ENUN 24P乏燃料運輸容器排氣排水孔蓋泄漏檢測方法的改進

劉義清，趙梟棟，鄭 宇，趙京昌，鐘邁豪

(中廣核鈾業發展有限公司，北京 100029)

乏燃料運輸容器包容邊界密封性是防止容器內放射性物質泄漏的重要保障[1]，運輸容器內蓋、內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○型密封圈結構。為保證乏燃料運輸安全性，容器裝載乏燃料組件后需對包容邊界進行氦泄漏檢測[2]，如果泄漏率底于標準值，即容器包容邊界密封性合格，容器才能運出核電廠燃料廠房并實施乏燃料運輸。

ENUN 24P型乏燃料運輸容器為國內現有的一種用于運輸壓水堆17×17型高燃耗乏燃料組件的容器，單個容器可裝載24組乏燃料組件，其包容邊界排氣/排水孔蓋(圖1)采用雙○型金屬密封圈結構，由于金屬密封圈變形后不可恢復，每次裝載乏燃料前都需要更換密封圈并在安裝容器內蓋后，對內蓋、排水排氣孔蓋密封圈進行氦泄漏檢測，當泄漏率低于1×10-7Pa·m3/s時，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容器調試時，發現容器設計制造單位提供的排氣/排水孔蓋泄漏檢測方法操作復雜，未考慮本底值，且配套的檢測工具在操作時存在工具與排氣/排水孔蓋中心對中困難、操作復雜、無法觀察到工具與孔蓋連接情況、安裝孔蓋時容易破壞密封面等問題，操作人員因操作時間過長而增加受照劑量。針對以上問題，研究分析提出一些改進方案，將檢測方法及配套的檢測工具進行優化改進，以減少測量誤差和簡化現場操作。

1 原泄漏檢測方法存在的問題

1.1 原泄漏檢測方法

容器設計制造單位提供的排氣/排水孔蓋泄漏檢測方法如下：

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

①將原檢測工具(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，拆除檢測工具，擰緊排氣/排水孔蓋螺栓；

圖2 原檢測工具剖面圖

②將質譜儀探頭連接至排氣/排水孔蓋雙○型金屬密封圈間的檢測孔，開啟質譜儀進行泄漏檢測，記錄泄漏率值I內。

(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充氦結束后，拆除充氦管線，在質譜儀上連接嗅探器，開啟質譜儀，在排氣/排水孔蓋外移動嗅探器探頭進行測量，記錄泄漏率值I外。

(3)兩次測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)檢測工具存在的問題

①檢測工具由絲套桿、密封罩、質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。密封罩為金屬結構，無可視窗觀察密封罩內排氣/排水孔蓋與檢測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中連接上，耗時較長。根據現場調試經驗，平均每次需要15分鐘，如果容器正式裝載乏燃料組件后進行該項操作，將增加操作人員的輻射劑量，同時檢測工具上的絲套桿進行孔蓋提升或下降時，操作人員也無法觀察到孔蓋是否到位。

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

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

④密封罩內部高度不夠，使得絲套桿提升孔蓋時，孔蓋提升位置堵住檢測工具的質譜儀接口。

(2)檢測方法存在的問題

①排氣/排水孔蓋密封圈內圈泄漏檢測時，在未對檢測工具內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，無法保證空間內氦氣純度，使得測量值存在一定誤差。

②排氣/排水孔蓋密封圈外圈泄漏檢測時，未進行本底測量，質譜儀嗅探法受人為操作因素和環境中氦氣濃度干擾太大[4]，測量值存在較大誤差。

2 改進方案

2.1 檢測工具改進

針對調試過程中發現的檢測工具操作問題，通過調研和設計分析，提出了檢測工具的改進方案，具體的改進內容如下：

(1)增加導向銷。重新改進設計的檢測工具(如圖3所示)配套四個大小與排氣/排水孔蓋安裝螺栓相適配的導向銷(圖3中部件12)。檢測前，在排氣/排水孔蓋上四個對角位置安裝四個導向銷，導向銷長度略長于孔蓋提升高度，便于排氣排水蓋螺栓孔與蓋板之間對中，這樣檢測工具絲套桿下部螺紋接頭與排氣/排水孔蓋連接擰緊的時候，可防止孔蓋板旋轉滑動而導致操作困難和密封面破壞。

