M310核電機組在役檢查穩壓器電加熱元件及套管視頻檢查技術

樂磊++劉波++鄭孝綱++桑建軍++胡偉

【摘 要】穩壓器電加熱元件在核電站運行一段時間后，電加熱元件包殼可能會出現貫穿性缺陷，引起電加熱元件變形和腫脹，受包殼的影響電加熱元件套管有可能發生機械失效，出現破口，導致反應堆冷卻劑泄漏，故需對電加熱元件及套管進行在役目視檢驗。針對穩壓器電加熱元件組件的叢林分布、層疊結構和在役檢查時高放射性的特點，介紹流量分配孔的結構和多種檢查思路，研究視距技術和周向覆蓋技術，研制出一套穩壓器電加熱元件及套管的視頻檢驗設備，對電加熱元件及套管的外表面進行遠程目視檢驗。通過在役檢查期間的工程應用，研制的穩壓器電加熱元件及套管視頻檢驗設備滿足在役檢查使用的技術要求。為穩壓器維護提供依據，對預防電加熱元件及套管的失效，保證穩壓器的完整性提供有效手段。

【關鍵詞】穩壓器；電加熱元件；套管；視頻檢查；在役檢查

0 前言

穩壓器又稱為“容積補償器”，它的作用是補償一回路冷卻水溫度變化引起回路水容積的變化和調節一回路系統冷卻劑的工作壓力，以防止一回路系統設備由于壓力過高而損壞或由于壓力過低造成堆內冷卻劑產生容積沸騰，而引起燃料棒過熱燒毀的事故。

壓水堆核電廠普遍采用電加熱式穩壓器，穩壓器的結構呈圓柱形筒體。容器頂部設置有抑制壓力升高的噴霧器，容器的下部垂直安裝著 70～80 根電加熱元件，容器具有足夠的容積，正常運行時，一半容積（～60%）充水，另一半容積（～40%）為保持一定壓力的飽和蒸汽。當負荷突然增加而使一回路壓力下降時，穩壓器內熱水立即汽化，電加熱元件自動開啟，使水加熱，提高汽化量，從而使容器內壓力升高，當負荷突降而使一回路壓力升高時，穩壓器內噴霧器立即噴入冷水，使蒸汽凝結降壓以保持壓力在最高允許壓力以下。為了防止超壓事故，穩壓器頂部設有卸壓閥和安全閥。當一回路壓力超過允許壓力時卸壓閥和安全閥會相應開啟，保證一回路設備安全，卸壓閥和安全閥放出的汽水通過卸壓箱貯存或疏放。

國內某核電機組穩壓器的電加熱器由63根直管狀電加熱元件組成。電加熱元件的包殼外徑約22mm，材料為Z2 CND 17-12，電加熱元件的鎳鉻合金電熱絲放在包殼中，周圍用壓緊的氧化鎂（MgO）粉末與包殼絕緣。電加熱元件通過穩壓器下封頭的電加熱元件套管伸入穩壓器內，并穿過電加熱元件的下支撐板、上支撐板。電加熱元件套管材料為Z2 CND 18-12不銹鋼。通過電加熱元件套管上端與穩壓器下封頭內表面堆焊層的密封焊和下端與電加熱元件包殼的焊接來實現一回路承壓邊界的密封。

根據國外核電站運行經驗反饋，穩壓器電加熱元件在運行一段時間后，會出現變形和腫脹。經過進一步的探究發現是電加熱元件的包殼出現貫穿性缺陷，導致了一回路的冷卻劑進入加熱元件內部，使絕緣材料MgO與水反應生成Mg（OH）2，體積增大，從而使加熱元件的包殼產生變形和腫脹。

穩壓器電加熱元件產生變形和腫脹會對加熱元件的穩定性和可靠性產生很大的影響，受電加熱元件變形和腫脹的影響電加熱元件套管也有可能發生機械失效，出現破口，導致反應堆冷卻劑泄漏。受環境和條件的限制，遠程視頻檢查在此具有很好的優越性。

1 檢查對象和區域

穩壓器內部的電加熱元件，穩壓器內部的電加熱元件套管，電加熱元件套管與穩壓器下封頭內表面堆焊層的密封焊，見圖1。

2 視頻檢查技術方案

為了安全有效地完成穩壓器電加熱元件及套管的視頻檢查工作，檢查攝像頭應能到達被檢區域附近，為此檢查用攝像頭必須能夠穿過電加熱元件上支撐板、下支撐板。設計的視頻檢查設備中應包括檢查攝像頭、監控攝像頭、機械裝置，控制單元四部分主要設備。

