凝汽器管板區傳熱管的渦流MRPC探頭檢測

郭 韻，楊勁松，曹 剛

（國核電站運行服務技術公司，上海 200233）

核電廠的凝汽器是將汽輪機蒸汽冷凝成水的一種換熱器，由殼體、管束、熱井、水室等部分組成。汽輪機的排汽通過喉部進入殼體，在冷卻管束上凝成水并匯集于熱井，由凝結水泵抽出，管束材料一般為鈦合金［1］。其常見缺陷為管內異物造成的管破損、蒸汽沖刷造成的管大面積減薄以及振動引起的管疲勞開裂等。

凝汽器傳熱管檢測一般采用的是渦流檢測技術，內穿式Bobbin（軸繞式）探頭能夠有效地發現凝汽器傳熱管大部分區域的常見缺陷。而在管板區（即管板所在管子的一段區域），由于受到脹管信號以及管板末端信號的影響，Bobbin探頭在該區域存在檢測盲區（圖1）。為了解決Bobbin探頭檢測的盲區問題，通常還在管板區和管口補充進行目視檢查，但存在漏檢和無法判斷缺陷深度等問題。

圖1 凝汽器管板區結構Bobbin探頭信號

MRPC探頭（多檢測線圈旋轉探頭）是一種由多個檢測線圈構成的渦流旋轉探頭，具有檢測靈敏度高、信號C掃顯示以及能夠發現結構信號下的缺陷等優點。文章采用MRPC探頭檢測凝汽器傳熱管管板區的缺陷，結合試驗，研究使用MRPC探頭檢查凝汽器傳熱管管板區缺陷的可行性和其檢查效果。

1 試驗描述

試驗設備采用ZETEC公司的MIZ－80iD渦流儀和配套HP工作站，探頭采用ZETEC公司MRPC探頭。探頭置有高頻Pancake（扁平）線圈、中頻Pancake線圈和“＋”線圈。MRPC結構如圖2所示。

圖2 MRPC探頭結構圖

“＋”檢測線圈是差分渦流線圈的一種特殊類型，也是放置式線圈的一種。由于“＋”線圈具有兩組線圈“＋”字交叉排布的特殊結構（圖3），使得其既能檢查周向裂紋又能檢查軸向裂紋（周向線圈對軸向裂紋敏感，軸向線圈對周向裂紋敏感），另外差分式的結構能減少提離效應對其信號的影響（兩個方向線圈差分比較連接，消除了共模信號），提高了信噪比。“＋”線圈的最大特點是其具備辨識缺陷方向的能力，與“＋”線圈兩組線圈繞向同向的缺陷信號在信號圖上是反向的（由周向和軸向兩組線圈差分比較連接方式造成的）。

圖3 “＋”線圈結構

基于“＋”線圈的高靈敏度和缺陷方向的辨識能力，采用MRPC探頭的“＋”線圈對缺陷進行分類和尺寸測量是合理的。

試驗樣管采用與凝汽器同種材料相同尺寸（25.4mm×0.7mm）的鈦管，在管內壁加工不同深度和尺寸的人工缺陷，缺陷類型為周向槽（內壁／外壁）、軸向槽（內壁／外壁）、環槽和平底孔，缺陷深度選擇20%～100%壁厚。其中槽的寬度從3.2mm變化至0.13mm。

試驗參數方面，檢測頻率從700～35kHz共8個頻率 （選擇 700，600，500，400，300，200，100，35kHz這8個涵蓋渦流儀頻段的頻率點），采樣率2500點／s，電機轉速900r／min。噪聲信號設置為水平方向，軸向信號向上，周向信號向下。

試驗目的是通過研究不同深度、不同方向的內外壁缺陷信號特征，摸索MRPC探頭的缺陷定性、定量方法。

試驗最后通過自制凝汽器管板模擬件，利用模擬件上位于管板區脹管上人工缺陷，檢驗MRPC探頭的檢測效果。

2 試驗結果

2.1 缺陷特征

原理上，參數設置后，“＋”線圈的信號特征是軸向信號向上周向信號向下。但實際上由于兩個方向的線圈先后掃過缺陷，以及缺陷本身在周向和軸向總存在一定寬度，所以缺陷信號并不簡單遵循上述原則，即實際上即便周向信號也有向上分量，而軸向信號也有向下分量。

試驗的目的是將不同類型的缺陷（不同長、寬、深和方向）信號特征化和分類。

根據MRPC探頭“＋”線圈檢測試驗樣管上對于不同類型缺陷信號響應，將信號特征歸納如表1。

表1 MRPC“＋”線圈通道信號特征描述

對于缺陷信號可以分為周向線性信號、軸向線性信號和圓形缺陷。而根據缺陷的寬度又將線性缺陷細分為裂紋性和非裂紋性的缺陷。

對應于表1，“＋”線圈缺陷信號的C掃信號如圖4和圖5所示（注：圖4（a）和圖4（b）、圖4（c）和圖4（d）以及圖5（a）和圖5（b），兩兩都為信號C掃圖上下翻轉關系）。

