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嘉峪檢測(cè)網(wǎng) 2018-06-13 18:00
核電廠有種類繁多的熱交換器和承壓設(shè)備，這些核安全設(shè)備在投入運(yùn)行前及正式運(yùn)行后都必須按照相應(yīng)規(guī)范進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，即役前檢查（PSI）和在役檢查(ISI)。由于核電廠自身的特點(diǎn)，這些設(shè)備或在放射性條件下運(yùn)行，或處于高溫高壓的環(huán)境中，故其定期檢測(cè)的周期較頻繁，檢查技術(shù)、檢查規(guī)范和其他相關(guān)要求也更加嚴(yán)格。
渦流檢驗(yàn)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于核電廠，如蒸汽發(fā)生器傳熱管、冷凝器鈦管、高壓加熱器、低壓加熱器、設(shè)備冷卻水熱交換器和汽水分離再熱器換熱管等的檢測(cè)，以及反應(yīng)堆中子通量測(cè)量指套管、反應(yīng)堆壓力容器接管焊縫內(nèi)表面及近表面、反應(yīng)堆壓力容器主螺栓/ 主螺母、反應(yīng)堆壓力容器頂部貫穿件、控制棒束組件（RCCA）、底封頭貫穿件、控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（CRDM）密封焊縫等的檢測(cè)。
核電廠設(shè)備及部件的渦流檢驗(yàn)技術(shù)主要有以下特點(diǎn)：
2 要求對(duì)缺陷進(jìn)行定位、定性和定量：不同于常用的渦流檢驗(yàn)，只做“合格”、“不合格”判別，民用核安全設(shè)備渦流檢驗(yàn)必須對(duì)所報(bào)告的所有信號(hào)顯示進(jìn)行定性，即明確指出該顯示所處的位置和性質(zhì)，如果屬于材料損失性質(zhì)的缺陷信號(hào)，還應(yīng)給出某種當(dāng)量信息用以描述材料損失量。
3 可用于蒸汽發(fā)生器二次側(cè)泥渣高度、外來(lái)物及管子之間接近距離的探測(cè)：對(duì)于核電廠的渦流檢驗(yàn)（尤其是核電廠蒸汽發(fā)生器傳熱管的渦流檢驗(yàn)），會(huì)要求探測(cè)一些“非缺陷類”的參數(shù)，如泥渣沉積高度測(cè)量、外來(lái)物探測(cè)和接近管檢測(cè)等。由于渦流技術(shù)具有的非接觸性和快速性特點(diǎn)，在檢測(cè)這些“非缺陷類”參數(shù)時(shí)具有很大的優(yōu)勢(shì)，但終究屬于間接測(cè)量方法，其測(cè)量的精確性仍然無(wú)法比擬傳統(tǒng)的直接測(cè)量方法。
4 核電廠渦流檢驗(yàn)處于放射性工作環(huán)境：顯而易見(jiàn)，放射性工作環(huán)境對(duì)從事渦流檢驗(yàn)的工作人員、設(shè)備的要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)的渦流檢驗(yàn)。對(duì)于重復(fù)使用的設(shè)備或部件，還存在清洗去污、安全運(yùn)輸及儲(chǔ)存的特殊工藝要求。
5 遠(yuǎn)程控制的自動(dòng)渦流檢驗(yàn)：以蒸汽發(fā)生器傳熱管檢查為例，傳熱管屬于一回路壓力邊界，處于非常高的放射性環(huán)境，具有20~30m的長(zhǎng)度和U型或異型結(jié)構(gòu)，并且管子支承結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一般采用遠(yuǎn)控自動(dòng)化設(shè)備進(jìn)行渦流探頭定位和輸送，并同時(shí)配合多頻渦流儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。
核電廠渦流檢驗(yàn)應(yīng)用現(xiàn)狀
堆芯中子通量測(cè)量指套管檢測(cè)
