压水堆核电厂管道中不可凝结气体的监测方法探讨

压水堆核电厂管道中不可凝结气体的监测方法探讨

蒋康

福建福清核电有限公司 福建 福清 350318

摘要：近些年国家在核电厂建设、核电厂运行方面的关注度越来越高，要力求运行过程中的安全与稳定。本文对压水堆核电厂管道中不可凝结气体的成因、积聚位置以及监测方法进行了分析，并对比了不同的监测方法，得知应根据不可凝结气体出现的位置，采用相应的监测手段，以提升结果的准确性。

关键词：核电厂；不可凝结气体；监测方法

不可凝结气体积聚（Non-Condensable Gas Accumulation）现象在核电厂运行过程中发生频率比较高，如果没有及时采取有效手段进行处理，很有可能引起设备与系统的故障和损坏，干扰核电厂的正常运作。国际上要求各国核电厂采取相应的手段来解决不可凝结气体积聚的问题，我国核监管局也意识到了这一点，并出台了相应政策，要求国内所有核电站加强管控，做好不可凝结气体积聚的评估工作。因此，应落实相关要求，定期监测不可凝结气体，查明原因并制定针对性的解决措施。

1 不可凝结气体意外积聚的原因

当出现了不可凝结气体积聚的情况时，核电厂往往会发生特殊现象，这也被业内人士称为“入侵的征兆”。根据相关调查可以得知，这些“征兆”主要如下：（1）受到各方面因素的影响，安注箱中液体下降；（2）RCS（反应堆冷却系统）泄漏；（3）在系统试验的过程中，发现管道内部压力过小，外部压力太大；（4）泵的功能性受损。核电厂要考虑这些“征兆”发生的重要原因，提前制定预防对策，开展监测工作，明确气体积聚的位置和体积，并采取有效措施进行解决。以下是不可凝结气体意外积聚的主要原因。

1.1管道排气不充分

气体侵入、气体积聚，很大程度上都和维修检查之后管道排气不充分有着密切联系，部分技术人员的专业素质有待提升，没有严格按照要求进行设备和管道的保养工作。排气操作不规范，无法准确掌握不可凝结气体的积聚位置，在设计时忽略了高点排气口，部分气体难以正常排出，积聚在管道内部。

1.2高压饱和含气水泄漏

如果隔离边界出现了泄漏，高压气体就会从泄漏处进入到下游低压管道，导致管道内部压力降低，这也是引起不可凝结气体意外积聚的主要原因之一。

1.3不充分的设计

在核电厂初期设计过程中，没有统筹兼顾，细节方面把握不够全面，气体储罐的位置不合理。

2 不可凝结气体的监测

2.1不可凝结气体积聚位置

根据对核电厂实际运行状况的调查不难发现，不可凝结气体多半积聚在系统的最高点，监测工作难度比较大，需要应用专门的设备和技术手段。最常见的积聚位置如下：（1）设备的倒“U”形管；（2）设备开关与阀门；（3）管道排气点；（4）热交换器；（5）管道大小头；（6）孔板；（7）主管道的分支管等。由于各核电厂的设备、管道的布置不同，不可凝结气体积聚位置也并不是固定的，要在现场展开全面踏勘，并根据设计图纸进行分析，从而确定积聚位置。

2.2不可凝结气体量化监测

2.2.1冲水法

在确定好不可凝结气体的位置和类别之后，利用相应的设备仪器测量其压力（P0）和温度（T0），将固定体积（△V）直接灌注到含有气体的管道中；注入之后再次测量气体的压力P1与温度T1。利用下列公式，对原气体体积进行计算：P0*VO/T0=P1（V0-△V）/T1。在利用注水法对不可凝结气体进行测量时，要保证系统处于停运状态，并对被测管道进行隔离，以免灌入的水分对设备运行造成负面影响。部分管道由于结构特点，本身就容易出现不可凝结气体积聚的情况，可提前做好预测和分析，合理设置固定仪表和监测设备，便于定期或不定期的监测。

