劉義清，趙梟棟，鄭 宇，趙京昌，鐘邁豪

(中廣核鈾業(yè)發(fā)展有限公司，北京 100029)

乏燃料運(yùn)輸容器包容邊界密封性是防止容器內(nèi)放射性物質(zhì)泄漏的重要保障[1]，運(yùn)輸容器內(nèi)蓋、內(nèi)蓋上排水排氣孔及孔蓋屬于容器的包容邊界，包容邊界采用雙○型密封圈結(jié)構(gòu)。為保證乏燃料運(yùn)輸安全性，容器裝載乏燃料組件后需對(duì)包容邊界進(jìn)行氦泄漏檢測(cè)[2]，如果泄漏率底于標(biāo)準(zhǔn)值，即容器包容邊界密封性合格，容器才能運(yùn)出核電廠燃料廠房并實(shí)施乏燃料運(yùn)輸。

ENUN 24P型乏燃料運(yùn)輸容器為國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的一種用于運(yùn)輸壓水堆17×17型高燃耗乏燃料組件的容器，單個(gè)容器可裝載24組乏燃料組件，其包容邊界排氣/排水孔蓋(圖1)采用雙○型金屬密封圈結(jié)構(gòu)，由于金屬密封圈變形后不可恢復(fù)，每次裝載乏燃料前都需要更換密封圈并在安裝容器內(nèi)蓋后，對(duì)內(nèi)蓋、排水排氣孔蓋密封圈進(jìn)行氦泄漏檢測(cè)，當(dāng)泄漏率低于1×10-7Pa·m3/s時(shí)，包容邊界密封性合格。

圖1 排氣/排水孔蓋板示意圖

2017年在開展ENUN 24P容器調(diào)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)容器設(shè)計(jì)制造單位提供的排氣/排水孔蓋泄漏檢測(cè)方法操作復(fù)雜，未考慮本底值，且配套的檢測(cè)工具在操作時(shí)存在工具與排氣/排水孔蓋中心對(duì)中困難、操作復(fù)雜、無法觀察到工具與孔蓋連接情況、安裝孔蓋時(shí)容易破壞密封面等問題，操作人員因操作時(shí)間過長(zhǎng)而增加受照劑量。針對(duì)以上問題，研究分析提出一些改進(jìn)方案，將檢測(cè)方法及配套的檢測(cè)工具進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，以減少測(cè)量誤差和簡(jiǎn)化現(xiàn)場(chǎng)操作。

1 原泄漏檢測(cè)方法存在的問題

1.1 原泄漏檢測(cè)方法

容器設(shè)計(jì)制造單位提供的排氣/排水孔蓋泄漏檢測(cè)方法如下：

(1)首先檢測(cè)排氣/排水孔蓋金屬密封圈內(nèi)圈泄漏率，采用質(zhì)譜儀法[3]，操作步驟如下：

①將原檢測(cè)工具(圖2)與排氣/排水孔蓋板連接，通過工具上的提升桿將排氣/排水孔蓋板提升一定高度，然后通過工具上接口安裝轉(zhuǎn)換接頭并連接充氦管線，向排氣/排水孔蓋下方空腔充入0.1 MPa氦氣，然后操作提升桿下降排氣/排水孔蓋，拆除檢測(cè)工具，擰緊排氣/排水孔蓋螺栓；

圖2 原檢測(cè)工具剖面圖

②將質(zhì)譜儀探頭連接至排氣/排水孔蓋雙○型金屬密封圈間的檢測(cè)孔，開啟質(zhì)譜儀進(jìn)行泄漏檢測(cè)，記錄泄漏率值I內(nèi)。

(2)排氣/排水孔蓋密封圈外圈泄漏率，采用嗅探吸槍法，操作步驟如下：

①在排氣/排水孔蓋雙○型金屬密封圈之間的檢測(cè)孔上連接抽真空裝置，將排氣/排水孔蓋雙○型密封圈間空間(512 cm3)抽真空至壓力小于1 000 Pa，再拆除抽真空裝置，檢測(cè)孔上連接充氦管線，向雙○型密封圈之間的空間充入0.2 MPa的氦氣；

②充氦結(jié)束后，拆除充氦管線，在質(zhì)譜儀上連接嗅探器，開啟質(zhì)譜儀，在排氣/排水孔蓋外移動(dòng)嗅探器探頭進(jìn)行測(cè)量，記錄泄漏率值I外。