2.2 缺陷尺寸測量

缺陷的軸向長度和周向角度可以在缺陷信號C掃成像圖的軸向和周向上依據信號邊緣幅值降6dB法進行測量。對于線性缺陷，僅測量其長度，對于圓形缺陷需要測量其周向角度和軸向長度。而對于凝汽器管板區傳熱管的缺陷，最關注的是其缺陷的深度（缺陷深度是決定是否堵管的判據）。

通過對各種尺寸和類型缺陷的試驗研究，發現缺陷信號的幅值主要受缺陷體積量影響，而信號相位主要受缺陷深度影響。因此，考慮采用建立傷深－相位曲線的方法來測量缺陷的深度。

為了找到最佳深度測量頻率，依據對于內壁缺陷在不同頻率下（選擇檢測頻率600，500，400，300和200kHz）的內壁缺陷深度測量誤差試驗（凝汽器主要缺陷位于內壁）。對不同深度缺陷，在不同頻率下，采用上述6個頻率測量這些缺陷的深度。深度和檢測相位的測試結果如圖6所示，圖中離散點為測量值點，直線為采用校準樣管測量結果繪制的傷深－相位曲線。試驗結果表明500和600kHz這兩個頻率的測量結果差異較小，因此選擇500和600kHz作為測量內壁缺陷的測量頻率。

依據校準樣管內壁20%，40%，60%，80%壁厚深度的人工缺陷和校準樣管外壁20%，40%，60%壁厚深度的人工缺陷的信號測量結果，通過ZETEC的軟件擬合傷深－相位曲線，用于實際缺陷的深度測量。注意：對于100%深缺陷，一般缺陷深度會發生突變，其相位角會比80%內壁缺陷更小。為了將外傷和內傷曲線相連，100%采用估計值。

依據上述人工缺陷，擬合四個通道（Ch1和Ch2分別為600，500kHz時觀察軸向缺陷的通道；P1和P2分別為600，500kHz時觀察周向缺陷的通道）的傷深－相位曲線，如圖7所示。前兩者用于測量軸向缺陷，后兩者用于測量周向缺陷。Ch1與P1，Ch2與P2為上下翻轉關系。

實際測量時，先根據2.1節的信號特征判斷缺陷信號類別，如周向線性信號、軸向線性信號或圓形信號等。然后，在C掃圖中找到信號垂直分量絕對值最大的點，測量該點李沙育圖中信號的相位（注意測量周向信號時需將信號翻轉180°，再進行測量）。測量方法如圖8所示。

軸向線性缺陷采用圖7（a）或圖7（b）的曲線進行深度判定；周向線性缺陷采用圖7（c）或圖7（d）的曲線進行深度判定；對于圓形缺陷，根據其信號上下分量的大小，若向上分量大則參照軸向線性缺陷的曲線進行判深，若向下分量大則參照周向線性的曲線進行判深。

3 模擬試件測試

為了檢驗MRPC探頭對于凝氣器傳熱管管板區缺陷的檢測能力，制作了凝汽器管板模擬試件（圖9）。模擬管板上脹接了6根鈦管，尺寸與凝汽器傳熱管相同（φ25.4mm×0.7mm）。管板頂端位置（TTS）附近區域加工尺寸為1.5mm×1.0mm的內壁缺陷。

圖9 凝汽器管板模擬件

對于模擬試件上不同位置的人工缺陷，檢測結果如表2所示。

表2 凝汽器傳熱管管板模擬試件檢測結果

圖10 凝汽器管板模擬件傳熱管缺陷信號

距離TTS不同位置的缺陷C掃圖如圖10所示，缺陷用字母標識。

從檢測結果看：① 采用MRPC探頭的“＋”可以發現傳熱管管板區不同位置（距離TTS－41～47mm）的內壁缺陷，600和500kHz兩個頻率的判傷結果相近。② 傷深測量結果與實際值接近，可以用于實際檢測。

4 結論

依據對MRPC探頭“＋”線圈的檢測試驗，歸納了不同類型缺陷信號的特征以及缺陷尺寸測量方法。凝汽器傳熱管模擬管板測試表明，MRPC探頭能發現全部人工缺陷并能有效測量其深度。

MRPC探頭具有良好的檢測精度和檢測結果的重復性，其信號能夠反映出缺陷形態，且受外部結構信號影響較小。在凝汽器傳熱管檢測中引入MRPC探頭檢測技術能夠增添缺陷的渦流檢查手段。很大程度上，可降低由于結構信號引起的檢測誤差和漏檢率，建議作為凝汽器管板區傳熱管渦流檢查Bobbin探頭的補充檢查或復檢方法。

［1］金軍杭，姚志棟，李海紅.秦山600MW核電凝汽器結構分析［J］.電站輔機，2000（4）：30－32.