時(shí)朝杰，王忠楠，陳立恒，許哲涵，馮志超

(中核霞浦核電有限公司，福建 霞浦 355100)

國(guó)內(nèi)某核電廠為低壓、無鋼內(nèi)襯安全殼設(shè)計(jì)工程項(xiàng)目，安全殼邊界電纜貫穿采用封堵方式，安全殼邊界共有175個(gè)電纜孔洞，根據(jù)國(guó)內(nèi)類似工程項(xiàng)目實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，電纜孔洞封堵對(duì)安全殼整體泄漏率影響較大，需重點(diǎn)關(guān)注，確保其密封性滿足要求。

因?yàn)樘厥庠O(shè)計(jì)型式，電纜孔洞封堵不具備定量試驗(yàn)條件。鑒于電纜孔洞封堵對(duì)安全殼整體密封性的影響，開發(fā)出一種針對(duì)電纜孔洞封堵的半定量檢驗(yàn)方法——超聲波檢測(cè)法，并通過實(shí)驗(yàn)室測(cè)試驗(yàn)證該方法的有效性。

超聲波是振動(dòng)頻率高于20 kHz的機(jī)械波，它具有頻率高、波長(zhǎng)短、繞射現(xiàn)象小、方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點(diǎn)，因此可以使用超聲波信號(hào)發(fā)生器(超聲源)代替一定的壓力進(jìn)行泄漏孔測(cè)量。將超聲波泄漏檢測(cè)儀器的主機(jī)(接收端)與聲源發(fā)生器配合使用時(shí)，可對(duì)被檢查物進(jìn)行非實(shí)時(shí)檢查，即由聲源發(fā)生器發(fā)射一定頻率的超聲波信號(hào)，一旦發(fā)生泄漏，超聲波將由漏孔漏出，用接收器捕捉漏出的超聲波信號(hào)，即可判斷出正確的泄漏位置。

1 超聲波檢漏試驗(yàn)技術(shù)研究

由于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試環(huán)境復(fù)雜，噪音多，為排除環(huán)境因素影響，在實(shí)驗(yàn)室制作一個(gè)試驗(yàn)件，通過試驗(yàn)件分析不同開孔孔徑的泄漏孔對(duì)應(yīng)的聲強(qiáng)值和泄漏量，繪制出超聲波聲強(qiáng)—試驗(yàn)壓力條件下泄漏量曲線圖，通過對(duì)該曲線圖進(jìn)行擬合，得到聲強(qiáng)—泄漏量關(guān)系式。將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)得到的泄漏聲強(qiáng)值帶入聲強(qiáng)—泄漏量關(guān)系式，得到試驗(yàn)部件的泄漏量。

1.1 試驗(yàn)件制作

根據(jù)安全殼電纜孔洞尺寸以及高密度硅酮橡膠材料的數(shù)量，設(shè)計(jì)制作了1件密閉箱體，如圖1所示，箱體型式為圓管式，采用亞克力材質(zhì)，箱體內(nèi)預(yù)留數(shù)根鋼管，模擬泄漏孔洞，箱體一端為帶接嘴的盲板，盲板與筒體使用密封膠連接，保證盲板處無泄漏；箱體另一端保持開口。由于硅酮橡膠封堵澆筑需要與孔洞兩端平齊，故箱體設(shè)計(jì)成兩段，箱體Ⅰ為模擬孔洞，長(zhǎng)度為1 200 mm，全部使用硅酮橡膠封堵，箱體Ⅱ?yàn)榧訅嚎臻g，在封堵施工完成后，將兩段拼接起來。測(cè)得試驗(yàn)件整體泄漏率為1.4 mL/min，考慮到儀器本身誤差，認(rèn)為試驗(yàn)件整體無泄漏。

圖1 試驗(yàn)封堵試件Fig.1 A sealed specimen for testing

1.2 聲強(qiáng)—泄漏量關(guān)系式研究

對(duì)試驗(yàn)件在相同泄漏孔徑下，分別使用流量補(bǔ)充法、超聲波檢漏法進(jìn)行試驗(yàn)，每打開一個(gè)泄漏孔，使用流量補(bǔ)充法檢測(cè)泄漏率后，立即卸去壓力后進(jìn)行超聲波檢漏。得出不同泄漏率對(duì)應(yīng)聲強(qiáng)值，見表1。

表1 不同泄漏率對(duì)應(yīng)聲強(qiáng)值Table 1 Sound intensity values corresponding to different leakage rates

