CN112349438A - 核反应堆压力容器o形密封环的密封状态在线监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种核反应堆压力容器O形密封环的密封状态在线监测方法，属于泄漏监测领域。该方法为：利用O形密封环的密封状态与其弹性变形量、以及上下法兰密封面之间的结构间隙H之间存在的对应关系，通过监测上、下法兰密封面之间的结构间隙H，评估O形密封环的密封状态；沿O形密封环圆周上对称的紧固螺栓处设置测点；并采用光纤探头，伸入紧固螺栓测点处上、下法兰密封面之间的结构间隙内，获取封面之间结构间隙H的信息；采用激光扫频干涉测量技术，实现微米级的结构间隙变化量ΔH的高精度测量；以据此对O形密封环的密封状态进行评估，从而将压力容器的泄漏状态监测、改为密封状态的实时在线监测，将泄漏发生的后报警改为事前预警。
Description
技术领域
本发明属于泄漏监测领域，涉及核反应堆压力容器O形密封环的密封状态在线监测方法。
背景技术
核反应堆压力容器是主回路冷却剂压力边界的重要屏障，其密封性能直接关系到核电厂能否正常启堆和长期安全稳健运行。在核电站运行期间，压力容器顶盖与筒体之间必须完全密封，无任何泄漏，其密封位置特殊。压力容器顶盖法兰与筒体法兰连接处是整个压力容器承压的薄弱环节，而O形密封环作为二者之间的主要密封部件，对压力容器的密封性能至关重要。
然而，目前已有的压力容器泄漏监测方法，均是在密封失效、泄漏发生以后进行的事后监测，如放射性物质监测法、声发射监测法、温度及压力监测法，皆是监测与泄漏相关的参数；这泄漏监测只能保证及时检修、避免核泄漏扩散，无法防止核泄漏发生。因此最佳的对策是在密封尚未失效、核泄漏尚未发生时，对密封状态进行监测，从而通过对密封状态进行评估，提前预警可能发生的泄漏。
目前有两种针对密封状态监测的设想。一是通过在O型密封环上粘贴应变片、监测O型密封环的应力变化情况判断密封状况的变化；二是在法兰紧固的主螺栓上打孔、测量螺栓伸长量来判断密封状况的变化。应变片监测的设想，虽然能够直接感受O型密封环所受的应变状态，但是在O型密封上安装应变片存在精度与工艺的问题，且由于O型密封环的高温与辐射影响，将无法保证应变片的测量准确度、甚至会导致应变片完全失效；而应变片在O型密封环上的粘接工艺、现场安装的引线问题都无法解决；因而应变片监测法实际无法实施。主螺栓伸长量监测的设想，需要人工定期测量，不仅测量结果受人为因素影响、准确度有限，而且对操作人员的身体有危害，难以被用户接受。因此这两种密封状态监测的设想，都没有得到实现。
因此需要探索切实可行的密封状态监测的测试新方法，以满足核电领域对智能密封技术的发展需求。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于，融合应变和螺栓伸长量监测两种思路的优点，提供一种核反应堆压力容器O形密封环密封状态的智能监测方法，以既满足测量精度要求，又安全可靠、安装方便，从而实现将泄漏参数被动的事后报警、变为密封状态主动的事前预警的目标。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
核反应堆压力容器O形密封环的密封状态在线监测方法，该方法为：
在核泄漏发生前，测量O形密封环中的密封结构间隙，即测量上法兰和下法兰密封面之间结构间隙H；
利用O形密封环的密封状态与其弹性变形量、以及上法兰和下法兰密封面之间的结构间隙H之间存在的对应关系，通过监测上法兰和下法兰密封面之间的结构间隙H，评估O形密封环的密封状态；