2.1 視頻檢查設備組成

穩壓器電加熱元件及套管視頻檢查設備包括：

1）檢查攝像頭，攝像頭整體為圓柱形，具備旋轉、側視、照明功能，能夠對攝像頭周圍的被檢件表面進行觀察；

2）監控攝像頭，攝像頭具備俯仰、旋轉、照明、光學變倍、調焦功能，能夠對檢查攝像頭、視頻檢查機械裝置的工作狀態進行監控和定位觀察；

3）穩壓器電加熱元件視頻檢查機械裝置，為檢查攝像頭和監控攝像頭在穩壓器內部提供周向、徑向、軸向定位功能；

4）視頻檢查機械裝置控制單元，用于控制攝像頭周向、徑向、軸向運動；

5）錄像機與監視器，主要完成視頻信號存儲功能與圖像顯示；

6）試塊與模擬件，視頻檢查標定用試塊為18%灰度卡，灰度卡上繪制有0.2～0.8mm寬的細線。模擬件為加熱元件部分模擬體，用于設備驗證用。

穩壓器電加熱元件及套管視頻檢查設備系統圖見圖2。

圖2 穩壓器電加熱元件及套管視頻檢查設備系統圖

2.2 視頻檢查方案

視頻檢查采用定點周向檢查附近被檢部件的方案，為此對于同一個電加熱元件或電加熱元件套管，以及套管與穩壓器下封頭堆焊層的密封焊，需進行多次不同角度、不同層高的局部檢查完成。

攝像頭在指定的視點上做周向檢查，觀察該視點內所有可見的被檢部件的表面后，再向上或向下步進，在保證被檢件軸向滿足10%的視場覆蓋率的情況下再次做周向檢查，見圖3。

圖3 視頻檢查技術

2.3 技術對比分析

基于檢查對象特點和現場作業環境，本方案編制并分析了兩套不同的檢查實施思路，具體如下：

1）思路1，制定包括檢查攝像頭、監控攝像頭、穩壓器電加熱元件及套管視頻檢查機械裝置的視頻檢查設備和檢查實施方案；

2）思路2，制定包括監控攝像頭、遠程控制視頻檢查小車的視頻檢查設備和檢查實施方案。

技術對比分析詳見表1。

表1 技術對比分析表

經對比分析思路1更合理、可行。

2.3.1 檢查方式技術分析

被檢對象為圓柱狀結構，檢查攝像頭可通過以下3種檢查方式完成全范圍的檢查：

1）攝像頭圍繞被檢件做環形檢查，環形檢查后再向上或向下步進，在保證被檢件軸向滿足10%的視場覆蓋率的情況下再次做環形檢查；

2）攝像頭在指定的視點上，僅對某一個被檢件周向的固定方位向上或向下進行縱向檢查，在保證被檢件周向滿足10%的視場覆蓋率的情況下再次向上或向下進行縱向檢查；

3）攝像頭在指定的視點上做周向檢查，觀察該視點內所有可見的被檢表面后再向上或向下步進，在保證被檢件軸向滿足10%的視場覆蓋率的情況下再次做周向檢查。

對于第一種檢查方式，要求攝像頭能夠圍繞被檢件轉動，為此要求被檢件周圍不能存在結構件的阻礙，同時要求攝像頭具備側視功能，根據穩壓器加熱元件安裝結構，該檢查檢查方式不可行。

對于第二種檢查方式，要求攝像頭能夠在被檢件附近無阻礙地進行向上或向下的縱向運動，為此要求選用直徑小于51mm的攝像頭，從電加熱元件上、下支撐板上的流量分配孔處進行縱向運動，為能夠觀察到被檢件表面要求攝像頭具備側視和旋轉功能。在縱向檢查時還要求攝像頭不能存在晃動或偏移，因此需要設計定位精確高、穩定性好的攝像頭定位工具，否則將會使部分檢查區域發生漏檢。

對于第三種檢查方式，要求攝像頭能夠在被檢件附近無阻礙地進行向上或向下的縱向運動，為此要求選用直徑小于51mm的攝像頭，從加熱元件上、下支撐板上的流量分配孔處進行縱向運動，同時要求攝像頭具備側視功能。在縱向檢查時允許攝像頭存在晃動或偏移，不需要更精確和穩定的攝像頭定位工具，但攝像頭必須具備旋轉功能，手動自動調焦功能，用于觀察不同方位，不同視距的被檢對象。

根據以上分析，第三種檢查方式能夠保證全范圍檢查的同時對攝像頭的定位要求不高，檢查效率相對較高，更具備工程可行性和應用性。

2.3.2 檢查視距技術分析

根據檢查方式分析，攝像頭的檢查視點與上、下支撐板上的流量分配孔同軸，在圖4被檢件視頻檢查圖解中，被檢對象“2”距攝像頭距離為143mm，被檢對象“1”距攝像頭距離為44mm。為保證檢查圖像的有效性，攝像頭的有效視距需在10～200mm內，同時必須具備旋轉功能、手動自動調焦功能，用于觀察不同方位，不同視距的被檢對象。

