VVER臥式蒸汽發(fā)生器傳熱管渦流檢驗(yàn)可靠性探討

陳霞

【摘 要】本文分析了VVER臥式蒸汽發(fā)生器（SG）傳熱管降質(zhì)機(jī)理和影響可靠性的相關(guān)因素，通過試驗(yàn)驗(yàn)證，為后續(xù)傳熱管渦流檢驗(yàn)結(jié)果的可靠性分析提供了參考。

【關(guān)鍵詞】VVER；臥式蒸汽發(fā)生器傳熱管；渦流檢驗(yàn)；可靠性

0 概述

臥式蒸汽發(fā)生器（SG）是VVER核電廠的最主要的關(guān)鍵設(shè)備之一，其傳熱管屬于核電廠一回路冷卻劑系統(tǒng)的壓力邊界。由于傳熱管均為壁厚1.5mm左右的薄壁管，而且運(yùn)行工況也十分惡劣，所以傳熱管一直是一回路壓力邊界最為薄弱的環(huán)節(jié)。國內(nèi)外各核電國家均對傳熱管實(shí)施役前檢查和在役檢查。目前對傳熱管普遍采用的檢測方法為渦流檢驗(yàn)，而渦流檢驗(yàn)的關(guān)鍵點(diǎn)和難點(diǎn)在于數(shù)據(jù)分析。在目前核電站的渦流數(shù)據(jù)分析中，遇到不少疑難問題，例如數(shù)據(jù)分析時(shí)對缺陷信號的準(zhǔn)確性判斷問題（包括幅值、傷深等）、缺陷擴(kuò)展問題、材料特性和應(yīng)力腐蝕裂紋的發(fā)展特性等，因此對傳熱管渦流檢驗(yàn)技術(shù)的可靠性研究就顯得格外重要。

本文主要是針對VVER核電廠的SG傳熱管開展相關(guān)技術(shù)研究，主要內(nèi)容如下：通過對VVER臥式蒸汽發(fā)生器（SG）傳熱管降質(zhì)機(jī)理和影響可靠性的相關(guān)因素的分析，經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，為后續(xù)傳熱管渦流檢查結(jié)果的可靠性分析提供了參考。

1 SG傳熱管的降質(zhì)機(jī)理分析

根據(jù)SG的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，傳熱管有幾種不同降質(zhì)機(jī)理。目前主要的降質(zhì)機(jī)理有：

（1）晶間或穿晶應(yīng)力腐蝕（IGASCC或TGASCC）：IGASCC或TGASCC 是二次側(cè)晶間或穿晶應(yīng)力腐蝕開裂。這種腐蝕過程的特點(diǎn)是表面上存在深而細(xì)的裂紋，且表面上帶有來自二次側(cè)的泥渣。對VVER 蒸汽發(fā)生器，因其有高擴(kuò)展率，它是常見的最危險(xiǎn)的腐蝕類型。

（2）孔蝕或點(diǎn)蝕：與IGA/SCC出現(xiàn)部位相同的孔蝕或點(diǎn)蝕，特點(diǎn)是有較大體積的降質(zhì)，比上述的腐蝕淺。點(diǎn)蝕的擴(kuò)展率比IGA/SCC慢，早期易發(fā)現(xiàn)，但點(diǎn)蝕的進(jìn)一步發(fā)展往往會(huì)出現(xiàn)腐蝕裂紋，事實(shí)上點(diǎn)蝕一般都與微小腐蝕裂紋共存。

（3）均勻腐蝕（減薄）：減薄是一種在泥渣區(qū)域出現(xiàn)的常見類型的表面腐蝕。它出現(xiàn)在VVERSG的所有部位。但是它發(fā)展比較緩慢，且呈減速發(fā)展的趨勢，不象前面兩種降質(zhì)機(jī)理危險(xiǎn)。

（4）磨損腐蝕：磨損腐蝕是一種由機(jī)械因素導(dǎo)致的降質(zhì)機(jī)理。由于振動(dòng)或水流沖擊而引起傳熱管支撐結(jié)構(gòu)和傳熱管相接觸部分的磨擦，這時(shí)就會(huì)出現(xiàn)磨損腐蝕傳熱管的表面。由于PWR立式SG結(jié)構(gòu)上的原因，在多個(gè)機(jī)組的立式蒸汽發(fā)生器上都發(fā)現(xiàn)過這種現(xiàn)象。VVER臥式SG雖然沒有發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象，但在停堆檢修打開VVER 臥式SG水下均汽板時(shí)，由于人為的原因可能會(huì)造成均汽板對最上面一層傳熱管的機(jī)械磨蝕（劃傷）。