除第三代核電廠外，反應(yīng)堆堆芯中子通量測(cè)量探頭是通過(guò)穿過(guò)反應(yīng)堆壓力容器底部的內(nèi)嵌有指套管的導(dǎo)向管伸入堆芯中進(jìn)行測(cè)量的。
堆芯中子通量測(cè)量導(dǎo)向管及指套管布置圖
指套管的材料一般為316不銹鋼，根據(jù)核電廠堆型的不同，其數(shù)量和尺寸有所不同，一般內(nèi)徑約5.2mm，數(shù)量約幾十根。指套管全長(zhǎng)一般為14~17m左右。在運(yùn)行期間，一回路流體誘發(fā)振動(dòng)，使指套管與導(dǎo)向管管口之間產(chǎn)生摩擦，進(jìn)而磨損乃至破損。目前對(duì)指套管磨損狀態(tài)監(jiān)督的有效方法是停堆期間（中子通量測(cè)量器抽出后）的內(nèi)穿式渦流檢驗(yàn)。通常選用A.188-T Bobbin探頭（外徑4.775mm，長(zhǎng)度31.75m），其填充系數(shù)可達(dá)84.3%，渦流檢驗(yàn)采用單邊磨損標(biāo)定管，對(duì)指套管磨損深度的分析方法為幅值判傷法。
指套管中磨損渦流顯示信號(hào)圖
由流體誘發(fā)振動(dòng)引起的指套管磨損，多發(fā)生在其外部導(dǎo)向管的內(nèi)徑產(chǎn)生變化處，具體部位有堆芯下柵格板、堆芯支撐板、儀表導(dǎo)管固定板和反應(yīng)堆壓力容器底封頭貫穿件。
檢測(cè)實(shí)踐表明，指套管的磨損現(xiàn)象普遍存在，不同核電廠其磨損程度有所不同。通常要求：如果磨損深度達(dá)到了50%T，需要進(jìn)行拔管移位處理；如果超過(guò)了65%T，需要堵管或換管。
控制棒束組件檢測(cè)
核電廠反應(yīng)堆控制棒束組件（Rod Cluster Control Assembly，以下簡(jiǎn)稱RCCA）是控制核反應(yīng)堆功率的重要裝置之一。RCCA在長(zhǎng)期的運(yùn)行工況下，會(huì)產(chǎn)生腫脹、磨損及裂紋等缺陷。RCCA種類較多（如17×17型RCCA），但結(jié)構(gòu)大體相似。
17×17型RCCA標(biāo)定組件
控制棒的檢測(cè)主要是針對(duì)不銹鋼包殼，采用渦流和超聲兩種檢測(cè)技術(shù)。以17×17型RCCA為例，包殼的材料為AISI 316L不銹鋼（滲氮），其名義尺寸為：外徑9.7mm×內(nèi)徑8.75mm× 壁厚0.475mm。渦流檢驗(yàn)方法能有效檢測(cè)出控制棒包殼的外表面裂紋和腫脹，可測(cè)量出裂紋軸向長(zhǎng)度和位置。渦流檢驗(yàn)采用外穿式探頭，利用幅值分析方法判定裂紋顯示，通過(guò)數(shù)據(jù)的點(diǎn)數(shù)測(cè)量出裂紋的軸向長(zhǎng)度，通過(guò)相位角度判定是否產(chǎn)生了腫脹。
典型RCCA裂紋缺陷顯示渦流信號(hào)圖
在壓水堆核電廠中，蒸汽發(fā)生器傳熱管是反應(yīng)堆冷卻劑（一回路）系統(tǒng)的壓力邊界，其面積占一回路壓力邊界的70％以上，是防止放射性裂變產(chǎn)物逸出的第三道安全屏障。核電機(jī)組堆型不同，蒸汽發(fā)生器傳熱管的材料、尺寸和數(shù)量不盡相同。
不同核電廠蒸汽發(fā)生器傳熱管的主要參數(shù)
核電廠1
傳熱管材料：Inconel-690
傳熱管尺寸/mm：Φ19.05×1.09
傳熱管數(shù)量(根/臺(tái))：4474(立式)
核電廠2
傳熱管材料：Incoloy-800
傳熱管尺寸/mm：Φ22×1.22
傳熱管數(shù)量(根/臺(tái))：2977(立式)
核電廠3
傳熱管材料：Inconel-690
傳熱管尺寸/mm：Φ19.05×1.09
傳熱管數(shù)量(根/臺(tái))：4640(立式)
核電廠4
傳熱管材料：Incoloy-800
傳熱管尺寸/mm：Φ15.88×1.13
傳熱管數(shù)量(根/臺(tái))：3530(立式)
核電廠5
傳熱管材料：08X18H10T
傳熱管尺寸/mm：Φ16x1.5
傳熱管數(shù)量(根/臺(tái))：10978(臥式)
核電廠6
傳熱管材料：Inconel 690 TT