2.2.2超声波技术

超声波作为一项新兴技术，在很多领域都得到了广泛应用，主要原理在于，超声波在不同界面、不同介质中的传播速度有着一定差异，收集回波之后，通过计算就可得到被测液体的高度。当管道处于满水、较少气体、较少液体状态时，分别设置超声波探头，利用信号接收装置，接收超声波回波的时间差与声速，通过计算就可获得管道中不可凝结气体体积的准确数据。当管道中液面超过中心，但是没有处于满水状态时，围成气体扇形的截面积可通过下列公式表示：S=nπR²/360-ah/2。在该公式中，R为管道内径，a是图中AB的长度，h表示CD长度。

当管道中的液体深度没有达到中心线时，围成的气体扇形截面面积可用下列公式表示：S=nπR²/360+ah/2。其中a表示JK的长度，h表示ON的长度。不可凝结气体的体积计算公式：V=L*S，即用截面积和积聚的长度相乘，就可得到体积数据。表1为不同液面位置的UT测量。

表1 不同液面位置的UT测量

在满水情况下，管道截面图中，最高点为G，可利用信号接收设备，获取该状态下的回波信号；当液面位置在管道中心线以上，但是没有完全满时，可从C点出发，顺时针或逆时针转动超声波探头，直到接收到满水的回波信号，则可了解液面的具体位置以及不可凝结气体的体积；当液面位置的水位在管道中心线以下时，可将H点作为最高点，顺时针或逆时针转动至L和M点，如果所接收到的回波信号与满水信号存在差异，则需要调整超声波探头的位置。

2.2.3.导波超声技术

在利用导波超声技术时，可将探头固定在管道的某个部位，另外一段设置接收器，用于接受发出的超声波。声音在水中和空气中的传播速度不同，耗散情况也有一定差异，当管道中水分越多时，接收装置所能够受到的能量也就越少；而如果管道中的气体越多，接收装置可获取到的能量也就越多。导波超声技术应用起来比较方便，只需要将设备、接收器、导线等固定在管道上即可，可实现周期性检查。由于并不需要拆除原有的保温材料，监测人员能够减少受到的辐射剂量，有助于保障其安全和健康。在长管道的不可凝结气体监测中，导波超声技术的优势比较突出，但是需要校准刻度，对设备安装精度有着较高要求。

2.3不同方法对比

以上介绍了三种不同的不可凝结气体监测方法，其中充水法对技术的要求并不高，使用起来十分简便，原理简单，但是适用范围并不广。和充水法相比，超声波技术监测得到的结果更加准确，但是需要进行现场布置，技术要求高，操作复杂；在拆除了保温材料之后，监测人员会长时间接受较高的辐射剂量，对其身心伤害比较大。导波超声技术对空间的需求比较小，测量精度不如超声波技术，需要拆除的保温材料少，但是其缺陷在于，需要严格控制初次校准的精度，如果控制不当，将会影响监测结果。

结语：

总而言之，如果没有及时处理不可凝结气体的积聚，将会对核电厂设备和系统的稳定运行造成较大影响。本文对不可凝结气体积聚的主要原因进行了分析，并提出了充水法、超声波技术、导波超声技术这三种主要的不可凝结气体监测方法。在对比之后可以得知，不同方法的适用范围、空间需求、测量精度等都有一定差异，也有其各自的局限性，要根据实际情况合理选择。

参考文献：

[1]赵延辉,崔婷. 压水堆核电厂管道中不可凝结气体的监测方法[J]. 化工管理,2021(29):100-101.

[2]中广核研究院有限公司. 一种压力容器顶部不可凝结气体的体积控制方法:CN202110050919.1[P]. 2021-06-04.

[3]武汉云侦科技有限公司. 一种压缩气体凝结核方法、设备及其应用:CN202010514919.8[P]. 2021-12-24.

[4]赵方,任忠,邹详,等. 卡拉奇核电厂2号机组热试期间厂房甲醛监测治理的实践与思考[J]. 管理学家,2021(13):82-84.