Методология контроля герметичности металлобетонных контейнеров для ОЯТ

В.Д.Гуськов, Г.В.Коротков, В.В.Воронцов, Т.А.Марейчева, ОАО «КБСМ»

В данной статье авторами предложен методический подход и критерии, которые следует применять при контроле герметичности металлобетонных контейнеров (МБК) в период изготовления и приемо-сдаточных испытаний на заводах-изготовителях МБК, а также после их загрузки ОЯТ и в процессе хранения на объектах эксплуатации.

Конструктивными элементами УКХ, подвергающимися контролю герметичности являются уплотнительные прокладки его разъемных соединений – внутренней и наружной крышек МБК, клапана, крышек клапана, крышек технологических проходок.

На сегодня отсутствует единая методология контроля герметичности контейнеров для ОЯТ, согласованная и утвержденная соответствующими органами и выпущенная в виде нормативного документа.

Эта проблема существует для любого типа ТУК на основе контейнеров независимо от их конструкции: металлобетонных, стальных, чугунных и др.

При постановке контейнеров с ОЯТ на длительное хранение экспресс-контроль, выполняемый в настоящее время на существующих контейнерах, не гарантирует 100% безопасности, надежности и достоверности замеров.

ОАО «КБСМ» разработало системный подход к контролю герметичности разъемных соединений металлобетонных контейнеров для хранения и транспортирования ОЯТ на различных этапах технологического цикла обращения с ними.

Реализация данной концепции обеспечит существенное повышение эффективности и достоверности результатов контроля герметичности.

Специалистами ОАО «КБСМ» создан измерительно-регистрирующий комплекс на основе современных средств измерений, который прошел проверочные испытания на предприятиях-изготовителях упаковочных комплектов и объектах их эксплуатации.

Особый интерес при этом представляет методический подход к контролю герметичности упаковочных комплектов манометрическим методом, который позволяет минимизировать время контроля герметичности, что особенно актуально при проверке герметичности упаковочных комплектов, загруженных ОЯТ на объектах эксплуатации.

Предлагаемый методический подход разработан на основании опыта проведения испытаний металлобетонных контейнеров на герметичность и полностью соответствует требованиям на герметичность, действующих в атомной энергетике нормативно-технических документов.

Металлобетонные контейнеры, заполненные большим количеством радиоактивных веществ, должны обеспечивать, как ядерную, так и радиационную безопасность. В состав факторов, обеспечивающих суммарную радиационную безопасность, наряду с биологической защитой, предназначенной для поглощения всех видов излучений, входит параметр, определяющий общую потерю радиоактивных материалов за определенный период времени (для упаковок В (U) в нормальных условиях эксплуатации: А2 10-6 Бк/ч, где А2 – предельная активность радиоактивного вещества). Этот параметр косвенно контролируется через герметичность упаковочного комплекта хранения ОЯТ (УКХ).

Степень герметичности контейнеров характеризуется потоком газа Qст, м3 Па/с, приведенным к стандартным условиям [3, 4].

Абсолютно герметичных компонентов и систем не бывает. Компонент считается герметичным, если скорость утечки среды из него остается ниже (или равной) установленного КД уровня. Фактически, задавая норму утечек через сквозные дефекты уплотнительных прокладок разъемных соединений УКХ не более 1 10-6 м3 Па/с (для контейнеров разработки ОАО «КБСМ»), из всех 12 видов неразрушающего контроля (НК) предпочтение отдается виду НК (по физическому явлению) с помощью проникающих веществ, а именно по газовой группе (гелий, азот).

При этом необходимо руководствоваться следующими критериями:

1 – наличие фоновой радиоактивности;

2 – возможность применения в качестве пробного вещества только инертных газов;

3 – конструктивно-технологические особенности УКХ (габариты, материал уплотнительных прокладок);

4 – условия эксплуатации изделий;

5 – необходимая чувствительность течеискателя.

По первому критерию невозможно применение радиоактивного метода. По второму критерию недопустим галогенный метод, по четвертому – все методы с чувствительностью менее 0,5 10-6 м3 Па/с (химический, инфракрасный и т.п.).