若O形密封环的密封性能状态良好，则结构间隙H处于相对平稳的状态，O形环保持在其一定压缩量以内；若O形密封环的回弹量增大、密封性能退化时，法兰密封面之间的密封间隙H增大；
从而据此通过实时监测结构间隙H、对O形密封环的密封性能进行评估，从而将压力容器的泄漏状态监测改为密封状态监测，将泄漏发生的事后报警改为事前预警。
可选的，在所述方法中，当截面直径为d的O形密封环装进密封端面的密封槽内，密封槽的深度h小于密封环的直径d，使得两个密封端面存在间隙t，t＝d-h，当螺栓紧固时，两个密封端面对O形密封环施加横向挤压力，使螺旋弹簧的每一圈对金属外壳或内衬产生附加的反弹力，导致O形密封环外壳或外层材料发生变形；
当螺栓紧固到两个密封端面完成接触时，两个密封端面的间隙为零，即t＝0，则O形密封环的端面由圆形被挤压成椭圆形，完全充塞填满密封槽内的空隙，实现密封，并使两个密封面外侧定位空间从H0变为H，间隙变化量为H0-H＝d-h＝t。
可选的，所述O形密封环为弹簧赋能式平面密封件，由缠绕的螺旋弹簧及包覆在弹簧外的两个金属外层组成，螺旋弹簧为弹簧InconeH X750，两个金属外层为镍基合金InconeH600和密封银层Ag。
可选的，沿所述O形密封环圆周的对称紧固螺栓处设置测点，测点数量大于等于4个，且不超过主螺栓的数量。
可选的，所述测点设置有光纤探头，伸入每个法兰紧固主螺栓处的两个密封端面狭小间隙内，利用光纤将信号传输到远端的光纤解调系统，构成全光纤化监测系统，并进行远程控制。
可选的，所述全光纤化监测系统中，从调谐激光器发出的线性扫频光经耦合器后依次到达光纤探头表面和测量面反射，从光纤端面返回的光作为参考光，从测量面反射的光作为信号光；信号光和参考光相遇形成拍频干涉信号被光电探测器接收，采用干涉测量方法进行解调，得到高精度的间隙信息。
本发明的有益效果在于：
(1)监测方案的创新(密封结构间隙反映密封状态变化)：从力和形变上分析，应变和螺栓伸长量均能反映密封状态变化，但是在应用上难以实施。综合上述两种方法的特点，密封结构间隙相比螺栓更能直接反映密封状态的变化，而且已于实现。
(2)监测手段的创新：针对O性密封环高温及辐射环境条件，考虑到密封结构间隙的间隙狭小、且上下表面是具有一定粗糙度，采用耐高温和抗辐射的柔性光纤探头，从而满足狭小空间恶劣工作环境的监测要求；而全光纤化系统设计，可在远程控制并获取数据，测试安全性可以保证。
(3)监测原理的创新：将干涉测量原理引入O性密封环的测量场合，实现微米级高精度的解调，以满足O性密封环0.01mm数量级的失效变形量监测需求。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为核反应堆压力容器结构示意图；
图2为压力容器密封结构示意图；(a)为主视图；(b)为剖视图；
图3为压力容器紧固螺栓局部图；
图4为金属环密封结构细部变形图；(a)为挤压前；(b)为挤压后；
图5为O形密封环结构图；
图6为C型密封环的挤压/密封原理；
图7为O形密封环的泄漏监测原理图；
图8为主螺栓伸长量检测原理；
图9为密封结构间隙位置示意图；
图10为顶盖法兰的主螺栓孔位置示意图；(a)为主视图；(b)为俯视图；
图11为光学扫频干涉测量系统图；
图12为O形密封环结构间隙测量系统总体框图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