(3)兩次測(cè)量的泄漏值相加即得到排氣/排水孔蓋總的泄漏值。

1.2 存在的問題

(1)檢測(cè)工具存在的問題

①檢測(cè)工具由絲套桿、密封罩、質(zhì)譜儀接口和密封圈組成，其中絲套桿由絲套桿套筒、絲套桿把手、彈簧、螺紋接頭和固定手柄組成，主要用于將檢測(cè)工具與排氣/排水孔蓋連接并提起孔蓋；密封罩及密封圈將工具與孔蓋之間的腔體封閉。密封罩為金屬結(jié)構(gòu)，無可視窗觀察密封罩內(nèi)排氣/排水孔蓋與檢測(cè)工具螺紋接頭連接情況，操作人員只能通過多次嘗試才能對(duì)中連接上，耗時(shí)較長(zhǎng)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，平均每次需要15分鐘，如果容器正式裝載乏燃料組件后進(jìn)行該項(xiàng)操作，將增加操作人員的輻射劑量，同時(shí)檢測(cè)工具上的絲套桿進(jìn)行孔蓋提升或下降時(shí)，操作人員也無法觀察到孔蓋是否到位。

②檢測(cè)工具的絲套桿與孔蓋連接時(shí)，無法判定絲套桿下部螺紋接頭是否安裝到位，導(dǎo)致試探性操作極易對(duì)密封圈和排氣排水孔密封面造成破壞。

③現(xiàn)有的絲套桿采用彈簧壓緊設(shè)計(jì)，在用絲套桿把手操作解除絲套桿與孔蓋連接時(shí)，彈簧的反作用容易使操作人員受傷。

④密封罩內(nèi)部高度不夠，使得絲套桿提升孔蓋時(shí)，孔蓋提升位置堵住檢測(cè)工具的質(zhì)譜儀接口。

(2)檢測(cè)方法存在的問題

①排氣/排水孔蓋密封圈內(nèi)圈泄漏檢測(cè)時(shí)，在未對(duì)檢測(cè)工具內(nèi)和孔蓋下方空間抽真空的情況下，提起排氣/排水孔蓋后直接向孔蓋下方空腔充入氦氣，無法保證空間內(nèi)氦氣純度，使得測(cè)量值存在一定誤差。

②排氣/排水孔蓋密封圈外圈泄漏檢測(cè)時(shí)，未進(jìn)行本底測(cè)量，質(zhì)譜儀嗅探法受人為操作因素和環(huán)境中氦氣濃度干擾太大[4]，測(cè)量值存在較大誤差。

2 改進(jìn)方案

2.1 檢測(cè)工具改進(jìn)

針對(duì)調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)的檢測(cè)工具操作問題，通過調(diào)研和設(shè)計(jì)分析，提出了檢測(cè)工具的改進(jìn)方案，具體的改進(jìn)內(nèi)容如下：

(1)增加導(dǎo)向銷。重新改進(jìn)設(shè)計(jì)的檢測(cè)工具(如圖3所示)配套四個(gè)大小與排氣/排水孔蓋安裝螺栓相適配的導(dǎo)向銷(圖3中部件12)。檢測(cè)前，在排氣/排水孔蓋上四個(gè)對(duì)角位置安裝四個(gè)導(dǎo)向銷，導(dǎo)向銷長(zhǎng)度略長(zhǎng)于孔蓋提升高度，便于排氣排水蓋螺栓孔與蓋板之間對(duì)中，這樣檢測(cè)工具絲套桿下部螺紋接頭與排氣/排水孔蓋連接擰緊的時(shí)候，可防止孔蓋板旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)而導(dǎo)致操作困難和密封面破壞。

(2)重新改進(jìn)設(shè)計(jì)的檢測(cè)工具在密封罩頂部開一個(gè)直徑60 mm的防爆可視窗(圖3中部件8)，通過防爆可視窗觀察到檢測(cè)工具的絲套桿螺紋接頭與排氣/排水孔蓋中心的對(duì)中情況和孔蓋板的升降情況，可有效縮短絲套桿與孔蓋連接操作時(shí)間，減少操作人員輻射劑量。

(3)絲套桿套筒上設(shè)計(jì)折套焊(焊縫的余高)，當(dāng)絲套桿被提升時(shí)可通過焊縫限制絲套桿提升過度導(dǎo)致排氣排水蓋板抽風(fēng)口被堵住。

