臥式蒸汽發生器傳熱管渦流檢測缺陷信號的準確性

曾玉華，吳海林，韓　捷，王家建,陳　霞,陳勝宇

(中核武漢核電運行技術股份有限公司， 武漢 430223)

?

臥式蒸汽發生器傳熱管渦流檢測缺陷信號的準確性

曾玉華，吳海林，韓捷，王家建,陳霞,陳勝宇

(中核武漢核電運行技術股份有限公司， 武漢 430223)

摘要：分析了臥式蒸汽發生器傳熱管缺陷產生的原因，通過對含應力腐蝕缺陷傳熱管的渦流檢測結果與缺陷解剖結果對比，分析了渦流檢測誤差產生的原因，總結出缺陷特性對測量結果的影響規律，為提高渦流檢測信號的準確性提供依據。

關鍵詞：傳熱管;渦流檢測;誤差分析;測量準確性

VVER-1000M臥式蒸汽發生器是核電站蒸汽供給系統中核安全的重要設備之一，是一、二回路間熱交換的樞紐，屬于一回路壓力邊界，因此對蒸汽發生器(特別是傳熱管)的在役檢查具有十分重要的意義。然而VVER-1000M蒸汽發生器在材料和結構上具有特殊性，給蒸汽發生器傳熱管的檢測帶來許多困難。國內某個機組蒸汽發生器傳熱管在調試過程中出現了大面積的氯離子應力腐蝕，甚至出現了一些超標的裂紋，盡管技術人員已對超標的幾百根傳熱管實施了堵管，但仍有大量未超標的傳熱管在使用中。故針對臥式蒸汽發生器傳熱管的缺陷進行渦流檢測，對渦流檢測結果進行分析，對減小渦流檢測的誤差具有重要意義[1-2]。

筆者通過對VVER-1000M蒸汽發生器高壓加熱器換熱管(以下簡稱高加管，其與蒸汽發生器傳熱管材料一致，尺寸非常接近)應力腐蝕缺陷的渦流檢測與金相解剖數據進行對比，得到檢測誤差，分析了臥式蒸汽發生器傳熱管渦流檢測缺陷的準確性。

1影響渦流檢測結果的因素

傳熱管有幾種不同的降質機理，主要為一次側應力腐蝕(PWSCC)、二次側垢下應力腐蝕(ODSCC)、點蝕、微振磨損、凹陷等[3]。無論是VVER(水高能反應堆)還是PWR(壓水反應堆)機組，二回路水質都是導致蒸汽發生器傳熱管降質的最重要的原因，二回路水質變劣將會使傳熱管經歷結垢到應力腐蝕再發展成裂紋的過程。而VVER-1000M采用臥式蒸汽發生器傳熱管，其發生應力腐蝕缺陷的解剖圖片顯示缺陷在傳熱管上呈點坑和樹狀裂紋(點蝕+裂紋)分布，并且表面顯示有開口裂紋(見圖1及圖2)。

圖1　缺陷管應力腐蝕缺陷金相

圖2　缺陷管表面開口裂紋

傳熱管的降質情況是通過定期的渦流檢測進行監測的，目前渦流檢測是傳熱管檢測最有效的技術。然而與其他檢測技術一樣，渦流檢測也存在誤差。渦流檢測誤差包括檢測人員、檢測設備(包括數據采集系統和分析系統) 、使用的標準和檢測程序帶來的誤差，還包括缺陷的形狀(性質)、方向和尺寸大小等產生的誤差[4]。

在檢測實踐和試驗中發現：對于一個比較規則的缺陷，在不同的時間內多次檢測或由不同的人員進行檢測，檢測結果相差不大；對于一個不規則的缺陷，不同的人員進行檢測可能存在較大的差異，主要是缺陷顯示的不規則造成的，但對有豐富經驗的人員，相互之間檢測的結果差異較小。因此，在正常情況下，設備及檢測人員不是檢測誤差產生的主要原因，而檢測方法產生的誤差(如實際缺陷的形狀、大小和方向與標定管上人工缺陷的差異)是導致測量誤差的真正原因[5-7]。

