蒸汽發(fā)生器傳熱管二次側(cè)結(jié)垢分布及檢測(cè)方法

夏清友,姚傳黨,曾玉華,王家建

(中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)股份有限公司, 武漢 430223)

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蒸汽發(fā)生器傳熱管二次側(cè)結(jié)垢分布及檢測(cè)方法

夏清友,姚傳黨,曾玉華,王家建

(中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)股份有限公司, 武漢 430223)

在核電站運(yùn)行期間，蒸汽發(fā)生器二次側(cè)管板、支撐板、傳熱管表面均會(huì)有泥渣沉積及結(jié)垢現(xiàn)象發(fā)生。利用渦流檢測(cè)技術(shù)，可以有效檢測(cè)傳熱管外壁泥渣沉積與結(jié)垢的分布。通過(guò)計(jì)算機(jī)建模及圖形處理方法給出結(jié)垢分布結(jié)果,介紹了蒸汽發(fā)生器傳熱管二次側(cè)泥渣結(jié)垢的檢測(cè)及圖形顯示方法。

蒸汽發(fā)生器;結(jié)垢;低頻渦流;分布顯示

壓水堆核電站二回路系統(tǒng)水介質(zhì)中存在固態(tài)的腐蝕產(chǎn)物雜質(zhì)，當(dāng)這些雜質(zhì)隨水介質(zhì)進(jìn)入蒸汽發(fā)生器二次側(cè)后，經(jīng)過(guò)蒸發(fā)、濃縮、匯聚并沉積在蒸汽發(fā)生器管板、支撐板、傳熱管表面以及支撐板與傳熱管的縫隙之間[1]。嚴(yán)重的傳熱管表面結(jié)垢將影響蒸汽發(fā)生器的換熱效率，并危及傳熱管壽命。核電站停堆期間通常會(huì)對(duì)二次側(cè)管板等區(qū)域進(jìn)行視頻檢查(檢查區(qū)域主要包括二次側(cè)管板、預(yù)熱器防沖板、第一支撐板以及預(yù)熱器第三塊折流板等[2])，但視頻檢查范圍有限，無(wú)法對(duì)全部管束及支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢查。鑒于渦流低頻檢測(cè)技術(shù)對(duì)定位傳熱管外壁的支撐結(jié)構(gòu)及泥渣結(jié)垢等附著物有較好的檢測(cè)能力，在役檢查期間可使用該方法對(duì)傳熱管二次側(cè)表面結(jié)垢進(jìn)行測(cè)量及定位。筆者通過(guò)建立傳熱管管束及支撐結(jié)構(gòu)的三維模型，結(jié)合傳熱管結(jié)垢的渦流測(cè)量結(jié)果,在模型中對(duì)傳熱管結(jié)垢分布進(jìn)行了平面圖形、三維圖形顯示，使得結(jié)垢分布更加直觀。該方法能對(duì)結(jié)垢程度、結(jié)垢分布范圍、結(jié)垢位置等進(jìn)行圖形顯示。

1　傳熱管的支撐結(jié)構(gòu)與排列方式

蒸汽發(fā)生器傳熱管的支撐結(jié)構(gòu)主要包括管板、分流板、支撐板及防振條，其作用主要是對(duì)傳熱管管束起到支撐固定作用，減小蒸汽發(fā)生器一、二回路熱交換過(guò)程中流體振動(dòng)對(duì)傳熱管造成的損傷。以國(guó)內(nèi)某核電站立式蒸汽發(fā)生器為例，其傳熱管規(guī)格為φ19.05 mm×1.05 mm的U型管，材料為Inconel 690合金。其兩側(cè)管口與蒸汽發(fā)生器管板一次側(cè)齊平，并在管板內(nèi)進(jìn)行全深度液壓脹，使傳熱管與管板脹接。管束的二次側(cè)支撐結(jié)構(gòu)由下至上分別為1塊流量分配板、9塊支撐板、3組防震條，結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

單臺(tái)蒸汽發(fā)生器傳熱管共4 474根，呈正方形排列，共53行、110列。管板傳熱管分布見(jiàn)圖2。

圖1　管束及支撐結(jié)構(gòu)示意

圖2　管板傳熱管分布

2　結(jié)垢的檢測(cè)