Тогда для рассмотрения остаются масс-спектрометрический метод течеискания, основанный на заполнении объема перед контролируемым уплотнением пробным газом (гелием) и последующим обнаружением пробного вещества в смеси веществ, проникающих через течи путем ионизации веществ с последующим разделением ионов по отношению их массы к заряду под действием электрического и магнитных полей (метод обеспечивает регистрацию потоков до 10-12 м3 Па/с в зависимости от типа течеискателя) и манометрический метод (по изменению давления от времени в изолированной вакуумной системе) - метод обеспечивает регистрацию потоков до 1 10-7 м3 Па/с.

Различают два способа реализации манометрического метода:

- по падению давления в контролируемом объеме, заполняемым пробным газом (азотом);

- по повышению давления в контролируемом объеме, предварительно отвакууммированным, который принято называть вакуумметрическим методом контроля.

Вакуумметрический метод контроля из-за значительного газовыделения от внутренних поверхностей системы (уплотнительных прокладок) требует предварительной продолжительной откачки контролируемого объема и не обеспечивает необходимой точности определения утечек через сквозные дефекты разъемных соединений, герметизированных уплотнительными прокладками, за счет дегазации (высвобождение газа с поверхности испытуемого объекта) и диффузионных процессов, особенно, при наличии в системе эластомерных уплотнительных прокладок.

Газоотделение резин на основе этиленпропиленового каучука, используемых для уплотнения контейнеров, к которым относятся резины марки 51-1481рад и 51-11р-99оп рад [6], идет, в основном, за счет растворенных газов, примесей, введенных ингредиентов и мало зависит от типа полимера. Натекание в контролируемые объемы крышек контейнера только за счет дегазации эластомерных уплотнителей может составлять порядка (1…3) 10-6 м3 Па/с [5].

Оценка величины натекания в контролируемый объем за счет газопроницаемости рабочей среды (воздуха) через материал уплотнительных прокладок защитных крышек МБК показала, что исходя из коэффициента газопроницаемости по азоту (78,1% в составе воздуха) – 2,1 10-12 м2/с, поток газа через материал прокладок составляет 1,5 10-6 м3 Па/с [5].

Таким образом, даже при наличии герметичности уплотнительных прокладок защитных крышек МБК, количество воздуха, проникающего в единицу времени из атмосферы в отвакууммированный объем, за счет их газопроницаемости может составлять порядка (2…4) 10-6 м3 Па/с.

Контроль герметичности внутренней и наружной крышек контейнера ТУК-108/1 вакуумметрическим методом, проведенный при испытаниях технологического оборудования берегового комплекса выгрузки ОЯТ утилизируемых АПЛ на ФГУП «МП «Звездочка» с использованием ТУК-108/1 [7] показал, что на суммарное натекание воздуха в контролируемый объем внутренней (наружной) крышки существенно влияет время предварительной откачки контролируемой системы, которое может составлять 10…15 часов для получения достоверного результата [7].

От перечисленных недостатков избавлен манометрический метод

Поэтому для рассмотрения остаются два метода:

- масс-спектрометрический с использованием гелиевого течеискателя;

- манометрический (по падению давления в контролируемом объеме), использование которого стало возможным с выпуском серийно изготавливаемых датчиков, обладающих метрологическими характеристиками на уровне образцовых приборов (класса точности 0,1) и пригодных для условий эксплуатации МБК с ОЯТ.

Выбор конкретного типа гелиевого масс-спектрометрического течеискателя для контроля герметичности УКХ следует проводить по сравнению двух характеристик:

- минимально регистрируемого потока Qmin, м3Па/с;

- скорости откачки анализатора Sэ, л/с.

Скорость откачки гелия на входном фланце течеискателя зависит от вида и типа установленного высоковакуумного насоса (пластинчато-роторный, турбомолекулярный). Увеличенная скорость откачки на входном фланце течеискателя позволяет работать с увеличенной газовой нагрузкой и резко сокращает время испытаний.

Ниже приведены характеристики нескольких отечественных гелиевых масс-спектрометрических течеискателей:



Значительное превышение вышеуказанных параметров гелиевого масс-спектрометрического течеискателя ТИ1-22 с турбомолекулярным насосом фирмы ALCATEL (рисунок 1) и его возможность предварительной откачки небольших объемов исследуемых объектов за счет наличия системы автоматики и байпасной линии течеискателя предопределило выбор данного типа течеискателя для проверки на герметичность уплотнительных прокладок разъемных соединений МБК.