2檢測準確性分析流程

選擇退役的VVER-1000M蒸汽發生器高加管作為研究對象。由于退役的VVER-1000M蒸汽發生器高加管含有氯離子應力腐蝕缺陷，且高加管的材料與蒸汽發生器傳熱管一致(材料皆為08X18H10T)，只在尺寸上有微小差別(蒸汽發生器傳熱管規格為φ16 mm×1.5 mm；高加管規格為φ16 mm×1.4 mm)。對于管徑不同(±0.1 mm誤差)帶來的檢測誤差問題，在此未考慮。

對高加管進行軸繞式探頭(即Bobbin探頭)渦流數據采集及數據分析，并對已選定進行解剖的高加管進行旋轉探頭(即MRPC)數據復探及數據分析統計，并通過滲透檢測方法(即PT)對渦流檢測已發現缺陷進行定位及標記。

將高加管缺陷解剖結果與渦流檢測結果進行數據對比及分析，總結出缺陷各種特性對檢測結果的影響規律。對缺陷信號檢測準確性分析流程如圖3所示。

圖3　缺陷信號檢測準確性分析流程

3試驗過程

3.1高加管缺陷信號采集及分析

圖4　不同探頭對高加管的渦流檢測信號數據

采用ZETEC公司生產的MIZ-70渦流儀，以200 kHz作為主檢測頻率，采用型號為SBSU-11.5-LF-16M-4A/MS的Bobbin探頭進行渦流檢測。以主頻通道下的差分通道做為主判傷通道，以標定管上通孔缺陷在主頻通道下的信號響應相位角為40°時的旋轉角度為基準角度，幅值設置為10 V，并歸一化到其他通道，進行參數設置。再根據采集到的標定管上缺陷響應信號制作相位判傷曲線，依次對高加管自由段的缺陷信號進行數據采集分析及缺陷深度測量，由此獲得退役高加管上缺陷所產生的渦流信號數據，如圖4所示。

3.2擬解剖缺陷選擇及缺陷位置確定

為確保缺陷采樣的普遍性和針對性，按照缺陷深度分段原則，以幅值大于0.5 V,深度在管厚的30%～70%缺陷為主。共在不同的分段上選擇了41個缺陷，再利用滲透檢測方法對缺陷位置進行標記，以待解剖。缺陷定位及標記示例如圖5所示。

圖5　缺陷位置確定及標記示例

3.3高加管解剖和研磨

解剖和研磨工作內容包括：試樣取樣、試樣制備、解剖分析、金相研磨、缺陷分析、微觀金相、缺陷檢驗、缺陷標定等。

選取的41個試樣上均包含有渦流檢測和滲透檢測發現的缺陷，將含有缺陷的試樣線切割成兩段。對于PT顯示的軸向缺陷，從缺陷中間用線切割切開；對于PT顯示的“點狀”缺陷，從缺陷旁邊0.5 mm處用線切割切開；對于無明顯PT顯示的缺陷，從渦流檢測結果旁0.5 mm處用線切割切開，制取兩段試樣。將兩段試樣用冷鑲嵌的方式固定樣品，如圖6所示，鑲嵌好的試樣在外表面a側、b側做好標記。從缺陷切面向兩邊研磨，每研磨0.5 mm左右，按照粗磨、細磨、拋光的方法觀察拍照，記錄缺陷的變化情況(如圖7～9所示)。

圖6　試樣冷鑲嵌固定示意

圖7　切割面示意

圖8　試樣取樣研磨面編號示意

圖9　缺陷擴展原理示意

4試驗結果

4.1高加管檢測深度與解剖深度的誤差

整理解剖數據，只取幅值不小于0.5 V的樣本進行統計，對高加管解剖深度與渦流檢測分析深度數據進行對比，得出缺陷解剖深度占管厚比與渦流檢測深度占管厚比的相關性圖，見圖10。