2.1檢測(cè)時(shí)機(jī)

如果要得到完整的結(jié)垢分布結(jié)果，需要對(duì)全部傳熱管進(jìn)行測(cè)量。并且傳熱管外壁結(jié)垢僅在核電站運(yùn)行期間產(chǎn)生,因此適合在歷次十年大修的蒸汽發(fā)生器傳熱管在役檢查期間進(jìn)行結(jié)垢分布的測(cè)量工作。在對(duì)正常缺陷進(jìn)行分析后，對(duì)已進(jìn)行結(jié)垢檢測(cè)的傳熱管完成對(duì)比分析(傳熱管渦流檢測(cè)數(shù)據(jù)需經(jīng)過(guò)兩次獨(dú)立的缺陷分析，并對(duì)兩次分析結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，確認(rèn)最終的數(shù)據(jù)分析結(jié)果，比對(duì)過(guò)程被稱為Resolution)。再對(duì)歷次十年大修結(jié)垢程度及分布進(jìn)行對(duì)比，可以了解蒸汽發(fā)生器二回路結(jié)垢狀態(tài)的變化。

2.2測(cè)量方法

由于低頻絕對(duì)通道對(duì)傳熱管附著物及材料變化有較好的檢測(cè)能力，因此實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，采用低頻絕對(duì)通道對(duì)傳熱管外壁結(jié)垢進(jìn)行測(cè)量。

2.2.1基本原理

渦流檢測(cè)方法是以電磁感應(yīng)原理為基礎(chǔ)，適用于導(dǎo)電材料的一種常規(guī)無(wú)損檢測(cè)方法。當(dāng)載有交變電流的激勵(lì)線圈置于被檢工件表面時(shí)，工件表面會(huì)感應(yīng)出渦流。由于集膚效應(yīng)，工件表面感應(yīng)出的渦流密度隨著距離表面深度的增加呈指數(shù)衰減規(guī)律。激勵(lì)頻率是渦流檢測(cè)的一個(gè)關(guān)鍵因素，當(dāng)激勵(lì)頻率減小時(shí)，渦流滲透深度增加，相應(yīng)檢測(cè)深度也增加。低頻渦流被稱為“低頻”的原因就在于利用較低的頻率穿透試件，以實(shí)現(xiàn)較深部位缺陷的檢測(cè)[3]。有資料顯示，傳熱管外壁結(jié)垢的主要成分為Fe3O4[4]，由于其在常溫時(shí)具有較高的導(dǎo)電率，因此適用渦流檢測(cè)方法。結(jié)垢分布在傳熱管外壁，且檢測(cè)線圈置于管內(nèi)側(cè)，因此需用具有較高滲透深度的低頻渦流檢測(cè)傳熱管的外壁結(jié)垢。

2.2.2數(shù)據(jù)測(cè)量

圖3　結(jié)垢渦流檢測(cè)信號(hào)示意

測(cè)量前需對(duì)傳熱管數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行相位調(diào)節(jié)及幅值設(shè)定，使得結(jié)垢信號(hào)的相位角區(qū)別于噪聲、缺陷等非結(jié)垢信號(hào)，以便于識(shí)別有用信號(hào)。選取低頻絕對(duì)通道長(zhǎng)條圖中的結(jié)垢信號(hào)，將信號(hào)相位調(diào)節(jié)為垂直90°，使其垂直分量最大化。使用CEddy-ANA軟件對(duì)低頻長(zhǎng)條圖進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量，并記錄結(jié)垢分布的垂直分量變化，信號(hào)示意見(jiàn)圖3。從圖3可看出，02C(冷端第2支撐板)附近存在較多外壁結(jié)垢，可清晰判別結(jié)垢信號(hào)。測(cè)量過(guò)程中軟件將以設(shè)定的掃查步進(jìn)對(duì)長(zhǎng)條圖進(jìn)行測(cè)量，當(dāng)軟件檢測(cè)到結(jié)垢的垂直分量變化時(shí),記錄當(dāng)前結(jié)垢幅值及位置，直到整根傳熱管掃查結(jié)束。2.3結(jié)垢測(cè)量過(guò)程