根據(jù)凈聲強(qiáng)值公式，得出每個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的凈聲強(qiáng)值，見表2。

表2 各試驗(yàn)點(diǎn)凈聲強(qiáng)值Table 2 The net sound intensity of each test value

對(duì)表2中12組數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，以泄漏點(diǎn)處凈聲強(qiáng)值為橫坐標(biāo)，單位為dBμV，5 kPa.g標(biāo)況下空氣泄漏率為縱坐標(biāo)，單位為NmL/min，得出：y=0.076 9x3+2.658 6x2+79.406x+1 062.5，R2=0.977 4，得到凈聲強(qiáng)值與泄漏率關(guān)系擬合曲線，如圖2所示。

圖2 泄漏率-凈聲強(qiáng)值關(guān)系圖Fig.2 The leakage rate-the net sound intensity relationship

1.3 泄漏率轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)

因?yàn)槊總€(gè)試驗(yàn)點(diǎn)在不同時(shí)間段測(cè)量時(shí)周圍環(huán)境的分貝值不同，即測(cè)量環(huán)境的本底值不同，所以在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，每一次測(cè)量都要對(duì)試驗(yàn)地點(diǎn)周圍環(huán)境進(jìn)行測(cè)量，即每一組測(cè)量結(jié)果都應(yīng)包含當(dāng)次測(cè)量環(huán)境的本底值和泄漏點(diǎn)的測(cè)量值。周圍環(huán)境測(cè)量的本底值用I0表示；每一個(gè)泄漏點(diǎn)的測(cè)量值用Ij表示；每一個(gè)泄漏點(diǎn)的凈聲強(qiáng)值用Ik表示；根據(jù)擬合公式法，推導(dǎo)出線性插值法進(jìn)行最終測(cè)量結(jié)果的判定。

1)Ik<-27時(shí)，該封堵無泄漏；

2)-27≤Ik<-9時(shí)，該封堵的泄漏率小于500 mL/min(最小檢出值)，保守取值500 mL/min；

3)-9≤Ik<-1時(shí)，該封堵的泄漏率是500～1 000 mL/min，保守取值1 000 mL/min；

4)-1≤Ik<3時(shí)，該封堵的泄漏率是1 000～1 500 mL/min，保守取值1 500 mL/min；

5)3≤Ik<9時(shí)，該封堵的泄漏率是1 500～2 000 mL/min，保守取值2 000 mL/min；

6)Ik≥9時(shí)，該封堵的泄漏率大于2 L/min。

上述泄漏率均為在相同條件下，殼內(nèi)外壓差在5 kPa下的空氣泄漏率。

1.4 超聲波檢漏標(biāo)定方法

通過本試驗(yàn)研究過程可知，單個(gè)封堵面積泄漏率L封堵與超聲測(cè)量泄漏率L測(cè)量，兩者含義不一致，無法進(jìn)行等效對(duì)比。L封堵為單個(gè)封堵面積泄漏率，L測(cè)量為單位路徑泄漏率。由于兩者無法進(jìn)行等效換算，因此需進(jìn)行理論換算，并提出試驗(yàn)結(jié)果的模型假設(shè)。現(xiàn)場(chǎng)每一處電纜孔洞封堵的泄漏路徑未知，因此需要先通過手段去判斷每一處試驗(yàn)點(diǎn)的泄漏路徑數(shù)量。在滿足取值原則的條件下，將每一條泄漏路徑檢測(cè)的聲強(qiáng)值轉(zhuǎn)換成空氣泄漏率，進(jìn)行理論換算。

超聲波檢漏儀配有專用耳機(jī)，用以接收38 kHz的聲源，并轉(zhuǎn)換成有規(guī)律的“嘀嘀”聲，可以利用這一特點(diǎn)，在每次超聲波檢漏試驗(yàn)時(shí)，記錄聲強(qiáng)本底值后，先利用聲源與耳機(jī)，將整個(gè)電纜孔洞封堵進(jìn)行初步判定，超聲波探頭沿著整個(gè)封堵面掃描，將檢測(cè)到“嘀嘀”聲的地方進(jìn)行標(biāo)記并讀取當(dāng)前聲強(qiáng)示數(shù)。