傳熱管尺寸/mm：Φ17.48×1.01
傳熱管數(shù)量(根/臺(tái))：10025(立式)
蒸汽發(fā)生器傳熱管的降質(zhì)主要有發(fā)生在彎管區(qū)、脹管過(guò)渡區(qū)和支撐板處的缺陷，以及傳熱管與防振條的微振磨損等。
蒸汽發(fā)生器傳熱管的缺陷類型和位置
在渦流檢驗(yàn)中，對(duì)于防振條上的微振磨損類缺陷，一般選用磨損標(biāo)定管，采用幅值分析法；對(duì)于類似點(diǎn)蝕的缺陷選用ASME或RSEM規(guī)范的標(biāo)定管（帶通孔和平底孔），采用相位分析法。
防振條上的微振磨損渦流信號(hào)圖
支撐板上的應(yīng)力腐蝕裂紋渦流信號(hào)圖
在核電廠蒸汽發(fā)生器傳熱管的檢測(cè)實(shí)踐中，通常采用Bobbin探頭對(duì)傳熱管進(jìn)行全長(zhǎng)檢驗(yàn)，然后對(duì)所發(fā)現(xiàn)的缺陷顯示采用旋轉(zhuǎn)探頭（MRPC）對(duì)存在異常的不確定顯示進(jìn)行補(bǔ)充檢驗(yàn)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷顯示的定性。渦流檢驗(yàn)不僅可以對(duì)傳熱管缺陷進(jìn)行分析，還可以對(duì)傳熱管進(jìn)行脹管輪廓測(cè)量、二次側(cè)泥渣高度測(cè)量等。在Bobbin探頭信號(hào)的分析中，對(duì)脹管過(guò)渡段的缺陷存在一定的困難，可采用陣列探頭（Array）獲得較理想的分析結(jié)果。檢測(cè)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)少量蒸汽發(fā)生器傳熱管有接近堵管或達(dá)到堵管準(zhǔn)則的缺陷顯示，且實(shí)施了堵管。主要堵管原因有：
在防振條位置上產(chǎn)生了微振磨損，磨損深度接近堵管準(zhǔn)則（如在M310堆型蒸汽發(fā)生器傳熱管上）；
在支撐板位置上發(fā)生了應(yīng)力腐蝕，缺陷深度達(dá)到堵管準(zhǔn)則（如在VVER蒸汽發(fā)生器傳熱管上）；
在管板上方（約50mm位置上）產(chǎn)生了撞擊坑（運(yùn)行過(guò)程中，二次側(cè)異物反復(fù)撞擊傳熱管），坑的深度接近堵管準(zhǔn)則（如在CANDU堆蒸汽發(fā)生器傳熱管上）；
存在有探頭不能通過(guò)的管子也進(jìn)行了堵管。
反應(yīng)堆壓力容器主螺栓/主螺母檢測(cè)
核電廠較大直徑的承壓螺栓主要包括核反應(yīng)堆壓力容器主螺栓和主泵主螺栓等。其一般為雙頭螺栓，規(guī)格從M90到M160，長(zhǎng)度大約1~2m。渦流檢驗(yàn)的范圍為螺紋區(qū)的表面和近表面區(qū)域，在螺栓/螺母的螺紋區(qū)檢測(cè)中，渦流具有靈敏度高，重復(fù)性好，檢測(cè)速度快等優(yōu)點(diǎn)。檢測(cè)的目的是發(fā)現(xiàn)螺紋區(qū)的材料缺損（如腐蝕）和螺紋根部的裂紋。
標(biāo)定螺栓/螺母上刻有深度分別為0.5，1.0，2.0mm的3種人工切槽。其中，深度為1.0mm的人工切槽的渦流信號(hào)，用于對(duì)反應(yīng)堆壓力容器主螺栓/主螺母渦流檢驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，深度為0.5mm的人工切槽的渦流信號(hào)用于設(shè)置檢驗(yàn)記錄標(biāo)準(zhǔn)（見(jiàn)下圖）。螺栓/螺母的渦流檢驗(yàn)采用差分連接的筆式渦流點(diǎn)探頭，頻率約為300kHz，采用單頻幅值分析法。
標(biāo)定螺栓渦流信號(hào)圖
由于渦流檢驗(yàn)的局限性，對(duì)于缺陷的定性和定量比較困難，可根據(jù)需要，采用其他檢測(cè)方法進(jìn)行補(bǔ)充與驗(yàn)證。在檢測(cè)實(shí)踐中，螺栓/ 螺母上的缺齒、齒面磨損等顯示，需要通過(guò)目視檢測(cè)進(jìn)行補(bǔ)充檢測(cè)。
其他設(shè)備的渦流檢驗(yàn)