以國(guó)內(nèi)某核電站為例，十年大修期間對(duì)全部傳熱管的長(zhǎng)度進(jìn)行了渦流檢驗(yàn)，并完成了缺陷分析及Resolution結(jié)果比對(duì)。利用上述測(cè)量方法對(duì)全部已獲得的傳熱管數(shù)據(jù)再進(jìn)行結(jié)垢測(cè)量。

2.3.1參數(shù)設(shè)置

結(jié)垢檢測(cè)過(guò)程使用610-ULC型軸繞式渦流探頭及OMNI-200R型多頻渦流儀，并對(duì)20 kHz低頻絕對(duì)通道的傳熱管渦流信號(hào)進(jìn)行結(jié)垢測(cè)量。測(cè)量前根據(jù)2.2節(jié)測(cè)量方法設(shè)置測(cè)量通道及相位角，并對(duì)標(biāo)定信號(hào)進(jìn)行幅值設(shè)定。標(biāo)定時(shí)選擇RSE-M標(biāo)定管上的30%壁厚環(huán)槽，將其低頻絕對(duì)通道設(shè)為30 V，標(biāo)定管示意見(jiàn)圖4。標(biāo)定管人工缺陷信息如表1所示。2.3.2測(cè)量區(qū)域

根據(jù)傳熱管支撐結(jié)構(gòu)設(shè)置Landmark(傳熱管支支撐結(jié)構(gòu)的定位標(biāo)識(shí)，用三字符表示具體支撐結(jié)構(gòu))，并與之一一對(duì)應(yīng)，Landmark見(jiàn)圖5。對(duì)每根傳熱管的直管段進(jìn)行結(jié)垢自動(dòng)測(cè)量，測(cè)量間隔為10 mm。由于彎管段存在信號(hào)漂移(低頻絕對(duì)通道彎管段信號(hào)存在電壓的垂直分量，測(cè)量過(guò)程會(huì)將其作為結(jié)垢信號(hào)記錄)，所以此次結(jié)垢自動(dòng)測(cè)量區(qū)域中不包含彎管段。其測(cè)量范圍為熱端TSH-09H及冷端TSC-09C，結(jié)垢測(cè)量區(qū)域示意見(jiàn)圖5。

圖4　RSE-M標(biāo)定管結(jié)構(gòu)示意

位置ABCDE缺陷深度占壁厚百分比10%10%40%30%100%缺陷深度/nm0.1090.1090.4360.322-

圖5　結(jié)垢測(cè)量區(qū)域示意

2.3.3測(cè)量結(jié)果

對(duì)每根傳熱管數(shù)據(jù)的直管段進(jìn)行結(jié)垢信號(hào)測(cè)量，并記錄電壓不小于0.5 V的結(jié)垢信號(hào)。測(cè)量結(jié)果以表格形式記錄，見(jiàn)表2(08H是熱端第8支撐板簡(jiǎn)寫)。

表2　傳熱管(COL003 ROW058)結(jié)垢測(cè)量結(jié)果

2.3.4測(cè)量數(shù)據(jù)有效性

為避免渦流信號(hào)影響檢測(cè)結(jié)果，該測(cè)量及分析方法需在完成正常缺陷分析工作之后實(shí)施。對(duì)已執(zhí)行完Resolution結(jié)果對(duì)比分析的數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)垢測(cè)量工作,以保證數(shù)據(jù)的完整性。

3　結(jié)垢分布的圖形顯示

為了將傳熱管結(jié)垢測(cè)量結(jié)果及分布情況以圖形方式顯示出來(lái)，需要利用計(jì)算機(jī)建立傳熱管管束及支撐結(jié)構(gòu)的三維模型。將傳熱管結(jié)垢測(cè)量結(jié)果導(dǎo)入模型后再進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，便可得到相應(yīng)的結(jié)垢平面或立體結(jié)垢分布圖。