圖4 被檢件視頻檢查視距分析圖解

2.3.3 檢查周向覆蓋率技術分析

根據上、下支撐板上流量分配孔和被檢件的分布關系，對于一根穩壓器電加熱元件的外表面，電加熱元件套管，以及套管與穩壓器下封頭內表面堆焊層的密封焊，均可通過4個不同的觀察點完成全部檢查，檢查位置及觀察角度詳見圖5、圖6。為此每個觀察點之間夾角約為90°，被檢件表面與攝像頭的最小觀察距離為44mm，根據規范要求觀察角度最小夾角為30°，為此每個視點觀察的被檢件周向覆蓋角約100°，滿足全范圍周向覆蓋檢查的要求。檢查攝像頭采用配置旋轉側視功能鏡頭，能夠對攝像頭周圍的被檢件表面進行觀察。同時配置的耐輻照的LED光源在0-1m范圍內有效，滿足應用需要。

1）檢查攝像頭的水平分辨率高達600TVL，結合模擬放大及圖像增強功能，有效解決了定焦鏡頭相機無法進行光學變倍的缺點，同時使圖像分辨率達到準高清標準。適合表面細節檢驗；

2）檢查攝像頭直徑為40.5mm，能夠通過上下支撐板上直徑為51mm的流量分配孔，可以到達穩壓器下封頭附近的檢查區域；

3）檢查攝像頭能夠耐受1.0E6 rad/h的劑量率，能夠承受總計達2.0E8 rads的累計劑量，能夠滿足在放射性極強的環境中，近距離觀察被檢表面并獲得高質量視頻圖像；

4）檢查攝像頭重量約1.5kg，適合將檢查攝像頭從人孔裝入，并從上向下施放對距人孔約9～11米的檢查區域實施視頻檢查；

5）檢查攝像頭為一體化設計，設備上沒有外露的螺釘等緊固件或部件，能夠有效杜絕異物墜入穩壓器內部；

6）檢查攝像頭鏡頭焦距為17mm，有效視距為0-500mm。檢查攝像頭周圍所有被檢對象均在有效視距內，能夠保證檢查圖像的有效性；

7）檢查攝像頭觀察垂直視角為34°，能夠觀察到穩壓器電加熱元件與上、下支撐板附近的被檢表面和電加熱元件套管與穩壓器下封頭內表面堆焊層的密封焊，滿足全范圍周向覆蓋檢查的要求；

8）檢查攝像頭水平視角45°，能夠保證單個視點被檢件周向覆蓋角約100°，滿足全范圍周向覆蓋檢查的要求。

2.3.4 監控攝像頭技術分析

監控攝像頭采用CNPO開發的CATU水下視頻檢查系統，該設備通過穩壓器人孔裝入穩壓器內部。通過穩壓器電加熱元件視頻檢查機械裝置懸掛在檢查攝像頭附近，對檢查攝像頭的工作狀態，特別是穿過上、下支撐板上的流量分配孔時進行定位監控，見圖3。

3 工程應用

該視頻檢查技術和檢查設備滿足在役檢查使用的技術要求，已得到核電廠業主認可，且已成功應用于我國某核電廠穩壓器的在役檢查，檢查中發現了電加熱元件包殼的缺陷，核電廠根據檢查結果及時對存在缺陷的穩壓器電加熱元件進行了更換，保證了受檢設備的完整性和可靠性。

4 結論

1）檢查攝像頭滿足穩壓器電加熱元件叢林分布、層疊結構的特點，穿過流量分配孔，通過上下支撐板，可達被檢部件實施全范圍覆蓋檢查的要求；

2）監控攝像頭為一體化設計，設備上沒有外露的電氣部件，且使用的緊固件均進行防松脫處理，有效杜絕異物墜入穩壓器內部，監控攝像頭具備俯仰、旋轉、光學變倍、輔助照明功能，懸掛于穩壓器內部，對穩壓器下半部進行全方位監控和細節觀察，監控攝像頭采用氣密封結構，能夠滿足穩壓器內部潮濕的工作環境中；

3）通過在役檢查期間的工程應用，研制的穩壓器電加熱元件及套管視頻檢驗設備滿足在役檢查使用的技術要求，是保證穩壓器安全、可靠運行的重要手段之一。

【參考文獻】

[1]RSE-M 1997壓水堆核島機械部件在役檢查規則[S].

[責任編輯：湯靜]