圖10　缺陷解剖深度與渦流檢測深度相關性

4.2渦流檢測方法中產生檢測誤差的原因分析

渦流檢測方法采用當量對比的方法確定缺陷大小，通過繪制標定管上人工缺陷大小和深度關系的曲線，將檢測信號相位或幅度值與標準曲線進行對比，以此來確定缺陷的深度和大小。而實際缺陷的形狀、大小與人工缺陷的形狀、大小有所不同，有的甚至相差很大，因而檢測的準確性就存在質疑[8]。

在通常情況下，實際缺陷與標定管上人工缺陷形狀和尺寸相近時進行判定會較準確;反之,實際缺陷與標定管上人工缺陷形狀和尺寸差別越大，缺陷深度測量誤差就越大，誤差是由檢測方法引起的。此外,檢測探頭的直徑大小(填充系數)對檢測結果也有影響，檢測探頭的直徑越大，缺陷信號幅值越大，缺陷信號相位值反而越小。

5結論

(1) 相同深度的缺陷，缺陷的大小不同，會導致深度檢測誤差不同。

(2) 在一定范圍內，缺陷的深度相同，缺陷越大，則幅值越大;其相位角越小，深度檢測誤差越小；缺陷越小，則幅值越小;其相位角越大，深度檢測誤差越大。

(3) 缺陷的深度相同，大小不同時，則在一定的大小范圍內缺陷大小與檢測的相位角成線性關系。

(4) 缺陷的深度相同，形狀不同時，即使測量幅值相同，測量深度誤差也不同，如通孔與裂紋。

(5) 檢測探頭的直徑不同，檢測的幅值和相位也不同。

(6) 就相同大小和形狀的缺陷而言,檢測探頭的直徑變大，則檢測幅值變大，且相位角變小。

參考文獻:

[1]姚運萍,韓捷.核電站管道缺陷渦流定量檢測的可靠性分析[J].核動力工程，2009,30(4):17-20.

[2]韓捷,廖述圣.蒸汽發生器傳熱管渦流檢驗中多缺陷信號判別的可靠性[J].無損檢測, 2010,32(12):935-939.

[3]丁訓慎.核電站蒸汽發生器傳熱管的點腐蝕及其防護[J].腐蝕與防護， 2007,21(1):15-18.

[4]徐可北,周俊華.渦流檢測[M].北京:機械工業出版社, 2006:21-39.

[5]JACKSON J D. Classical Electrodynamics [M] .北京:高等教育出版社, 2004:241-242.

[6]DAI X W R. Numerical simulation of pulsed eddy-current nondestructive testing phenomena[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 1990,26(6):3089-3096.

[7]MARK W C. Theory for coil impedance of a conducting half space: analytic results for eddy current analysis[J]. Journal of Applied Physics, 2001,89(4):2473-2481.

The Accuracy of Defect Measurement by Eddy Current Testing for Horizontal Steam Generator Tubes

ZENG Yu-hua, WU Hai-lin, HAN Jie, WANG Jia-jian, CHEN Xia, CHEN Sheng-yu

(China Nuclear Power Operation Technology Corporation Ltd., Wuhan 430223, China)

Abstract：The defect mechanism in horizontal steam generator tubes was analyzed, and the results of stress corrosion defects in the tube obtained by eddy current testing and metallographic analysis were compared. Furthermore, the reason of error due to eddy current testing was analyzed. The regularity of effect of different defect characters on testing results is presented.

Key words:Steam generator tube; Eddy current testing; Error analysis; Measurement accuracy

中圖分類號：TG115.28

文獻標志碼：A

文章編號：1000-6656(2016)01-0034-04

DOI:10.11973/wsjc201601009

作者簡介：曾玉華(1980-)，男，工程師，主要從事核設備無損檢驗技術研究和檢查工作。

收稿日期：2015-05-12