3.1管束及支撐結(jié)構(gòu)的三維建模

結(jié)合蒸汽發(fā)生器管束及支撐結(jié)構(gòu)的位置關(guān)系，以1∶1比例進(jìn)行計(jì)算機(jī)三維建模。支撐結(jié)構(gòu)相對(duì)位置分別設(shè)置如下:TSH(熱端管板上表面)為0 mm，F(xiàn)BT(流量分配板)為509.5 mm,TSP1(第一支撐板)為488.5 mm,TSP2～TSP9(第2到第9支撐板)均為998 mm,模型示意見(jiàn)圖6。模型中僅包含支撐平面及傳熱管管束,相對(duì)位置為距離前一支撐結(jié)構(gòu)的距離。

圖6　支撐結(jié)構(gòu)模型示意

3.2結(jié)垢信息導(dǎo)入

以表1中的傳熱管結(jié)垢測(cè)量結(jié)果為例，在模型中找到相應(yīng)的傳熱管，并在傳熱管上標(biāo)記出結(jié)垢位置及該位置處的幅值大小。根據(jù)上述方法在模型中逐一導(dǎo)入全部傳熱管結(jié)垢測(cè)量結(jié)果后，可得到蒸汽發(fā)生器整體結(jié)垢數(shù)據(jù)模型。

3.3結(jié)垢的顏色顯示方法

對(duì)測(cè)量的結(jié)垢幅值進(jìn)行顏色表示，以國(guó)內(nèi)某核電站為例，測(cè)量的結(jié)垢幅值最大約10 V。使用RGB及HSV顏色模型進(jìn)行結(jié)垢幅值大小的顯示與區(qū)分，使得幅值與顏色相關(guān)(見(jiàn)圖7)。

圖7　結(jié)垢的顏色顯示

3.4結(jié)垢平面與立體顯示方法

在結(jié)垢模型中截取某一高度的平面，收集全部傳熱管在該高度位置的結(jié)垢測(cè)量幅值及對(duì)應(yīng)管號(hào)，并將幅值結(jié)果標(biāo)記在圖2所示平面圖形中。利用圖7中的顏色代替平面圖形上的相應(yīng)幅值，便可得到該高度位置的結(jié)垢平面分布。結(jié)垢平面圖形用于表現(xiàn)結(jié)垢在指定高度、指定行或列位置所在平面的結(jié)垢分布狀況。將模型中的全部結(jié)垢幅值使用顏色與之對(duì)應(yīng),便可得到整體的結(jié)垢立體分布圖形。結(jié)垢的簡(jiǎn)易平面及立體顯示方式見(jiàn)圖8。

圖8　結(jié)垢的平面及立體圖形顯示

4　方法應(yīng)用與統(tǒng)計(jì)結(jié)果

國(guó)內(nèi)某核電站十年大修期間使用上述方法對(duì)3臺(tái)蒸汽發(fā)生器(每臺(tái)4 474根)傳熱管的全長(zhǎng)度進(jìn)行了渦流檢驗(yàn)，對(duì)Resolution結(jié)果比對(duì)后的數(shù)據(jù)進(jìn)行了結(jié)垢測(cè)量。利用上述三維建模及平面顯示方法，將全部傳熱管結(jié)垢數(shù)據(jù)導(dǎo)入模型數(shù)據(jù)庫(kù)，并對(duì)蒸汽發(fā)生器傳熱管直管段進(jìn)行了結(jié)垢分布的圖形顯示及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)工作。以其中一臺(tái)蒸汽發(fā)生器為例，TSP1(第1支撐板)、FBP(流量分配板)及TSP2(第2支撐板)上表面結(jié)垢分布見(jiàn)圖9。

圖9　支撐板結(jié)垢分布

圖10　垂直平面結(jié)垢分布

由圖9可以清晰看到結(jié)垢分布的具體位置、分布范圍及結(jié)垢程度。使用該方法同樣可以得到蒸汽發(fā)生器傳熱管管束的垂直結(jié)垢分布，見(jiàn)圖10。

圖10顯示的為第55列傳熱管所在位置的直管段結(jié)垢分布，其主要為熱端第5支撐板至第9支撐板(TSP5～TSP9)間,及流量分配板至第2支撐板(FBP～TSP2)間的結(jié)垢分布。利用三維顯示技術(shù)將全部結(jié)垢幅值大于0 V，及結(jié)垢幅值在5～10 V范圍的結(jié)垢進(jìn)行三維顯示，見(jiàn)圖11。其中左圖為整體分布效果圖，右圖為范圍分布效果圖。