其他設(shè)備的渦流檢驗(yàn)主要有內(nèi)穿式渦流檢驗(yàn)和表面陣列渦流檢驗(yàn)，如余熱排出熱交換器、凝汽器換熱管CEX、蒸汽發(fā)生器排污冷卻器APG、高壓加熱器HP、低壓加熱器LP、設(shè)備冷卻水熱交換器RCW、汽水分離再熱器MSR、工業(yè)水冷卻器等的傳熱管均采用內(nèi)穿式渦流檢驗(yàn)方法；反應(yīng)堆頂蓋貫穿件內(nèi)/ 外表面、控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)耐壓殼、耐壓管的內(nèi)表面等采用表面陣列渦流檢驗(yàn)技術(shù)。
2 核電廠渦流檢驗(yàn)技術(shù)發(fā)展展望
拓展應(yīng)用范圍
目前渦流檢驗(yàn)技術(shù)在核電廠各類換熱管上的應(yīng)用十分廣泛，且已開(kāi)始應(yīng)用于小范圍的表面檢測(cè)上，但還需要進(jìn)一步拓展其應(yīng)用范圍。由于渦流檢驗(yàn)具有檢測(cè)速度快、無(wú)需耦合劑和易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、可進(jìn)行表面和近表面檢測(cè)的特點(diǎn)，在表面檢測(cè)上有較大的應(yīng)用空間，如壓力容器內(nèi)表面、管道焊縫的外表面和法蘭密封面等。表面檢測(cè)為了達(dá)到一定的覆蓋面積，需要采用柔性陣列渦流檢驗(yàn)技術(shù)，同時(shí)借助探頭提離干擾的抑制技術(shù)，以適應(yīng)被檢對(duì)象的表面形狀?，F(xiàn)在陣列渦流儀已進(jìn)入實(shí)用階段，但柔性陣列渦流探頭技術(shù)未大幅度地應(yīng)用在表面檢驗(yàn)上。
進(jìn)一步提高檢測(cè)靈敏度
為了提高核電廠換熱管的可達(dá)性，通常在換熱管的小彎管區(qū)采用柔性較好的專用Bobbin探頭，但是該種探頭的填充系數(shù)較小，檢測(cè)靈敏度相對(duì)較低，同時(shí)Bobbin探頭比旋轉(zhuǎn)探頭（MRPC）或陣列探頭（Array）的檢測(cè)靈敏度低。
由于旋轉(zhuǎn)探頭的檢測(cè)速度慢，實(shí)用性較差，而陣列探頭不僅檢測(cè)靈敏度高，而且可對(duì)缺陷進(jìn)行定性，因此在進(jìn)一步提高陣列探頭可靠性后，陣列檢測(cè)技術(shù)將有良好的應(yīng)用前景。
自動(dòng)分析和可視化3D顯示
在數(shù)據(jù)分析方面，目前還需要持有分析資質(zhì)和有一定實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的分析人員進(jìn)行手動(dòng)分析。而自動(dòng)分析可縮短檢測(cè)工期，減少檢測(cè)人員數(shù)量，為檢測(cè)工作提供極大的便利。
可視化3D顯示也將為缺陷的直觀識(shí)別帶來(lái)極大便利，其同時(shí)借助于小波變換、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、大數(shù)據(jù)和信息化等技術(shù)，十分有利于檢測(cè)結(jié)果的可視化顯示。
渦流檢驗(yàn)新技術(shù)
隨著現(xiàn)代化步伐的加快，核電廠對(duì)檢測(cè)技術(shù)的要求越來(lái)越高。在物理、機(jī)械、電子、材料學(xué)科和計(jì)算機(jī)技術(shù)、換能器技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、缺陷識(shí)別技術(shù)的發(fā)展與融入等方面，檢測(cè)技術(shù)正在不斷取得新的發(fā)展、新的應(yīng)用，這也將大大促進(jìn)現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，不斷提高核電廠檢測(cè)技術(shù)水平。
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