Перед началом испытаний, а также в процессе их проведения, течеискатель должен калиброваться с помощью диффузионной гелиевой течи. В качестве таких течей необходимо применять серийно выпускаемые течи «Гелит», обеспечивающие стабильные гелиевые потоки в диапазоне от 3 10-12 до 2 10-8 м3 Па/с. Учитывая важность контролируемых объектов (УКХ) течи должны быть аттестованы.

В результате градуировки определяется цена деления шкалы выходного прибора течеискателя [8].

Поток газа через неплотность может быть турбулентным, вязкостным, молекулярным или промежуточным – молекулярно-вязкостным. Режим течения стандартизации не поддается, так как характер потока определяется соотношением между давлением и не поддающейся измерению геометрией течи, поэтому условия течеискания (перепад давления, направление потока пробного газа и другие) устанавливают соответствующими условиям эксплуатации объекта [9].


Рисунок 1. Внешний вид масс-спектрометрического течеискателя ТИ1-20

При контроле герметичности уплотнительных прокладок разъемных соединений внутренней и наружной крышки ТУК-108/1 на стадии изготовления опытного образца ТУК МБК-ВМФ (ТУК-108/1), а также приемно-сдаточных испытаний опытного образца и серии металлобетонных контейнеров ТУК-108/1, зав.№№ 50-71 способом вакуумной камеры (с помощью гелиевого течеискателя) получены утечки по гелию для внутренней крышки в пределах от 1,32 10-10 м3Па/с до 2 10-8 м3 Па/с, для наружной крышки – от 1,7 10-10 м3 Па/с до 1,15 10-7 м3 Па/с [10, 11].

Для контроля герметичности манометрическим методом (здесь и далее имеется в виду способ контроля по падению давления) ОАО “КБСМ” разработан «Блок измерительный – передвижной» (рисунок 2), в состав которого входит «Устройство присоединительное» (рисунок 3), имеющее современные измерительные средства: высокоточный датчик абсолютного давления, термопреобразователь и технологические измерители – регуляторы, фиксирующие на своих табло текущие значения давления и температуры пробного газа, а именно:

- Датчик давления Метран-100-ДА-1061-АС-11-МП-t10-010-4 МПа (назначение – измерение абсолютного давления газов в системах контроля технологических процессов на объектах атомной энергетики);

- Термопреобразователь сопротивления медный ТСМ Метран-203-02-60В-2-1-И10-У1.1-02-60 (назначение – измерение температуры жидких и газообразных сред);

- Измеритель - регулятор технологический ИРТ 5922А (индикация – светодиодный четырехразрядный индикатор с плавающей точкой, отображающий текущее значение измеряемого параметра).

При малых утечках и недостаточно продолжительном контрольном промежутке времени нельзя исключить того, что разница между начальным и конечным давлением может оказаться значительно меньше погрешности измерений при использовании выше названных измерительных средств, что не позволит сделать правильный вывод о степени герметичности проверяемого уплотнения.

Оценка погрешности получаемых результатов измерений при использовании выше названных измерительных средств показала, что верхняя и нижняя граница интервала, в котором с доверительной вероятностью Р=0,95 может находиться абсолютная погрешность измерения падения давления, составила составляет:



где hspace=4 – абсолютная погрешность косвенного измерения падения равдения;

к = 1,96 – среднее значение коэффициента при равномерном законе распределения случайных погрешностей и доверительной вероятности Р = 0,95, выбранной , исходя из жестких требований к радиационной безопасности контейнеров для хранения отработавшего ядерного топлива.





Допуская относительную погрешность получаемого результата косвенного измерения hspace=4 равной hspace=4 определено минимальное допустимое значение падения давления за счет утечек через сквозные дефекты уплотнительных прокладок, составит:



Исходя из этого значения, а также из допускаемой скорости падения давления во времени в контролируемом объеме с учетом требуемой нормы герметичности [Qст], м3Па/с, через уплотнительный элемент разъемного соединения УКХ, можно рассчитать величину необходимого контрольного времени hspace=4 мин, для оценки герметичности уплотнительного узла УКХ (с учетом консервативного подхода, пренебрегая поглощением азота материалом уплотнения и его проницаемостью) по формуле:



где hspace=4 – минимальная величина контрольного времени, мин;

где hspace=4 – минимально допускаемое значение падения давления, кПа, (кПа?рminут?4 кПа);

где hspace=4 – допускаемая скорость падения давления, кПа/мин;

[Qст] – допускаемая величина течи через сквозной дефект разъемного соединения, уплотненного прокладкой, в стандартных условиях, м3Па/с;

hspace=4 и hspace=4 – коэффициенты динамической вязкости для гелия и азота hspace=4

Рн – начальное абсолютное давление азота в контролируемом объеме, кПа;

Ратм – атмосферное давление, Ратм = 101 кПа;

Vп и Vк – внутренний объем присоединительного устройства и объем межпрокладочной канавки и проходки к ней, м3.