圖11　三維立體結(jié)垢分布

對(duì)全部結(jié)垢測(cè)量結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到結(jié)垢分布統(tǒng)計(jì)表，見(jiàn)表3。

從表2可以看出，蒸汽發(fā)生器傳熱管二次側(cè)表面結(jié)垢分布范圍及比例中，熱端約占66.63%，冷端

表3　結(jié)垢分布統(tǒng)計(jì)結(jié)果　%

約占33.37%。其中熱端主要分布在TSP5～TSP9之間,約占49.86%;冷端主要分布在TSP1～TSP2之間,約占20.09%。借助視頻檢查方法確認(rèn)，從二次側(cè)觀察孔對(duì)第1支撐板下方的結(jié)垢情況進(jìn)行了檢查，與渦流結(jié)垢測(cè)量結(jié)果基本一致(因視頻檢驗(yàn)范圍受限，僅能檢查該區(qū)域的結(jié)垢情況)。

5　結(jié)語(yǔ)

結(jié)垢測(cè)量方法利用了低頻渦流具有的較高滲透深度的技術(shù)特點(diǎn)，可獲得傳熱管外壁結(jié)垢信息。結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)及圖形處理技術(shù)，可對(duì)結(jié)垢位置及分布進(jìn)行平面及三維顯示，使結(jié)垢分布更清晰直觀。經(jīng)過(guò)實(shí)踐證明，該技術(shù)可對(duì)運(yùn)行中的蒸汽發(fā)生器傳熱管二次側(cè)結(jié)垢情況進(jìn)行有效測(cè)量。由于結(jié)垢變化是一個(gè)緩慢的過(guò)程，為了保證結(jié)果的完整性及準(zhǔn)確性，該項(xiàng)檢測(cè)工作適合全面在役檢查期間執(zhí)行，其通過(guò)對(duì)歷次全面檢查結(jié)果進(jìn)行對(duì)比可掌握結(jié)垢變化及發(fā)展情況。該技術(shù)可為掌握蒸汽發(fā)生器二次側(cè)的結(jié)垢狀態(tài)及對(duì)二次側(cè)沖洗等工作提供幫助。

[1]李江,李娟,石磊.蒸汽發(fā)生器二次側(cè)管板視頻檢查及檢查裝置的近期發(fā)展[C]∥第十屆無(wú)損檢測(cè)學(xué)會(huì)年會(huì)論文集.[出版地不詳]:[出版者不詳],2013.

[2]劉鴻運(yùn),程慧平. 鼓泡清洗技術(shù)(PPC)在蒸汽發(fā)生器泥渣清洗中的應(yīng)用[J]. 核動(dòng)力運(yùn)行研究, 1999, 12(4):43-45.

[3]許萬(wàn)中.低頻渦流技術(shù)的應(yīng)用[J].無(wú)損檢測(cè),1996,18(8):227-231.

[4]孔祥純,徐宏濤,劉小杰. 蒸汽發(fā)生器沉積物模擬垢樣制備研究[R].北京:中國(guó)原子能出版社,2011.

Distribution of Fouls within the Secondary Side of Steam Generator and its Measurement

XIA Qing-you, YAO Chuan-dang, ZENG Yu-hua, WANG Jia-jian

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

During the operation of nuclear power plant, deposits and fouls will be accumulating on tube-sheet, tube-support and tube surface within the secondary side of steam generator. The deposits can be detected by using eddy current technology. Utilizing Computer modeling and graphic processing, we can get the results of deposits. This article describes scaling detection method and graphic display for deposits distribution within steam generator.

Steam generator; Fouling; Low frequency; Distribution graphic

2015-11-03

夏清友(1984-)，男，工程師，主要從事核設(shè)備無(wú)損檢測(cè)技術(shù)研究和檢查工作。

夏清友,E-mail: 414608903@qq.com。

10.11973/wsjc201609019

TG115.28

B

1000-6656(2016)09-0070-05