產(chǎn)物）被中子活化，這些情況可使一回路水中包含多種放射性核素。如果冷卻劑發(fā)生泄漏，這些放射性核素隨之泄漏到安全殼中，伴隨水的氣化形成氣載放射性粒子。監測空氣中的放射性濃度的變化，也能很好地監測承壓邊界的泄漏情況。也可以采用常規的熱電阻、
壓力變送器和相對濕度傳感器來(lái)監測泄漏造成的安全殼大氣溫度、濕度、壓力變化。
4）蒸汽釋放到安全殼大氣中，通過(guò)強迫對流回到通風(fēng)管道進(jìn)入安全殼下部冷卻器內，在冷凝盤(pán)管處發(fā)生結潞娩凝，表面的冷凝水靠重力作用匯集到管道。由于在泄漏初期冷凝水流量很低，當破口嚴重時(shí)流量會(huì )較高，通常需要選擇量程比高（可達 100 倍以上）的質(zhì)量流量計來(lái)測量冷凝物流量。
#終冷凝液進(jìn)入地坑與破口噴放的兩相混合物中的水混合，在重力作用下直接通過(guò)地漏、管道，#終匯入安全殼地坑，通安裝液位計來(lái)監測液位的變化率來(lái)計算泄漏率。
5）在一回路中，無(wú)論可確定泄漏還是不可確定泄漏都會(huì )引起一回路水裝量變化，在平穩的運行工況下，監測一回路受影響系統內水箱中異常的水位和流量，就可以獲得一回路總的泄漏量。由于水裝量平衡包含了可確定泄漏和不可確定泄漏，總的泄漏量減去可確定泄漏即可獲得不可確定泄漏。
3 泄漏監測系統技術(shù)要求
壓力變送器核電站中泄漏監測系統的設計要遵循中國的法規[7] ，或者參考 RG1.45 的要求 [8] ，滿(mǎn)足核電站安全運行的需要，同時(shí)在監測精度、監測范圍等方面，還需要考慮破前漏技術(shù)的相關(guān)要求。結合 RG1.45 的相關(guān)要求，并綜合考慮破前漏分析的需要，壓力變送器核電站泄漏監測系統需要滿(mǎn)足的主要技術(shù)要求如下：
安全分級：泄漏監測系統屬于早期故障監測系統，按照其對核電站安全運行所起作用的大小進(jìn)行分級。安全分
級必須與使用它們輸出信息的系統相一致。靈敏度：定量監測泄漏率的靈敏度不低于 1gpm，泄漏監測系統靈敏度還與破前漏應用的管道有關(guān)，如果管徑越小，要求的泄漏監測系統靈敏度越高。
響應時(shí)間：儀表系統的響應時(shí)間小于 1h，不含泄漏擴散時(shí)間，同時(shí)破前漏分析中，疲勞裂紋擴展分析結果證明裂紋擴展很慢，總體響應時(shí)間對泄漏監測并不是#重要的影響因素。
多樣性：應采用至少兩種不同的泄漏測量方式。
抗震：至少一種監測方式滿(mǎn)足抗震要求。
其他要求：必須滿(mǎn)足核電站運行期間溫度、濕度和輻射水平的環(huán)境條件，具有靈活的擴展功能，具備與其他系統（DCS）接口，方便運行人員及時(shí)獲取信息。
4 各種方法泄漏監測能力小結
核電站不需要采用上述提及的全部泄漏監測方法或手段。然而，由于各種方法在敏感性和反應時(shí)間上的差異，監測手段應充分地多樣化，以確保在某些手段的有效性變差甚至完全無(wú)效的情況下仍能夠保持有效的監測，保證泄漏監測的可靠性。表 1 從監測靈敏度、可靠性、響應時(shí)間和定位能力 4 個(gè)維度對各種監測手段進(jìn)行了評估。
1）E（Excellent）表示如果正確設計和應用，能滿(mǎn)足RG1.45 標準的要求。
2）G（Good）表示可能、勉強能滿(mǎn)足本標準的要求（這需根據應用條件、測點(diǎn)位置和測點(diǎn)數量而定）。
3）W（weak）表示通常不建議采用，但可用于監測特定位置的泄漏。
表 1 中能力的排列順序是根據這些儀表的運行經(jīng)驗的結果做出的，且排列順序僅為選擇泄漏監測儀表提供指導。上述提及的方法或手段是目前壓力變送器核電站泄漏監測系統常用的監測手段，反應了目前的科技水平。早期的泄漏監測對預防事故是非常重要的。因此，核電站應不斷地尋求和運用泄漏監測及定位技術(shù)的改進(jìn)，提升泄漏定量監測的精度和泄漏定位監測的準確性。