傳熱管缺陷出現(xiàn)的位置和機(jī)理是不同的，VVER臥式SG傳熱管缺陷出現(xiàn)的位置和機(jī)理主要有如下幾種：在集流管（相當(dāng)于立式SG的管板）未開孔楔形部位頂部垂直軸線的區(qū)域出現(xiàn)的貫穿裂紋、傳熱管脹管區(qū)的晶間應(yīng)力腐蝕、在傳熱管支撐板位置的晶間應(yīng)力腐蝕、傳熱管管端（TT）的沖刷和磨損腐蝕等。

無論是VVER還是PWR機(jī)組，運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)都表明了二回路水質(zhì)是導(dǎo)致SG傳熱管降質(zhì)的最重要的原因，二回路水質(zhì)變劣將會(huì)使傳熱管經(jīng)歷從結(jié)垢到應(yīng)力腐蝕再發(fā)展成裂紋的過程，當(dāng)然由于磨損腐蝕和均勻腐蝕也會(huì)導(dǎo)致管壁磨損引起傳熱管降質(zhì)，但前一種情況要更嚴(yán)重一些。

某核電站臥式蒸汽發(fā)生器傳熱管，其發(fā)生的應(yīng)力腐蝕缺陷的解剖圖片顯示缺陷在傳熱管上呈點(diǎn)坑和樹狀裂紋（點(diǎn)蝕+裂紋）分布，并且表面顯示有開口裂紋（見圖1、圖2）。

SG傳熱管的降質(zhì)情況是通過定期的渦流檢查進(jìn)行監(jiān)督，目前渦流檢驗(yàn)技術(shù)是傳熱管在役監(jiān)督最有效的技術(shù)，在世界核電國家都得到了廣泛的應(yīng)用。然而渦流檢驗(yàn)技術(shù)與其它無損檢驗(yàn)技術(shù)一樣，也存在測量誤差。渦流測量誤差包括檢驗(yàn)人員、檢驗(yàn)設(shè)備（包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和分析系統(tǒng)）、使用的標(biāo)準(zhǔn)和檢驗(yàn)程序產(chǎn)生的誤差，還包括缺陷的形狀（性質(zhì)）、方向和尺寸大小等產(chǎn)生的誤差。

2 渦流檢測可靠性研究中產(chǎn)生誤差的原因分析

渦流檢測方法是采用當(dāng)量對比的方法進(jìn)行缺陷定量，通過繪制標(biāo)定管上人工缺陷大小和深度關(guān)系的判傷曲線，將測量的缺陷信號相位或幅值與標(biāo)準(zhǔn)判傷曲線進(jìn)行對比，以此來確定缺陷信號的深度和大小。而實(shí)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，因而測量的準(zhǔn)確性就存在不確定性。

2.1 缺陷的大小對檢測結(jié)果的影響規(guī)律

為了分析深度相同但大小不同的同類缺陷對檢測結(jié)果的影響規(guī)律，通過下列實(shí)驗(yàn)的方法來驗(yàn)證。

T-05試驗(yàn)管：該試驗(yàn)管尺寸為Ф16mm×1.5mm，在該試驗(yàn)管上有不同直徑大小的通孔（100%深度），分別為Ф3、Ф2、Ф1.5、Ф1、Ф0.75、Ф0.5、Ф0.3（單位：毫米）。采用檢測探頭為Ф11.5mm的內(nèi)穿探頭，以ASME標(biāo)準(zhǔn)建立相位深度曲線，測量該試驗(yàn)管。取測量的7次平均值，其結(jié)果見表1所示。

表1 T-05 通孔試驗(yàn)管加工參數(shù)（Ф11.5mm探頭）

注：NQI-無法準(zhǔn)確定量的缺陷.

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：

①相同深度的缺陷，由于缺陷的大小不同，會(huì)導(dǎo)致深度測量誤差不同；

②缺陷的深度相同，但大小不同，則在一定的大小范圍內(nèi)缺陷大小與檢測的相位角成接近線性的關(guān)系（見圖3）。

圖3 通孔直徑與相位的關(guān)系曲線

圖4 裂紋長度與相位的關(guān)系曲線

2.2 缺陷的形狀（性質(zhì)）對檢測結(jié)果的影響規(guī)律

為了分析缺陷的形狀（性質(zhì)）對檢測結(jié)果的影響規(guī)律，通過下列實(shí)驗(yàn)的方法來驗(yàn)證。

T-04試驗(yàn)管：該試驗(yàn)管尺寸為Ф16mm×1.5mm，在試驗(yàn)管上有不同長度大小的人工裂紋，分別為8mm、6mm、4mm、3mm、2mm、1mm和0.5mm，深度皆為100%，采用的檢測探頭為Ф11.5mm的內(nèi)穿探頭，以ASME標(biāo)準(zhǔn)建立相位深度曲線，測量該試驗(yàn)管。取測量的7次平均值，其結(jié)果見表2所示。

表2 T-04 人工裂紋試驗(yàn)管加工參數(shù)（Ф11.5mm探頭）

注：NQI-無法準(zhǔn)確定量的缺陷.