(4)取消彈簧連接，絲套桿與密封罩之間全部采用螺紋連接密封，避免了彈簧反彈對(duì)人造成傷害。

(5)工具高度增加22 mm，原檢測(cè)工具高度過低導(dǎo)致操作時(shí)排氣/排水孔蓋活動(dòng)空間過小，提高高度可擴(kuò)大操作的空間，也有利于對(duì)密封罩內(nèi)部空間的抽真空操作。

(6)在密封罩上安裝了一對(duì)密封罩手提把手，便于操作人員操作檢測(cè)工具。

改進(jìn)后的檢測(cè)工具及泄漏檢測(cè)模擬體立體結(jié)構(gòu)分解示意圖及相關(guān)結(jié)構(gòu)說明如圖3所示。

1—固定手柄；2—鎖緊螺母；3—鎖緊手柄止擋塊；4—平頭鎖緊手柄；5—質(zhì)譜儀接頭；6—絲套桿套筒；7—密封罩手提把手；8—防爆可視窗；9—密封罩；10—絲套桿；11—檢測(cè)模擬體蓋；12—導(dǎo)向銷；13—檢測(cè)模擬體密封圈；14—檢測(cè)模擬體與蓋之間空間；15—檢測(cè)模擬體本體；16—檢測(cè)模擬體把手；17—進(jìn)排氣接頭。

2.2 檢測(cè)方法優(yōu)化改進(jìn)

為消除排氣/排水孔蓋密封圈內(nèi)圈泄漏檢測(cè)的氦氣純度問題，以及排氣/排水孔蓋密封圈外圈泄漏檢測(cè)存在的測(cè)量精度問題，研究提出排氣/排水孔蓋密封圈內(nèi)圈的泄漏檢測(cè)過程中增加本底測(cè)量、靜置環(huán)節(jié)[5]，排氣/排水孔蓋密封圈外圈的泄漏檢測(cè)中增加了本底測(cè)量和抽真空過程的改進(jìn)方案。

(1)排氣/排水孔蓋密封圈內(nèi)圈泄漏檢測(cè)。排氣/排水孔蓋密封圈內(nèi)圈的泄漏檢測(cè)仍采用質(zhì)譜儀法，但在操作流程中增加了本底測(cè)量和靜置環(huán)節(jié)，具體操作流程如下：

①按照原檢測(cè)方法操作步驟，通過改進(jìn)后的檢測(cè)工具向排氣/排水孔蓋下方空腔充入0.1 MPa氦氣；

②安裝排氣/排水孔蓋并固定，在排氣/排水孔蓋雙○型密封圈之間的檢測(cè)孔上安裝連接抽真空裝置，抽真空20 min；

③拆除抽真空裝置，靜置約2 h；

④在檢測(cè)孔上連接質(zhì)譜儀，開啟質(zhì)譜儀并檢測(cè)，待數(shù)值穩(wěn)定不變時(shí)，記錄讀數(shù)S1；

⑤斷開質(zhì)譜儀與檢測(cè)孔的連接，用堵頭封堵質(zhì)譜儀接管口，開始檢測(cè)，待質(zhì)譜儀上數(shù)值穩(wěn)定后，記錄質(zhì)譜儀本底讀數(shù)S0；

⑥則排氣/排水孔蓋密封圈內(nèi)圈的泄漏率S內(nèi)=SCF(S1-S0)×100/C[4]，其中,SCF為系統(tǒng)靈敏度；S0為質(zhì)譜儀本底讀數(shù)；S1為檢測(cè)時(shí)質(zhì)譜儀讀數(shù)；C為檢測(cè)用的氦氣濃度。

(2)排氣/排水孔蓋密封圈外圈泄漏檢測(cè)[6]。為避免人為操作因素和環(huán)境氦氣的干擾，在排氣/排水孔蓋密封圈外圈的泄漏檢測(cè)中增加了本底測(cè)量和抽真空過程，操作流程如下：

①改進(jìn)后的檢測(cè)工具安裝在排氣/排水孔蓋上，工具上的質(zhì)譜儀接頭連接并開啟質(zhì)譜儀，預(yù)熱完成后，開始檢測(cè)，待數(shù)值穩(wěn)定后，記錄本底讀數(shù)S2，拆除檢測(cè)工具；