(2)重新改進設計的檢測工具在密封罩頂部開一個直徑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工具的絲套桿螺紋接頭與排氣/排水孔蓋中心的對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間，減少操作人員輻射劑量。

(3)絲套桿套筒上設計折套焊(焊縫的余高)，當絲套桿被提升時可通過焊縫限制絲套桿提升過度導致排氣排水蓋板抽風口被堵住。

(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，避免了彈簧反彈對人造成傷害。

(5)工具高度增加22 mm，原檢測工具高度過低導致操作時排氣/排水孔蓋活動空間過小，提高高度可擴大操作的空間，也有利于對密封罩內部空間的抽真空操作。

(6)在密封罩上安裝了一對密封罩手提把手，便于操作人員操作檢測工具。

改進后的檢測工具及泄漏檢測模擬體立體結構分解示意圖及相關結構說明如圖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—檢測模擬體蓋；12—導向銷；13—檢測模擬體密封圈；14—檢測模擬體與蓋之間空間；15—檢測模擬體本體；16—檢測模擬體把手；17—進排氣接頭。

2.2 檢測方法優化改進

為消除排氣/排水孔蓋密封圈內圈泄漏檢測的氦氣純度問題，以及排氣/排水孔蓋密封圈外圈泄漏檢測存在的測量精度問題，研究提出排氣/排水孔蓋密封圈內圈的泄漏檢測過程中增加本底測量、靜置環節[5]，排氣/排水孔蓋密封圈外圈的泄漏檢測中增加了本底測量和抽真空過程的改進方案。

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

①按照原檢測方法操作步驟，通過改進后的檢測工具向排氣/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在檢測孔上連接質譜儀，開啟質譜儀并檢測，待數值穩定不變時，記錄讀數S1；

⑤斷開質譜儀與檢測孔的連接，用堵頭封堵質譜儀接管口，開始檢測，待質譜儀上數值穩定后，記錄質譜儀本底讀數S0；

⑥則排氣/排水孔蓋密封圈內圈的泄漏率S內=SCF(S1-S0)×100/C[4]，其中,SCF為系統靈敏度；S0為質譜儀本底讀數；S1為檢測時質譜儀讀數；C為檢測用的氦氣濃度。

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

①改進后的檢測工具安裝在排氣/排水孔蓋上，工具上的質譜儀接頭連接并開啟質譜儀，預熱完成后，開始檢測，待數值穩定后，記錄本底讀數S2，拆除檢測工具；

②在排氣/排水孔蓋密封圈檢測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，將改進后的檢測工具安裝在排氣/排水孔蓋上；

⑤檢測工具上連接質譜儀，預熱完成后開始檢測，保持10 min，記錄質譜儀讀數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、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，可以有效避免原質譜儀嗅探器方法中靠人為手動移動探頭造成的不穩定性，提高測量精度。

3 改進后的檢測工具功能驗證

為驗證改進后的檢測工具功能是否達到預期目標和滿足泄漏檢測要求，加工了一套排氣/排水孔蓋模擬件(圖3中部件11和15)進行模擬檢測試驗，排氣/排水孔蓋模擬件和檢測工具密封蓋體采用單層密封圈，試驗過程中使用校準漏孔進行質譜儀校準和計算系統靈敏度(標稱漏率)，使用模擬漏孔向系統充入模擬泄漏的氦氣。

3.1 試驗方案

(1)排氣/排水孔及孔蓋模擬體密封性檢驗[7]

①按照圖3完成改進后的檢測工具及排氣/排水孔蓋模擬件裝配，檢查各部件裝配及活動件運動情況，無卡澀且操作順暢，進行下一步試驗；

②將排氣/排水孔及孔蓋模擬體裝配后，通過進排氣接頭(圖3中部件17)連接真空泵和真空計，將模擬體內部空腔抽真空至小于1 000 Pa，關閉閥門，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)改進后的檢測工具密封性檢驗

