核電站蒸汽發生器傳熱管脹管過渡段沉積物及缺陷的渦流探頭判別

韓 捷,陳 霞,廖述圣,王家建,馮美名

(1.核動力運行研究所，武漢 430074； 2.中核武漢核電運行技術股份有限公司，武漢 430223)

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核電站蒸汽發生器傳熱管脹管過渡段沉積物及缺陷的渦流探頭判別

韓 捷1,2,陳 霞1,2,廖述圣1,2,王家建1,2,馮美名2

(1.核動力運行研究所，武漢 430074； 2.中核武漢核電運行技術股份有限公司，武漢 430223)

國內部分蒸汽發生器在運行過程中，其傳熱管脹管過渡段可能存在點蝕及應力腐蝕裂紋等缺陷。為了更有效和可靠地檢測出脹管過渡區出現的缺陷，分析了軸繞式、扁平旋轉式、陣列式三種不同類型的渦流探頭特性，再通過一系列針對性試驗，對不同探頭如何發現沉積物及沉積物下存在的缺陷進行了對比測試，獲得了相關的分析數據，掌握了脹管過渡段沉積物及其缺陷的準確識別技術。

渦流探頭；脹管過渡段；缺陷；沉積物

壓水堆核電站蒸汽發生器是核蒸汽供給系統一、二回路熱交換的樞紐，將一回路冷卻劑中熱量傳給二回路給水，使其產生飽和蒸汽并供給二回路動力裝置。在能量傳遞過程中二回路水介質中存在的固體腐蝕物經過蒸發、濃縮，最終沉積在蒸汽發生器二次側管板、支撐板之上和傳熱管表面，以及支撐板和傳熱管的縫隙之間。這些沉積物(SLG)在熱交換過程中逐漸積累并附著于傳熱管外壁上，可導致沉積物下的材料發生各種類型的腐蝕(應力腐蝕、晶間腐蝕、凹陷、耗蝕、點蝕、均勻腐蝕等)，也嚴重影響了蒸汽發生器的完整性、熱效率和水位控制。因此必須對沉積物進行定期檢查及清洗[1]。

但對沉積物進行定期清洗也并不能保證其能被完全從傳熱管外壁去除掉，特別是在脹管過渡段，因為管板與脹管過渡段之間存有一定的間隙，沉積物特別容易附著于此[2-3]。因此如何及時準確地發現此位置的沉積物及沉積物下管子上存在的缺陷，保障蒸汽發生器在服役期間的正常運行，顯得尤其重要。

國際上脹管過渡段的檢測技術通常采用軸繞式線圈渦流探頭(Bobbin)、旋轉渦流探頭(MRPC)、陣列渦流探頭(Array)進行檢測。國內對于傳熱管的完整性檢查主要是使用Bobbin渦流探頭,偶爾使用后兩種探頭，僅根據國外經驗開展檢測工作，對于沉積物及缺陷的準確識別還缺乏必要的基礎性研究作為技術支撐。因此，筆者分析了這三種不同類型的渦流探頭特性，通過一系列試驗，對不同類型渦流探頭在傳熱管脹管過渡段上的沉積物識別、及沉積物下缺陷的識別能力進行了對比測試及分析，以進一步提高脹管過渡段的渦流檢測能力。

1 探頭特性分析

Bobbin探頭使用軸繞式差分線圈，其結構如圖1所示。該種線圈的軸線平行于管子軸線，并且電流環向流動；所感生的主磁場順著管子軸線，管內感應到的渦流則環向流動，并與檢測線圈內的電流平行。由此，軸繞式線圈對阻抗渦流的軸向裂紋非常敏感，但是，如果軸繞式線圈位于幾何形狀發生緩慢改變的區域時，比如在脹管過渡段，因為屬于變徑區域，Bobbin探頭對于緩變信號存在一定的檢測盲區，可能會存在脹管過渡區缺陷漏檢的風險，從而給蒸汽發生器的使用帶來安全隱患。

圖1 Bobbin探頭結構示意

用于蒸汽發生器管子檢測的另兩種探頭主要是扁平式線圈(點式線圈)。該探頭設計成可檢測各種方向的裂紋。檢測裂紋時，利用線圈結構可使渦流正交于裂紋方向，以便放大裂紋感應。扁平式線圈的直徑一般較小，其彈簧底座與管子內表面接觸以盡量減小提離效應；線圈軸線與管子表面正交。扁平式線圈感生的主磁場垂直于管表面，并且形成與管表面平行，與檢測線圈中的電流同向運動的渦流[4-5]。