②在排氣/排水孔蓋密封圈檢測(cè)孔上安裝抽真空接頭，并與真空泵、壓力表、充氦管線連接；

③通過真空泵將排氣/排水孔蓋雙○型密封圈之間空間抽真空至1 000 Pa，并使用充氣管線向雙○型密封圈之間空間充入0.1 MPa氦氣；

④安裝排氣/排水孔蓋螺栓，將改進(jìn)后的檢測(cè)工具安裝在排氣/排水孔蓋上；

⑤檢測(cè)工具上連接質(zhì)譜儀，預(yù)熱完成后開始檢測(cè)，保持10 min，記錄質(zhì)譜儀讀數(shù)S3；

⑥則排氣/排水孔蓋密封圈外圈的泄漏率S外=SCF(S3-S2)×100/C。

(3)內(nèi)、外圈泄漏率相加即得到排氣/排水孔蓋總的泄漏值。

通過以上改進(jìn)，可以有效避免原質(zhì)譜儀嗅探器方法中靠人為手動(dòng)移動(dòng)探頭造成的不穩(wěn)定性，提高測(cè)量精度。

3 改進(jìn)后的檢測(cè)工具功能驗(yàn)證

為驗(yàn)證改進(jìn)后的檢測(cè)工具功能是否達(dá)到預(yù)期目標(biāo)和滿足泄漏檢測(cè)要求，加工了一套排氣/排水孔蓋模擬件(圖3中部件11和15)進(jìn)行模擬檢測(cè)試驗(yàn)，排氣/排水孔蓋模擬件和檢測(cè)工具密封蓋體采用單層密封圈，試驗(yàn)過程中使用校準(zhǔn)漏孔進(jìn)行質(zhì)譜儀校準(zhǔn)和計(jì)算系統(tǒng)靈敏度(標(biāo)稱漏率)，使用模擬漏孔向系統(tǒng)充入模擬泄漏的氦氣。

3.1 試驗(yàn)方案

(1)排氣/排水孔及孔蓋模擬體密封性檢驗(yàn)[7]

①按照?qǐng)D3完成改進(jìn)后的檢測(cè)工具及排氣/排水孔蓋模擬件裝配，檢查各部件裝配及活動(dòng)件運(yùn)動(dòng)情況，無卡澀且操作順暢，進(jìn)行下一步試驗(yàn)；

②將排氣/排水孔及孔蓋模擬體裝配后，通過進(jìn)排氣接頭(圖3中部件17)連接真空泵和真空計(jì)，將模擬體內(nèi)部空腔抽真空至小于1 000 Pa，關(guān)閉閥門，保壓10 min，壓力變化量小于100 Pa，則說明排氣/排水孔及孔蓋模擬體密封性合格。

(2)改進(jìn)后的檢測(cè)工具密封性檢驗(yàn)

①按照?qǐng)D4組裝泄漏檢測(cè)試驗(yàn)裝置，裝置由質(zhì)譜儀、真空顯示器、模擬漏孔、校準(zhǔn)漏孔和改進(jìn)后的檢測(cè)工具及孔蓋模擬體組成，其中模擬漏孔采用型號(hào)LK-9的滲氦型漏孔，標(biāo)稱漏率為3.75×10-9Pa·m3/s，校準(zhǔn)漏孔采用型號(hào)FC14000825，標(biāo)稱漏率為1.09×10-8Pa·m3/s；

圖4 泄漏檢測(cè)試驗(yàn)裝置

②操作檢測(cè)工具絲套桿將排氣/排水孔蓋模擬體提起，通過防爆可視窗(圖3中部件8)確認(rèn)提起到位；

③啟動(dòng)質(zhì)譜儀預(yù)熱，達(dá)到檢測(cè)狀態(tài)；

④開啟模擬漏孔，觀察并記錄質(zhì)譜儀讀數(shù)，關(guān)閉模擬漏孔，觀察并記錄質(zhì)譜儀讀數(shù)；

⑤操作改進(jìn)后的檢測(cè)工具將孔蓋模擬體放下，通過防爆可視窗確認(rèn)落下狀態(tài)；

⑥開啟模擬漏孔，觀察并記錄質(zhì)譜儀讀數(shù)，關(guān)閉模擬漏孔，觀察并記錄質(zhì)譜儀讀數(shù)。

兩次讀數(shù)基本一致，則表明改進(jìn)后的檢測(cè)工具密封性合格。

(3)改進(jìn)后的檢測(cè)工具檢測(cè)功能驗(yàn)證

①初始校準(zhǔn)：保持模擬漏孔關(guān)閉，啟動(dòng)質(zhì)譜儀，記錄質(zhì)譜儀本底讀數(shù)M2，校準(zhǔn)漏孔向檢測(cè)系統(tǒng)開啟后讀數(shù)M1，計(jì)算初始的系統(tǒng)靈敏度：