1)若整個(gè)封堵面沒有檢測(cè)到38 kHz的聲源且超聲波檢漏儀顯示值無較大波動(dòng)，則認(rèn)為整個(gè)封堵面泄漏率在可接受范圍。

2)若在一個(gè)點(diǎn)附近連續(xù)檢測(cè)到“嘀嘀”聲，則證明此處為裂隙形泄漏，需要根據(jù)耳機(jī)聽到的聲音和超聲波檢漏儀顯示值，定位到“嘀嘀”聲音最大且顯示值也最大時(shí)，即為該裂隙形泄漏點(diǎn)的檢測(cè)值。

3)若泄漏點(diǎn)為連續(xù)不間斷檢測(cè)到聲音的小范圍面積，且周圍均檢測(cè)不到聲音，則認(rèn)為是一處泄漏點(diǎn)，需要進(jìn)行標(biāo)記。

每一處封堵的泄漏路徑條數(shù)為n，且n≥1。

對(duì)于超聲波檢漏試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果的模型假設(shè)為：?jiǎn)蝹€(gè)封堵面積泄漏率等于面積內(nèi)所有單位路徑泄漏率之和，即

1.5 靈敏度確認(rèn)

1.5.1 超聲波檢漏儀校準(zhǔn)情況

超聲波檢漏儀(SDT200)由上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院華東國(guó)家計(jì)量測(cè)試中心校準(zhǔn)證明。

(1)最小檢出信號(hào)

采用40 kHz聲信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，可探測(cè)到聲壓級(jí)38 dB的信號(hào)，符合標(biāo)準(zhǔn)至少探測(cè)到聲壓級(jí)60 dB的信號(hào) (以20 uPa為參考)。

(2)聲靈敏度級(jí)

采用40 kHz聲信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，聲音靈敏度級(jí)為-13 dB，不低于標(biāo)準(zhǔn)-40 dB(以1 V/Pa為參考)。

(3)級(jí)線性

采用40 kHz電信號(hào)測(cè)量，當(dāng)輸入信號(hào)級(jí)以10 dB變化時(shí)，聲級(jí)指示應(yīng)引起相同的變化，級(jí)線性誤差0.3 dB，不超過標(biāo)準(zhǔn)+2 dB；當(dāng)輸入信號(hào)級(jí)以1 dB變化時(shí)，聲級(jí)指示引起相同的變化，級(jí)線性誤差0.2 dB，不超過標(biāo)準(zhǔn)+1 dB。

綜上所述，超聲檢漏儀靈敏度校準(zhǔn)合格。

1.5.2 超聲波實(shí)際使用

1)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行超聲波檢漏法試驗(yàn)時(shí)，所采用的超聲波發(fā)射源為38～40 kHz的固定頻率聲源，確保接收端各點(diǎn)處測(cè)得聲強(qiáng)的準(zhǔn)確性。

2)考慮到超聲波經(jīng)過一定泄漏路徑后存在損耗，且超聲波檢漏法為半定量檢測(cè)法，實(shí)驗(yàn)室測(cè)得當(dāng)存在微小泄漏(實(shí)際泄漏率小于500 mL/min)時(shí)，無法精確得知實(shí)際泄漏率，泄漏率保守取值500 mL/min。

2 超聲波檢漏法現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)應(yīng)用

試驗(yàn)過程發(fā)現(xiàn)1個(gè)大漏、1個(gè)小漏電纜孔洞，相關(guān)數(shù)據(jù)見表3。已全部進(jìn)行處理，處理方式如圖3所示。

表3 試驗(yàn)檢測(cè)出的不合格電纜孔洞Table 3 Unqualified cable holes detected by the test

(a)試驗(yàn)檢測(cè)泄漏孔洞1

(b)孔洞1增設(shè)外掛處理

(c)試驗(yàn)檢測(cè)泄漏孔洞2

(d)孔洞2二次封堵處理圖3 試驗(yàn)檢測(cè)泄漏孔洞及處理方式Fig.3 The diagram of leakage holes and treatment methods

通過超聲波檢測(cè)法有效驗(yàn)證了電纜孔洞封堵的密封性能，并對(duì)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的不合格孔洞進(jìn)行及時(shí)返工修復(fù)，安全殼邊界電纜孔洞封堵密封性能得到進(jìn)一步保障。

3 結(jié)論

1)實(shí)踐證明，超聲波檢漏法能半定量開展電纜孔洞封堵密封性檢查，已檢查發(fā)現(xiàn)2處缺陷并完成處理；

2)超聲檢測(cè)法需制作被檢對(duì)象的試驗(yàn)件，在實(shí)驗(yàn)室完成聲強(qiáng)與泄漏率的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并明確泄漏的標(biāo)準(zhǔn)。