Таким образом, процедура контроля герметичности контейнера манометрическим методом сводится к следующему:

После заполнения контролируемого объема сжатым азотом до абсолютного давления (2100±100) кПа и его отсечки от системы подачи газов сначала производят выдержку в течение не менее 1…1,5 ч для выравнивания в нем давления и температуры сжатого азота, затем засекается момент времени, при котором с табло измерителей-регуляторов датчика давления и термопреобразователя снимаются начальные показания, а через контрольный промежуток времени hspace=4 установленный для данного уплотнительного узла, снимаются их конечные показания. Значение падения давления азота hspace=4 сравнивается с его допускаемым предельным значением 4 кПа.

При отличии температуры пробного газа в конце измерений от начального значения необходимо величину падения давления hspace=4 скорректировать по формуле: hspace=4

Если hspace=4<4 кПа, контроль герметичности на этом завершается и уплотнение крышки контейнера считается герметичным, если значение hspace=4 превышает 4 кПа, то спустя 15...30 мин измерения повторяют снова, после чего могут возникнуть две ситуации:

- вычисленное значение hspace=4 уменьшилось по сравнению с ранее полученным, но, по-прежнему , превышает 4 кПа; это свидетельствует о том, что процесс выравнивания давления в контролируемом объеме не закончился и через последующие 15...30 мин необходимо продолжить контроль, добиваясь необходимого результата (hspace=4<4 кПа);

- вычисленное значение hspace=4 осталось прежним, т.е. равным предыдущему значению (hspace=4 >4 кПа), что свидетельствует о завершении процесса стабилизации падения давления и о том, что требуется принять дополнительные меры по повышению герметичности, а именно: подтянуть уплотнения присоединительного устройства, проконтролировать моментным ключом затяжку болтов крепления проверяемой крышки контейнера и при необходимости их также подтянуть. После этого контроль герметичности следует повторить заново.

В таблице 1, как пример, приведены расчетные значения допускаемой скорости падения давления [hspace=4], кПа/мин, в контролируемых объемах УКХ-109 и минимально необходимое контрольное время измерений hspace=4, мин, при начальном давлении азота в контролируемом объеме (2100+100) кПа.

Следует отметить, что при манометрическом методе контроля определяется не фактическая величина утечки через сквозные дефекты проверяемого уплотнения (в отличии от масс-спектрометрического метода), а соответствие узла герметизации требованиям КД по герметичности, так как падение давления в контролируемом объеме происходит не только за счет утечек через проверяемое уплотнение, но и через технологическое уплотнительное кольцо, через соединение отсечного клапана с присоединительным устройством, а также через соединение в самом присоединительном устройстве и измерение падения давления прекращается при достижении выполнения условия hspace=4 <4 кПа за hspace=4, а опыт, накопленный при проведении контроля герметичности уплотнительных узлов контейнеров, показывает, что после подачи сжатого азота в контролируемый объем и перекрытия отсечного клапана зависимость изменения давления газа в начальный момент времени в объеме имеет нелинейный характер и более высокую скорость падения на начальном участке, что является следствием выравнивания давления и температур азота по всему контролируемому объему и это особенно заметно при контроле герметичности уплотнительных прокладок, устанавливаемых в канавку, выполненную в виде «ласточкиного хвоста», что надо учитывать при оценке герметичности уплотнительных прокладок такого исполнения.

Таблица 1. Минимальное допустимое время контроля <4 кПа за hspace=4 при предельно допустимой величине падения давления азота в контролируемом объеме, проверяемого узла герметизации <4 кПа за hspace=4 ( после выравнивания давления и стабилизации температуры)



Величина натекания через такую уплотнительную прокладку в этот начальный период контроля может не превышать допустимой величины утечки через нее, но быть значительно больше ее фактического значения.