(1)

式中，PSCF為初始的系統(tǒng)靈敏度，單位為Pa·m3/s；Q校準(zhǔn)為校準(zhǔn)漏孔漏率，3.75×10-9Pa·m3/s；M1為校準(zhǔn)漏孔向被檢系統(tǒng)開啟后質(zhì)譜儀讀數(shù);M2為檢測(cè)開始前質(zhì)譜儀本底讀數(shù)。

②最終校準(zhǔn)：開啟模擬漏孔，關(guān)閉校準(zhǔn)漏孔，記錄質(zhì)譜儀讀數(shù)為M3，然后重新開啟校準(zhǔn)漏孔，記錄質(zhì)譜儀讀數(shù)為M4，進(jìn)行最終的系統(tǒng)靈敏度測(cè)量和計(jì)算：

(2)

式中，F(xiàn)SCF為最終的系統(tǒng)靈敏度，單位為Pa·m3/s；Q校準(zhǔn)為校準(zhǔn)漏孔漏率，1.09×10-8Pa·m3/s；M3為模擬漏孔開啟后質(zhì)譜儀讀數(shù)；M4為校準(zhǔn)漏孔再次向被檢系統(tǒng)開啟后質(zhì)譜儀讀數(shù)。

根據(jù)測(cè)量泄漏率數(shù)值和以上公式計(jì)算得到初始的系統(tǒng)靈敏度和最終的系統(tǒng)靈敏度，計(jì)算系統(tǒng)靈敏度偏差=(最終系統(tǒng)靈敏度-初始的系統(tǒng)靈敏度)/初始的系統(tǒng)靈敏度，小于35%[4]則表明本試驗(yàn)的泄漏檢測(cè)系統(tǒng)靈敏度滿足要檢測(cè)要求，本次試驗(yàn)系統(tǒng)靈敏度取值為1.14×10-9Pa·m3/s。

③計(jì)算泄漏率

(3)

式中，Q為模擬裝置的泄漏率，Pa·m3/s，其他參數(shù)含義同前。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過上述試驗(yàn)測(cè)試，排氣/排水孔及孔蓋模擬體內(nèi)部空腔壓力變化量小于100 Pa，密封性合格，檢測(cè)工具密封性合格，檢測(cè)并計(jì)算得到的排氣排水孔蓋模擬體泄漏率Q為3.96×10-9Pa·m3/s，滿足泄漏檢測(cè)要求。

操作時(shí)間上，改進(jìn)后的檢測(cè)工具組裝到與孔蓋模擬體連接并提升所用的時(shí)間15～20 min，比容器調(diào)試時(shí)使用原檢測(cè)工具操作一次縮短10～15 min，依次推算，完成排氣/排水孔蓋的內(nèi)外密封圈的測(cè)量，將縮短40～60 min。

綜上，改進(jìn)后檢測(cè)工具操作簡(jiǎn)便，能有效地加快檢測(cè)操作，工具密封性和檢測(cè)功能滿足泄漏檢測(cè)要求，達(dá)到預(yù)期效果。

4 結(jié)論

針對(duì)現(xiàn)有ENUN 24P乏燃料運(yùn)輸容器的氦泄漏檢測(cè)方法存在的問題，提出在排氣/排水孔蓋密封圈內(nèi)圈的泄漏檢測(cè)過程中增加本底測(cè)量、靜置環(huán)節(jié)，排氣/排水孔蓋密封圈外圈的泄漏檢測(cè)中增加本底測(cè)量和抽真空過程，以及改進(jìn)檢測(cè)工具等改進(jìn)措施，并對(duì)改進(jìn)后檢測(cè)工具的檢測(cè)功能進(jìn)行了驗(yàn)證，試驗(yàn)得到的泄漏檢測(cè)結(jié)果滿足要求，單次連接操作時(shí)間較改進(jìn)前縮短10～15 min，達(dá)到預(yù)期效果。檢測(cè)操作時(shí)間縮短，將有效減少操作人員受照劑量，保障人員安全。

目前國(guó)內(nèi)正在使用的NAC-STC型乏燃料運(yùn)輸容器的包容邊界與ENUN 24P型容器有類似的密封設(shè)計(jì)，泄漏檢測(cè)方法基本一致，因此改進(jìn)后的檢測(cè)工具可推廣應(yīng)用于該型號(hào)乏燃料運(yùn)輸容器泄漏檢測(cè)操作。