采用扁平式線圈的MRPC旋轉探頭在檢測過程中，探頭一邊由電機驅動旋轉，一邊沿管子前進，其結果是產生螺旋掃描圖。一般，MPRC探頭由三個線圈組成：一個屏蔽扁平點式線圈、一個點式線圈和一個正交線圈。一般將點式線圈作為主檢查線圈，而正向線圈為提供裂紋方向信息的定向線圈，如圖2所示。渦流在該線圈處可以軸向運動或周向運動；然后再對所有三個線圈獲得的數據進行評估，最終獲得此處的缺陷響應信息，進而識別缺陷。

圖2 MRPC探頭結構示意

采用扁平式線圈的Array探頭，主要由分布在圓周方向上的數組線圈組成，以圖3中陣列探頭為例，一個周期內，一個發射線圈發射信號，在一定的間距內兩個軸向接收線圈各被觸發一次，一個周向線圈被觸發一次，以一定的時序交換來作為收發式線圈，其不需要由電機驅動線圈進行機械旋轉，而是采用多路復用電路實現線圈的電磁場旋轉，可以達到與MRPC檢測相同的效果。另外由于線圈無需旋轉，因此檢測速度較快。多數管子能一次從一側實施全管檢查，即從一側就可以檢測到冷熱兩側的脹管過渡區，檢測效率更高[6]。

圖3 陣列探頭線圈結構示意及其磁感應影響區示例

2 試驗條件

試驗設備為：CEddy數據采集、分析計算機和軟件；多頻渦流儀；探頭推拔器；標定樣管；相應的渦流探頭等。

數據采集過程中，試驗人員通過遠程控制多頻渦流儀和探頭推拔器實現渦流探頭在被檢傳熱管脹管過渡段中的前進和后退，在探頭旋轉或后退的過程中完成對過渡段數據的采集，同時將采集到的數據存儲在硬盤中，然后數據分析人員調用數據，對傳熱管脹管過渡段的原始數據進行分析。

對單根無缺陷試驗管進行脹管處理后，再將試驗管放入管板模擬件中并固定，在管板頂部放置不同高度的沉積物；沉積物高度依次設定為30，20，15，10，5 mm，分別使用Bobbin、MRPC、Array探頭進行渦流數據采集。

另外設計人工缺陷試驗管，制作同一軸向分布的平底孔人工缺陷：加工直徑均為φ1 mm、深度均為40%壁厚的五處平底孔，缺陷位置分別位于脹管過渡段上及過渡段兩側，五處平底孔位置分別位于脹管過渡段的-5，0，5，10，15 mm處，相鄰平底孔為同一軸向分布，軸向距離為5 mm，且加工平底孔距管端的距離不小于50 mm，試驗管結構如圖4所示。

圖4 人工缺陷試驗管結構示意

3 試驗過程

3.1 使用Bobbin探頭試驗

對于Bobbin探頭，首先在低頻通道將沉積物的響應信號調整到一定的角度，然后對管板頂部(TTS)進行定位。檢測結果顯示，管板的影響區約為13 mm，因此在這之內的沉積物無法測量準確；對于試驗中15，20，30 mm的沉積物可根據低頻通道的垂直分量進行幅值和高度測量，均能辯識清楚；而10，5 mm的沉積物響應信號與管板的影響區復合，無法辯識，也無法進行高度測量，因此Bobbin探頭更無法識別脹管過渡段處的缺陷信號。使用Bobbin探頭檢測20 mm高度沉積物可辨識示例如圖5所示。

圖5 使用Bobbin探頭檢測20 mm高度沉積物可辨識示例

3.2 使用MRPC探頭試驗

對于MRPC 探頭，首先在低頻通道先調整TSP(支撐板)信號，以便確定信號顯示基準。同樣對管板信號進行定位。當管板處有沉積物時，沉積物在不同高度處二次側管板頂部信號角度都會偏轉，使用 MRPC探頭可以對不同高度的沉積物進行清楚識別；對沉積物的高度測量，先使用低頻通道進行管板定位，然后選擇信號的起始位置進行沉積物測量，如圖6所示。

圖6 使用MRPC探頭測量沉積物信號響應

對于存在沉積物處的缺陷識別，圖7所示的是分別使用MRPC探頭的點線圈和正交線圈對試驗管進行測量的信號響應。由圖可以看出：

圖7 使用MRPC探頭測量缺陷信號響應

(1) 沉積物的存在對缺陷辨識的影響并不明顯，可以清晰識別5個φ1 mm通孔的缺陷。

(2) 沉積物的存在對正交線圈的影響比點線圈小，從原理上分析正交線圈是差分連接，抵消了沉積物的影響，因此正交線圈在沉積物區域檢測效果較點線圈更好。

(3) 沉積物沒有在缺陷處，對缺陷的識別及測量不受影響，不同高度沉積物對缺陷的識別及測量沒有影響。

3.3 使用Array探頭試驗

選用陣列探頭對沉積物的識別，一般選用低頻通道(100 kHz)作為識別通道；沉積物的高度測量一般用主頻通道(300 kHz)，通過主檢測頻率周向通道C掃圖可以很明顯地識別出管板上沿的泥渣沉積情況。然后通過數據點的差值結合采樣率的數值可以計算出沉積物的高度。圖8為實際5 mm沉積物堆積測量結果，與實際高度吻合。