图1为核反应堆压力容器结构示意图；图2为压力容器密封结构示意图；(a)为主视图；(b)为剖视图；图3为压力容器紧固螺栓局部图；图4为金属环密封结构细部变形图；(a)为挤压前；(b)为挤压后；图5为O形密封环结构图；图6为C型密封环的挤压/密封原理；7为O形密封环的泄漏监测原理图；图8为主螺栓伸长量检测原理；图9为密封结构间隙位置示意图；图10为顶盖法兰的主螺栓孔位置示意图；(a)为主视图；(b)为俯视图；图11为光学扫频干涉测量系统图；图12为O形密封环结构间隙测量系统总体框图。
反应堆压力容器是由可拆卸的顶盖和筒身两个基本单元组成，为防止内部放射性物质发生泄漏，顶盖法兰和筒体法兰之间采用双道密封环的密封结构，以保证其密封安全性及可靠性。
O形密封环是一种弹簧赋能式平面密封件，由缠绕的螺旋弹簧及包覆在弹簧外的两个金属外层组成，这三层材料分别是内层弹簧(InconeH X750)、中间层镍基合金(InconeH600)、外层密封银层(Ag)。当截面直径为d的密封环装进密封端面的密封槽内，因为密封槽的深度h小于密封环直径d，使得两个密封端面存在间隙t(t＝d-h)。当螺栓紧固时、两个密封端面对O形密封环施加横向挤压力，使螺旋弹簧的每一圈对金属外壳(或内衬)产生附加的反弹力，导致O形密封环外壳(或外层)材料发生变形；当螺栓紧固到两密封端面完成接触时、它们之间的间隙为零(t＝0)，则O形密封环的端面由圆形被挤压成了椭圆形、完全充塞填满了密封槽内的空隙，从而实现了密封，并最终达到密封效果，并使两个密封面外侧定位空间从H0变为了H。
所述方法具体为：
在法兰密封面均匀分布的48个主螺栓中，对称地选择至少4个螺栓位置作为测点；在所述的测点位置处，将耐高温耐辐射光纤探头安装在欧型密封环外侧、上下法兰面之间的空隙内，利用光纤将探头与远端的全光纤监测系统连接、并进行远程控制。
从全光纤监测系统内部的调谐激光器发出的线性扫频光，经耦合器后及光纤，依次到达光纤探头表面和测量面反射，从光纤端面返回的光作为参考光，从测量面反射的光作为信号光；信号光和参考光相遇形成拍频干涉信号被光电探测器接收，采用干涉测量方法进行解调，得到高精度间隙信息。
(1)O形密封环密封结构间隙评估
核反应堆压力容器在进行调试安装时，需先将主螺栓安装压力容器的顶盖法兰的螺栓孔内，一般通过利用液压油缸直接对螺栓进行外力施加，在一定程度上将螺栓在其弹性形变范围内进行拉伸，通过微量位移或形变对螺栓进行预紧，然后再利用扭矩扳手对主螺栓的紧固力进行控制。在主螺栓预紧及紧固过程中，O形密封环因受到压缩载荷而产生形变(其截面由圆形变成椭圆形)，由其形变产生的回弹力增加了密封环与上、下法兰密封面之间的接触压力，使O形环与法兰面之间由点接触发展至线接触，进而形成接触的环形密封面。压力容器在正常使用时，主螺栓由于受到压力容器内部压力的作用而沿螺栓轴向方向变形拉伸，若主螺栓的形变量可与O形环的回弹量相匹配，则说明O形密封环与法兰之间保持良好的接触密封。
受上述主螺栓预紧及紧固密封过程的启发，结合O形密封环的密封结构与压力自紧作用的密封原理及其使用位置的特殊性，转换思路，将其密封状态的测试问题转化为如图9所示的O形密封环位置附近主螺栓外侧法兰面之间的间隙测量问题(即上表面与下表面之间的间隙)，本发明中将这个特定位置的间隙称之为密封结构间隙。
O形密封环因受载荷作用其截面形状变由圆形变为椭圆形，导致密封结构间隙变化，需要明确的是，密封状态监测的实质是对上、下法兰密封面之间结构间隙H的测试问题。在密封性能状态良好的情况下，结构间隙处于一个相对平稳的状态，其变化量保持在O形环的回弹量以内，也不会发生间隙量的突变。