①按照圖4組裝泄漏檢測試驗裝置，裝置由質譜儀、真空顯示器、模擬漏孔、校準漏孔和改進后的檢測工具及孔蓋模擬體組成，其中模擬漏孔采用型號LK-9的滲氦型漏孔，標稱漏率為3.75×10-9Pa·m3/s，校準漏孔采用型號FC14000825，標稱漏率為1.09×10-8Pa·m3/s；

圖4 泄漏檢測試驗裝置

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

③啟動質譜儀預熱，達到檢測狀態；

④開啟模擬漏孔，觀察并記錄質譜儀讀數，關閉模擬漏孔，觀察并記錄質譜儀讀數；

⑤操作改進后的檢測工具將孔蓋模擬體放下，通過防爆可視窗確認落下狀態；

⑥開啟模擬漏孔，觀察并記錄質譜儀讀數，關閉模擬漏孔，觀察并記錄質譜儀讀數。

兩次讀數基本一致，則表明改進后的檢測工具密封性合格。

(3)改進后的檢測工具檢測功能驗證

①初始校準：保持模擬漏孔關閉，啟動質譜儀，記錄質譜儀本底讀數M2，校準漏孔向檢測系統開啟后讀數M1，計算初始的系統靈敏度：

(1)

式中，PSCF為初始的系統靈敏度，單位為Pa·m3/s；Q校準為校準漏孔漏率，3.75×10-9Pa·m3/s；M1為校準漏孔向被檢系統開啟后質譜儀讀數;M2為檢測開始前質譜儀本底讀數。

②最終校準：開啟模擬漏孔，關閉校準漏孔，記錄質譜儀讀數為M3，然后重新開啟校準漏孔，記錄質譜儀讀數為M4，進行最終的系統靈敏度測量和計算：

(2)

式中，FSCF為最終的系統靈敏度，單位為Pa·m3/s；Q校準為校準漏孔漏率，1.09×10-8Pa·m3/s；M3為模擬漏孔開啟后質譜儀讀數；M4為校準漏孔再次向被檢系統開啟后質譜儀讀數。

根據測量泄漏率數值和以上公式計算得到初始的系統靈敏度和最終的系統靈敏度，計算系統靈敏度偏差=(最終系統靈敏度-初始的系統靈敏度)/初始的系統靈敏度，小于35%[4]則表明本試驗的泄漏檢測系統靈敏度滿足要檢測要求，本次試驗系統靈敏度取值為1.14×10-9Pa·m3/s。

③計算泄漏率

(3)

式中，Q為模擬裝置的泄漏率，Pa·m3/s，其他參數含義同前。

3.2 試驗結果

經過上述試驗測試，排氣/排水孔及孔蓋模擬體內部空腔壓力變化量小于100 Pa，密封性合格，檢測工具密封性合格，檢測并計算得到的排氣排水孔蓋模擬體泄漏率Q為3.96×10-9Pa·m3/s，滿足泄漏檢測要求。

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

綜上，改進后檢測工具操作簡便，能有效地加快檢測操作，工具密封性和檢測功能滿足泄漏檢測要求，達到預期效果。

4 結論

針對現有ENUN 24P乏燃料運輸容器的氦泄漏檢測方法存在的問題，提出在排氣/排水孔蓋密封圈內圈的泄漏檢測過程中增加本底測量、靜置環節，排氣/排水孔蓋密封圈外圈的泄漏檢測中增加本底測量和抽真空過程，以及改進檢測工具等改進措施，并對改進后檢測工具的檢測功能進行了驗證，試驗得到的泄漏檢測結果滿足要求，單次連接操作時間較改進前縮短10～15 min，達到預期效果。檢測操作時間縮短，將有效減少操作人員受照劑量，保障人員安全。

目前國內正在使用的NAC-STC型乏燃料運輸容器的包容邊界與ENUN 24P型容器有類似的密封設計，泄漏檢測方法基本一致，因此改進后的檢測工具可推廣應用于該型號乏燃料運輸容器泄漏檢測操作。