УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
TIGHTNESS CONTROL DEVICE

Предлагаемое изобретение относится к области контроля герметичности трубопроводов и сосудов, нарушение герметичности которых сопровождается появлением водорода в контролируемом объеме и может использоваться преимущественно на АЭС с реакторами на быстрых нейтронах.
Указанные атомные электростанции являются наиболее перспективными в плане развития атомной энергетики, но требуют решения присущих им технических проблем, одной из которых является герметичность парогенераторов, греющим теплоносителем в которых является натрий, предающим тепло через стенки трубок теплообменника воде и водяному пару.
Нарушение герметичности стенок теплообменника натрий-вода недопустимо, так как натрий вступает в химическую реакцию с водой, при этом выделяется большое количество тепла, которое может привести к лавинообразному процессу разрушения трубок теплообменника и выходу из строя дорогостоящего парогенератора. Кроме того, попадание даже умеренных количеств воды или водяного пара в натрий ведет к его химическому загрязнению, что резко снижает его характеристики как теплоносителя.
В этой связи стоит задача непрерывного контроля герметичности теплообменников натрий-вода с целью обнаружения нарушений герметичности в начальной стадии на уровне микротечей.
В этом случае своевременная остановка парогенератора для поиска места течи и ремонта позволит избежать загрязнения контура и, тем более, разрушения оборудования.
В настоящее время одним из самых чувствительных методов обнаружения микротечей воды в натрий является метод контроля содержания водорода в натриевом контуре, т.к. химическая реакция натрия с водой сопровождается выделением водорода, который частично выносится натрием в виде пузырьков газа, а частично растворяется в нем. Соответственно существуют устройства контроля водорода в газовых подушках натриевых контуров и устройства контроля растворенного или газообразного водорода в натрии, причем последние более предпочтительны, т.к. в этом случае время транспорта продуктов реакции меньше, соответственно раньше обнаруживается течь.
Одним из известных устройств контроля водорода является газоанализатор по патенту РФ №2242751, в котором анализируемый газ за счет естественной циркуляции поступает в датчик и при наличии в смеси водорода изменяется электропроводность чувствительного элемента, выполненного на основе сплавов палладия. Недостатком такого анализатора является его недостаточная чувствительность к малым объемным концентрациям водорода, кроме того, указанный газоанализатор не может использоваться для контроля водорода, растворенного в натрии, без существенного усложнения конструкции, позволяющего выполнить рабочую камеру датчика герметичной относительно натрия и обеспечить доставку водорода к чувствительному элементу.
Наиболее близким по технической сущности к предложенному устройству является устройство контроля герметичности по А.С. №903722. В указанном устройстве растворенный или газообразный водород в натрии через водородопроницаемую мембрану поступает в вакуумную полость, непрерывно вакуумируемую магниторазрядным вакуумным насосом. Ток насоса пропорционален потоку поступающего в вакуумную полость водорода, а он, в свою очередь, зависит от концентрации водорода в натрии. Таким образом, по току насоса можно определить величину течи воды в натрий, т.е. степень негерметичности парогенератора. Указанное устройство обладает высокой чувствительностью, но имеет недостатки, связанные как с физическими процессами работы магниторазрядного насоса, так и с конструкцией устройства:
1. Магниторазрядным насосам свойственна так называемая молекулярная откачка, когда молекулы водорода сорбируются электродами насоса без предшествующей ионизации атомов водорода и таким образом доля водорода, соответствующая молекулярной откачке, не вносит вклад в величину тока насоса, соответственно не фиксируется часть водорода, поступившего в вакуумную камеру. Причем доля молекулярной откачки может зависеть от ряда трудно учитываемых факторов, что не позволяет вводить корректирующие поправки к показаниям измерителя тока насоса.
2. Реальная установка контроля водорода в натрии по А.С. №903722 должна содержать ряд вспомогательных систем, приведенных на фиг.1, и работает следующим образом.
Контролируемая среда - натрий с микроколичествами водорода (менее одной миллионной по весу) из трубопровода 1 отбирается для анализа на байпасный участок 2. Отбор происходит за счет натриевого насоса 4, величина расхода регулируется натриевым вентилем 3, далее натрий с водородом омывает водородопроницаемую мембрану 6, разделяющую контур натрия и вакуумный объем магниторазрядного насоса 7. Конструктивно мембрана 6 представляет собой герметичный стакан из отожженного никеля, погруженный в исследуемый поток натрия. При температурах порядка 500°C никель становится проницаемым для водорода, и соответственно водород из натрия попадает в объем насоса 7, где осуществляется откачка водорода (абсорбция молекул или ионов водорода электродами насоса). Как отмечалось ранее, ток насоса пропорционален доле ионной откачки поступающего в насос водорода. Для обеспечения подогрева натрия до рабочей температуры байпасный трубопровод 2 обогревается нагревателем 5. Из-за наличия молекулярной откачки характеристики насоса в течение срока эксплуатации "плывут" и требуется его периодическая градуировка. Для этой цели в поток натрия, проходящий по байпасному участку 2 через водородопроницаемую мембрану 9, вводится с помощью дозирующего устройства 10 водород из баллона 11, снабженного манометром 12. По величине падения давления в баллоне 11 за известное время определяется расход дозируемого через мембрану 9 водорода в поток натрия через байпас 2, а по показаниям расходомера натрия 13 - величина расхода натрия. По соотношению расходов водорода и натрия вычисляется прирост концентрации водорода в натрии в зоне расположения мембраны 6, одновременно фиксируется рост показаний тока насоса измерителем тока 8. Произведя несколько дозировок водорода в натрий, при разной скорости дозирования можно получить градуировочную характеристику рассмотренного индикатора течи.