当O形密封环的密封状态发生微变化时，法兰密封面之间的密封间隙量将会产生微变化，该变化与结构间隙的变化量相同。如果能够采用某种传感器或以某种方式，测量出结构间隙的变化，即可通过密封结构间隙的变化量推算出O型密封环的变形量，从而对密封效果进行评估，实现密封状态的实时在线测量。
由于顶盖法兰和筒体法兰之间的密封面是一个环形面，本发明拟开展探索及监测的对象是某型号反应堆压力容器，其密封法兰共有均匀分布的48个主螺栓孔(图中仅标出1/4)，如图10所示。图10中(a)为主视图；(b)为俯视图。
根据上述分析，若要评估压力容器O形密封环的密封状态，则需在环形密封面上安装多个测点，进行点分布式的结构间隙测量。但由于O形密封环的均匀对称性，其各处的密封间隙相等，只要以一个测点位置的结构间隙为切入点开展研究，探索反应堆压力容器O形密封环密封状态评估新方案，就可以为整个O形密封环的实时在线监测开拓一条新途径。
(2)结构间隙测量方法选择及系统总体方案设计
核反应堆压力容器的测试环境具有其特殊性，处于高温、高压、强辐射、狭小空间等恶劣环境中，其结构间隙测量需要保证高度安全性及稳定性。电类测量方法如电容法、电涡流法等，抗耐高温抗干扰能力弱，其在高温环境中使用时、可靠性差、寿命短。而光纤作为一种二氧化硅的传感和传输介质，不仅具有良好的抗电磁干扰性能，而光纤类传感测量技术以光为测量媒介、光纤为传输载体、光电器件为转换元件，具有精度高、动态响应好、分辨率高及性能可靠等优良特性；而光纤探头尺寸小、柔性好的特点，则使其可以伸入其它传感器无法企及的狭小空间、适应压力容器各种复杂结构内部的参量测试，这为核电应用中结构间隙测量提供了一种新方法。
在高精度间隙测试的光纤传感方法中，基于光学干涉原理的间隙测量技术是其中的主角，如菲索干涉法、光学扫频干涉法、宽光谱干涉法等等。只有针对选择O形密封环间隙测量的实际条件，才能选择出合适的方法。本发明中所涉及到的某型压力容器，其O形密封环附近主螺栓外侧的绝对结构间隙量约为数10mm，实际测量时必须将光纤探头伸入此空间、并用专门的固定装置安装固定。考虑安装结构的设计加工特点及其所占据的部分空间，最终的结构间隙测量范围设定为0～20mm。而根据O型密封环的弹性变形特性与密封的效果的关系，要求对其变形测量的精度达到10μm。光学扫频干涉法理论上测距无盲区，非常有潜力满足上述O型密封环间隙测量的范围与精度需求。将结构间隙表面简化为测量面，其测量系统原理如图11所示。
从调谐激光器发出的线性扫频光经耦合器后依次到达光纤探头表面和测量面反射，从光纤端面返回的光(作为参考光)，从测量面反射的光(作为信号光)，信号光和参考光相遇形成拍频干涉信号被光电探测器接收，通过解调所接收到的干涉信号可以得到间隙信息。结合该系统测距无盲区的特点，只要设计合理的探头与解调系统，完全可能达到实际测试的需求。
另一方面，从光纤端面返回的光(作为参考光)，从测量面反射的光(作为信号光)，都在同一个根光纤内传输，属于共路径干涉结构，使得核电环境的温度变化对参考光和信号光的影响是一致的，从理论上抵消了温度的干扰，进而保证能够保证测试精度。基于此测量原理下的光学系统为全光纤化设计，光纤通信中C波段的光在单模光纤内处于最低损耗窗口位置，在1550nm附近波长的光在光纤内的传输损耗仅仅0.22dB/km，这为监控室内的远程测量控制提供了支撑。
综合分析来看，从理论上看，光学扫频干涉法适合O型密封环间隙测量的需求，只要针对O型密封环间隙测量的实际结构进行测头设计、针对实际的评估需求设计解调系统，就完全能够真正实现O型密封环密封状态在线监测。