圖8 實際5 mm沉積物堆積測量示意

使用Array探頭對沉積物數據點測量結果見表1，相對誤差率的計算結果表明，使用Array探頭測量泥渣沉積物的高度還是比較準確的。

進一步考察沉積物對缺陷信號的影響，對于同一軸向5個40%壁厚平底孔(間隔5 mm)進行沉積物影響的分析：無沉積物時，有兩個平底孔信號受管板信號的影響，剛好在臺階上，因此很難分辨，只能識別三個信號。而當增加5，10，20 mm的沉積物時，由于沉積物和管板的存在，導致產生的臺階信號變小，反而使得此處的缺陷信號更容易分辨出來，沉積物對缺陷信號的影響示例如圖9所示。

表1 使用Array探頭對沉積物測量數據

圖9 沉積物對缺陷信號的影響示例

4 結論

(1) 對于脹管過渡段二次側管板頂部沉積物的信號識別及高度測量，使用Bobbin、MRPC、Array三種探頭都能夠清楚識別及測量。針對不同探頭,采用的測量方法不同，可以用速度或者數據點的差值轉換計算出沉積物高度。

(2) Bobbin探頭對沉積物的識別用20 kHz低頻絕對通道(CH8),沉積物信號在40°～120°之間(根據沉積物密度和成分不同)。管板影響區約13 mm左右，因此在這之內的沉積物無法測量準確。

(3) MRPC探頭對沉積物的識別用低頻通道；C掃圖可以清楚反應管板頂部沉積物的各種分布情況；沉積物不影響MRPC探頭在這個區域的識別及定量測量。

(4) ARRAY探頭對沉積物的識別一般選用低頻通道，但是進行高度測量時用主檢測頻率較好。通過主檢測頻率周向通道C掃圖可以進行沉積物的高度測量。

(5) Bobbin探頭無法識別脹管過渡段的缺陷，更無法識別存在沉積物的脹管過渡段的缺陷，這是由此類型探頭的特性所決定的。

(6) 對于MRPC探頭，沉積物不影響缺陷的識別及定量測量，正交線圈在沉積物區域信號識別效果較點線圈更好。

(7) 對于Array探頭，沉積物不影響缺陷的識別，相反由于沉積物和管板的存在，導致產生的臺階信號變小，反而使得此處的缺陷信號更容易分辨。

[1] 丁訓慎.核電廠蒸氣發生器凹痕腐蝕, 二次側水化學處理及其清洗[J].清洗世界，2010,26(6):32-35.

[2] 中國機械工程學會熱處理學會編委會.熱處理手冊(第四分冊)[M]. 北京：機械工業出版社,2008：257-316.

[3] 姚運萍,韓捷,廖述圣. 探頭線圈掃查方式對渦流檢測性能影響的研究[J]. 機械與電子,2008,11(11):60-62.

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

[5] 姚運萍,韓捷,廖述圣. 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.

[6] CHEN Xiang-lin, DING Tian-huai. Flexible eddy current sensor array for proximity sensing[J]. Sensors and Actuators A: Physical, 2007,135(3):126-130.

Eddy Current Probe Distinction of the Sludge and Flaws of Expand Transition Area of Heat Transfer Tubes in NPS Vepor Generator

HAN Jie1,2, CHEN Xia1,2, LIAO Shu-sheng1,2, WANG Jia-jian1,2, FENG Mei-ming2

(1.Research Institute of Nuclear Power Operation , Wuhan 430074,China;2.China Nuclear Power Operation Technology Co., Ltd., Wuhan 430223, China)

From the actual SG operation circumstances, there may exist pitting or SCC flaw in expand transition area of the heat-transfer tubes. In order to detect the flaws of expand transition area of the heat-transfer tubes effectively and reliably，the characteristics of three different types of eddy current probes as Bobbin, MRPC and Array are analyzed, and then through a series of tests, the sludge and flaw discrimination ability of different probes in expand transition area of the heat-transfer tubes are compared and tested, and related analysis accuracy data is acquired. The identification technology and its precision range of expand transition area are thus mastered.

Eddy current probe; Expand transition area；Flaw; Sludge

2016-06-22

韓 捷(1981-)，男，高級工程師，主要從事核動力設備研制，檢測方法及可靠性方面的研究。

韓 捷,E-mail:hanjiezhuming@163.com。

10.11973/wsjc201611014

TG115.28

A

1000-6656(2016)11-0062-04