3
Необходимость указанного вспомогательного оборудования индикатора приводит к тому, что на действующей АЭС с реактором БН-600 система обнаружения течи полностью занимает отдельное помещение, а учитывая, что на этой станции 24 парогенератора, то и помещений для индикаторов требуется столько же. Кроме того, удаленность системы индикации от места отбора натрия из трубопровода 1 требует достаточно высокого его расхода по байпасу (порядка 1 м/ч), чтобы обеспечить приемлемое время транспорта. Соответственно и мощность нагревателя 5 для подогрева натрия с 300°C до 500°C достигает нескольких десятков киловатт.
С целью устранения вышеперечисленных недостатков, присущих прототипу, предлагаемое устройство, схематично изображенное на фиг.2, снабжено дополнительной вакуумной камерой, отделенной от контролируемой среды водородопроницаемой мембраной и соединенной с вакуумметром, между вакуумной камерой магниторазрядного насоса и дополнительной вакуумной камерой включен вакуумный вентиль, а система доставки контролируемой среды выполнена в виде обогреваемого рекуператора, вход и выход которого выведены внутрь трубопровода с контролируемой средой, причем входное отверстие рекуператора обращено навстречу набегающему потоку среды, а выходное - по направлению потоку среды или перпендикулярно ему.
Работа предложенного устройства происходит следующим образом.
В трубопровод 1 с контролируемым теплоносителем введена торцевая часть рекуператора 14, представляющего собой теплообменник "труба в трубе". Входное отверстие 15 рекуператора 14 обращено навстречу потоку натрия V, а выходное отверстие 16 - по направлению потока или перпендикулярно ему. За счет динамического торможения натрия у входного отверстия 15 возникает перепад давления между входом и выходом рекуператора. Под действием этого перепада осуществляется циркуляция натрия через рекуператор и соответственно доставка анализируемого теплоносителя к водородопроницаемым мембранам 6 и 18. Внутренний объем мембраны 6 сообщается с вакуумной полостью 17, соединенной с магниторазрядным насосом 7, а внутренний объем мембраны 18 сообщен с дополнительной вакуумной полостью 19, вакуум в которой контролируется вакуумметром 20. Между вакуумными полостями 17 и 19 включен вакуумный вентиль 21.
Как и в прототипе, основным измерителем концентрации водорода в натрии является магниторазрядный насос 7 со своим блоком контроля 8. Вакуумметр 20 также дает информацию о содержании водорода, так как через мембрану 18 в предварительно отвакуумированную полость 19 поступает водород, и при достижении равновесного состояния величина равновесного давления в полости 19 на основе экспериментально полученной зависимости будет составлять
, где
H2
P - давление водорода в вакуумной полости 19 - мм рт.ст. (тор);
С - концентрация водорода в натрии в миллионных долях по весу (ррм).
Таким образом, в предложенном устройстве присутствуют два измерителя концентрации водорода в натрии, основанные на разных принципах действия, но и с недостатками, свойственными каждому из них.
Как уже отмечалось, ток магниторазрядного насоса 7 зависит не только от потока водорода через мембрану 6, но и от доли молекулярной откачки. С другой стороны, вакуумметр 20 может давать ложные показания о величине концентрации водорода в полости 19 из-за газовыделения конструкционных материалов или неплотности камеры 19 по отношению к окружающей среде. В течение достаточно длительного интервала времени может накопиться погрешность показаний как магниторазрядного насоса 7, так и вакуумметра 20.
Для исключения этих погрешностей на короткое время открывается вентиль 21. При этом магниторазрядный насос 8 вакуумирует полость 19, остаточное давление в этой полости становится на 4-5 порядков меньше равновесного давления, определенного по формуле (1).
После завершения откачки (время откачки от десятков секунд до нескольких минут) вентиль 21 закрывается через 1-2 минуты, показания насоса 7 становятся пропорциональными концентрации водорода в натрии с учетом доли молекулярной откачки насоса 7, а показания вакуумметра 20 также приходят в соответствие концентрации водорода в натрии согласно (1). По этим показаниям вводится поправочный коэффициент к выходному сигналу блока контроля 8 насоса 7. Таким образом, без всяких дополнительных систем осуществляется градуировка устройства контроля герметичности. После градуировки насос 7 с блоком контроля 8 остается в работе непрерывно, а манометр 20 может работать как независимый индикатор концентрации водорода в натрии или выключаться до следующей градуировки насоса 7.
Если рекуператор 14 расположен горизонтально относительно места врезки в трубопровод 1, то перепад давления между входом и выходом рекуператора обеспечивает преодоление трения теплоносителя при движении внутри рекуператора. Если установить рекуператор 14 наклонно, то потребуется дополнительный перепад давления между его входом и выходом для преодоления гидростатического давления натрия за счет разности высот между местом врезки в трубопровод 1 и местом установки водородопроницаемых мембран 6 и 18. По этой причине наклонное или вертикальное положение рекуператора 14 экономически и конструктивно нецелесообразно, оптимальное расположение рекуператора - горизонтальное.
Предложенное устройство конструктивно представляет собой компактный блок, устанавливаемый на трубопроводе с контролируемым натриевым теплоносителем, не требует специальных помещений, обладает большой эксплуатационной надежностью, простотой обслуживания и градуировки. Расход натрия через рекуператор 14 за счет выбора диаметров входного отверстия 15 и выходного отверстия 16 устанавливается на уровне 10÷30 л/ч.