为此，针对O形密封环的密封状态监测，拟基于光学扫频干涉原理提出间隙测量系统的总体方案，其系统由光纤探头及光纤模块、硬件采集系统、软件解调系统三个主体部分组成。由结构间隙测量面与光纤探头表面组成传感结构，其系统总体框图如图12所示。
安装在测点位置的光纤探头，通过光纤与安装在远端的光纤模块链接；硬件采集模块主要包括光电探测及采集装置；对于软件解调模块，通过计算机基于HABVIEW平台进行解调程序的模块化编写和集成化封装。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (6)
1.核反应堆压力容器O形密封环的密封状态在线监测方法，其特征在于：该方法为：
在核泄漏发生前，测量O形密封环中的密封结构间隙，即测量上法兰和下法兰密封面之间结构间隙H；
利用O形密封环的密封状态与其弹性变形量、以及上法兰和下法兰密封面之间的结构间隙H之间存在的对应关系，通过监测上法兰和下法兰密封面之间的结构间隙H，评估O形密封环的密封状态；
若O形密封环的密封性能状态良好，则结构间隙H处于相对平稳的状态，O形环保持在其一定压缩量以内；若O形密封环的回弹量增大、密封性能退化时，法兰密封面之间的密封间隙H增大；
从而据此通过实时监测结构间隙H、对O形密封环的密封性能进行评估，从而将压力容器的泄漏状态监测改为密封状态监测，将泄漏发生的事后报警改为事前预警。
2.根据权利要求1所述的核反应堆压力容器O形密封环的密封状态在线监测方法，其特征在于：在所述方法中，当截面直径为d的O形密封环装进密封端面的密封槽内，密封槽的深度h小于密封环的直径d，使得两个密封端面存在间隙t，t＝d-h，当螺栓紧固时，两个密封端面对O形密封环施加横向挤压力，使螺旋弹簧的每一圈对金属外壳或内衬产生附加的反弹力，导致O形密封环外壳或外层材料发生变形；
当螺栓紧固到两个密封端面完成接触时，两个密封端面的间隙为零，即t＝0，则O形密封环的端面由圆形被挤压成椭圆形，完全充塞填满密封槽内的空隙，实现密封，并使两个密封面外侧定位空间从H变为H0，间隙变化量为ΔH＝H-H0。
3.根据权利要求1所述的核反应堆压力容器O形密封环的密封状态在线监测方法，其特征在于：所述O形密封环为弹簧赋能式平面密封件，由缠绕的螺旋弹簧及包覆在弹簧外的两个金属外层组成，螺旋弹簧为弹簧InconeH X750，两个金属外层为镍基合金InconeH600和密封银层Ag。
4.根据权利要求1所述的核反应堆压力容器O形密封环的密封状态在线监测方法，其特征在于：沿所述O形密封环圆周的紧固螺栓处对称地设置测点，测点数量大于等于4个，且不超过主螺栓的数量。
5.根据权利要求4所述的核反应堆压力容器O形密封环的密封状态在线监测方法，其特征在于：所述测点设置有光纤探头，伸入每个法兰紧固主螺栓处的两个密封端面狭小间隙内、获取密封间隙H的信息，通过光纤将信号传输到远端的光纤解调系统，构成全光纤监测系统，并进行远程控制。
6.根据权利要求5所述的核反应堆压力容器O形密封环的密封状态在线监测方法，其特征在于：所述全光纤化监测系统中，从调谐激光器发出的线性扫频光经耦合器后依次到达光纤探头表面和测量面反射，从光纤端面返回的光作为参考光，从测量面反射的光作为信号光；信号光和参考光相遇形成拍频干涉信号被光电探测器接收，采用干涉测量方法进行解调，得到高精度的间隙信息。
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