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：

①相同深度的缺陷，由于缺陷的大小不同，會(huì)導(dǎo)致深度測量誤差不同；

②缺陷的深度相同，形狀不同，測量深度誤差也不同，如通孔與裂紋（見表1或2）。

2.3 檢測探頭的直徑大小對檢測結(jié)果的影響規(guī)律

檢測探頭的直徑大小對檢測結(jié)果也存在影響，為了確定檢測探頭的直徑大小對檢測結(jié)果的影響，通過下列實(shí)驗(yàn)的方法來驗(yàn)證。

檢測探頭直徑變化對T-05試驗(yàn)管測量結(jié)果的影響。

T-05試驗(yàn)管（尺寸規(guī)格見2.1節(jié)），在該試驗(yàn)管上有不同直徑大小的通孔（深度100%），選擇檢測探頭的直徑為Ф12.2mm的內(nèi)穿式探頭，以ASME標(biāo)準(zhǔn)建立相位深度曲線，測量該試驗(yàn)管。取7次測量的平均值，其測量結(jié)果見表3所示。

表3 T-05 試驗(yàn)管測量值（Ф12.2mm探頭）

注：NQI-無法準(zhǔn)確定量的缺陷.

檢測探頭直徑變化對T-04試驗(yàn)管測量結(jié)果的影響。

T-04的試驗(yàn)管（尺寸規(guī)格見2.1節(jié)），在試驗(yàn)管上有不同長度的穿透性人工裂紋，選擇檢測探頭的直徑為Ф12.2mm的內(nèi)穿式探頭，以ASME標(biāo)準(zhǔn)建立相位深度曲線，測量該試驗(yàn)管。取7次測量的平均值，其測量結(jié)果見表4所示。

表4 T-04 人工裂紋試驗(yàn)管加工參數(shù)（Ф12.2mm探頭）

圖5 通孔直徑大小與相位關(guān)系曲線

圖6 裂紋長度與相位的關(guān)系曲線

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：

①檢測探頭的直徑不同，檢測的幅值和相位也不同（如Ф11.5mm與Ф12.2mm探頭）；②檢測探頭的直徑變大，就相同大小和形狀的缺陷而言，則檢測幅值變大，且相位角變小。

3 結(jié)論

影響渦流檢查可靠性的因素有很多，可以分為檢驗(yàn)人員、檢驗(yàn)設(shè)備與器材，缺陷的大小、缺陷的形狀（性質(zhì)），探頭直徑的大小以及管子的本地噪聲的等。通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)實(shí)際缺陷與標(biāo)定管上人工傷形狀和尺寸相近時(shí)其判定會(huì)較準(zhǔn)確，反之與標(biāo)定管上人工傷形狀和尺寸差別越大，缺陷深度定量誤差就越大，這種誤差的產(chǎn)生是由檢測方法本身的所引起的；此外檢測探頭的直徑大小（填充系數(shù)）對測量結(jié)果也有影響，檢測探頭的直徑越大，測量的傷信號幅值越大。

在檢測實(shí)踐和試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：對于一個(gè)比較規(guī)則的缺陷，在不同的時(shí)間內(nèi)多次檢測或由不同的分析人員進(jìn)行檢測，定量檢測結(jié)果相差不大；對于一個(gè)不規(guī)則的缺陷，不同的分析人員進(jìn)行檢測時(shí)可能存在較大的差異，主要是缺陷顯示的不規(guī)則造成的。因此，在正常情況下，設(shè)備及檢測人員不是測量誤差產(chǎn)生的主要原因，而檢測方法產(chǎn)生的誤差（如實(shí)際缺陷的形狀、大小和方向與標(biāo)定管上人工傷的差異）是導(dǎo)致測量誤差的真正原因。其中缺陷的大小和缺陷的形狀（性質(zhì)）是影響渦流檢查不確定度的重要因素。

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[責(zé)任編輯：楊玉潔]