Принятый подход оценки герметичности уплотнительных прокладок при манометрическом методе контроля позволяет сократить время контроля до минимума, что особенно важно при контроле герметичности МБК, загруженного ОЯТ на объектах эксплуатации УКХ.

На основании выполненного анализа методов контроля герметичности специалистами ОАО «КБСМ» разработаны и введены в рабочую документацию требования по контролю герметичности разъемных соединений металлобетонных контейнеров для хранения и транспортирования ОЯТ на различных этапах технологического цикла обращения с ними.

В настоящее время проводятся работы по систематизации и анализу экспериментальных материалов, полученных при контроле герметичности уплотнительных прокладок серии металлобетонных контейнеров, разработанных ОАО «КБСМ», на объектах эксплуатации УКХ.

Список использованных источников:
1. Унифицированная методика контроля основных материалов (полуфабрикатов) сварных соединений и наплавки оборудования и трубопроводов АЭУ. Контроль герметичности. Газовые и жидкостные методы, ПНАЭ Г-7-019-89, М., 1990.
2. ОСТ 11 0808-92. Контроль неразрушающий. Методы течеискания.
3. American National Standard for radioactive materials-leakage Tests on Packages for Shipment. ANSI № 14.5-1987. American National Standards Institute.Inc.Approved January16, 1987.
4. INTERNATIONAL STANDARD.ISO 12807-1996 (E). Safe transport of radioactive materials-leakage testing on packages.
5. Технический отчет. Доработка методики вакуумметрического метода контроля герметичности уплотнений внутренней и наружной крышек контейнера ТУК-108/1. , С.-Петербург, 2005.
6. ТУ 2531-024-0015081-99. Изделия резинотехнические (кольца уплотнительные) для металлобетонных контейнеров.
7. Акт приемочных испытаний опытного образца двухцелевого упаковочного комплекта ТУК МБК ВМФ (ТУК-108/1) с загрузкой-выгрузкой ОЯТ на объекте «09» г.Северодвинск (этап 2) от 16 августа 2000 г.
8. Течеискатель масс-спектрометрический ТИ1-22. Руководство по эксплуатации ТФИЯ.406239.013-01 РЭ.
9. ГОСТ 28517-90. Контроль неразрушающий. Масс-спектрометрический метод течеискания.
10. Карты контроля герметичности внутренней крышки ТУК-108/1 (зав.№№ 50-71) № 048 с 31.08.03г. по 4.04.04г. ФГУП «ПО «Севмаш».
11. Карты контроля герметичности наружной крышки контейнера ТУК-108/1 (зав.№№ 50-71) № 034 с 12.11.03г. по 9.06.04г. ФГУП «ПО «Севмаш».

По материалам Международной конференции «Стратегия безопасности использования атомной энергии»

назад

Материалы из архива

5.2008 Японский физик заявил о проведенной реакции холодного ядерного синтеза

Ещё одна группа учёных заявила о том, что ей удалось провести в лабораторных условиях реакцию холодного ядерного синтеза. Заслуженный профессор в отставке Йосиаки Арата из Университета Осаки и его китайский коллега Юэчан Чжан из Шанхайского университета представили результаты эксперимента, в ходе которого было зафиксировано не предусмотренное известными законами выделение энергии.

10.2007 Программный комитет ярмарки «Атоммед-2007» провел первое заседание

Программный комитет ярмарки «Атоммед-2007» провел первое организационное заседание. В его работе приняли участие представители Российского агентства по здравоохранению, Комитета Государственной Думы по образованию и науке, Комитета Государственной Думы по охране здоровья, Главного военно-медицинского управления Министерства Обороны, Торгово-промышленной палаты РФ, ОАО «Российские железные дороги», Московского научно-исследовательского Онкологического института им. П.А. Герцена

6.2008 Реформы не ради реформ

Редакционная статья «Независимого военного обозрения»: - В Минобороны запланировано совещание, где будет определяться облик Вооруженных сил страны. Это станет как минимум пятой попыткой реформирования Российской армии… Покойный маршал России Игорь Сергеев пытался выйти из кризиса, создать стратегические силы сдерживания, объединить под единым руководством РВСН, авиационные и морские СЯС, СПРН, Систему контроля космического пространства.