核電站役前和在役檢查中的聲發射檢測

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(1.中廣核檢測技術有限公司，蘇州 215026;2.大亞灣核電運營管理有限責任公司，深圳 518124)

1 聲發射檢測原理

聲發射(AE)是指材料局部由于能量快速釋放而產生的瞬間彈性波的現象，又被稱為應力發射波[1]。用儀器探測、記錄和分析聲發射信號，利用接收的聲發射信號推斷聲發射源的技術稱為聲發射技術。聲發射源發出的彈性波經過傳播，被聲發射傳感器接收，轉換成電信號，再經放大、處理后形成特性參數，其檢測原理如圖1所示。常見的聲發射源包括裂紋、未熔合、未焊透等缺陷的開裂和擴展，殘余應力的釋放，腐蝕、分層脫黏、泄漏等。在核電站水壓試驗期間，聲發射主要用來監測泄漏。泄漏過程中，在泄漏點處由于內外壓差的存在，內部流體在泄漏處形成多相湍射流，流體的正常流動發生紊亂[2]，多相湍流與外壁及周圍介質相互作用向外輻射能量，在外壁上產生并傳遞高頻應力波，用聲發射傳感器接收這種信號，并對其進行采集和分析處理，就可以對泄漏及其位置進行判斷。

圖1 聲發射檢測原理示意

聲發射檢測技術與其他無損檢測方法相比，具有兩個特點：一是檢測動態缺陷，比如缺陷的擴展，而不像其他檢測方法是檢查靜態缺陷；二是采集缺陷自身發出的能量，而不是用外部能量對缺陷進行檢查。

聲發射檢測技術具有的優點為：(1) 可檢測對部件安全性有危害的活動性缺陷。(2) 對于大型部件，只需要布置好足夠多的傳感器，就可提供整體檢測，提高檢測效率。(3) 能提供缺陷隨載荷、時間等外在變量變化的連續信息，數據具有復現性，適用于對部件的在線監控和早期危害預報。(4) 對被檢部件的接近程度要求不高，常適用于高低溫、高輻射、易燃易爆等環境。(5) 對部件幾何形狀不敏感，適用于其他方法受限制的復雜形狀的部件。

2 被檢對象

核電站反應堆主冷卻劑系統是防止裂變產物外逸的第二道屏障，由反應堆壓力容器、主泵、穩壓器、蒸發器和相應管道等組成。法國于1978年開始就針對壓水堆核電站一回路的相關焊縫展開了聲發射檢測[3]。目前，在壓水堆核電站的役前和在役檢查中，聲發射檢測主要用于主冷卻劑系統水壓試驗期間的監測。核電站一回路示意如圖2所示，在水壓試驗期間的聲發射檢測范圍如表1所示[4]。

圖2 核電站一回路示意

裝置說明反應堆壓力容器穩壓器堆芯中子通量測量裝置示意(見圖3)控制棒驅動機構(CRDM)、熱電偶和排氣管穩壓器加熱元件(見圖6)貫穿管與反應堆壓力容器底封頭的焊縫①儀表導向管與貫穿管的連接焊縫②管座法蘭和管座的連接焊縫①(61根CRDM和4根熱電偶)(見圖4)管座與頂蓋的焊縫③(61根CRDM、4根熱電偶和1根排氣管)(見圖5)加熱元件套管與底封頭連接焊縫(4a)法蘭與加熱元件套管的連接焊縫(4b)加熱元件與法蘭的連接焊縫(4c)

圖3 堆芯中子通量測量裝置示意

圖4 管座法蘭和管座的連接焊縫示意

圖5 管座與頂蓋的焊縫位置示意

圖6 穩壓器加熱元件焊縫示意

檢測反應堆壓力容器下封頭50根堆芯測量儀表貫穿件上的各2條焊縫(即貫穿管與反應堆壓力容器底封頭的焊縫和儀表導向管與貫穿管的連接焊縫)，在役檢查中該區域空間狹小，有保溫阻擋，且屬于永久紅區，環境輻照劑量高，用常規的直接目視檢查方法無法進行上述部位焊縫的泄漏檢查；檢測管座法蘭和管座的連接焊縫(即61根CRDM和4根熱電偶)、管座與頂蓋的焊縫(61根CRDM、4根熱電偶和1根排氣管)，在役檢查中反應堆壓力容器上封頭環境劑量率高，且在換料水池中沾污風險大，部分區域存在保溫阻擋；檢測穩壓器加熱元件套管與底封頭連接焊縫(4a)、法蘭與加熱元件套管的連接焊縫(4b)以及加熱元件與法蘭的連接焊縫(4c)，該區域空間狹小，環境劑量率高，且需要登腳手架；此外，核電廠水壓試驗壓力平臺持續的時間長，因此運用了聲發射檢測。

為了進一步分析判斷泄漏源的位置，以便判定是由堆芯測量導管與隔離閥(或密封閥)的連接焊縫產生的泄漏信號還是堆芯測量儀表貫穿件焊縫產生的泄漏信號，須在堆芯儀表小室布置探頭，檢測50根堆芯測量導管與隔離閥(或密封閥)的連接焊縫；在穩壓器上封頭靠近人孔處布置檢測探頭，以便判定是由穩壓器上部區域產生的泄漏噪聲信號還是由穩壓器下封頭區域加熱器貫穿件焊縫產生的泄漏信號。

3 檢測實施過程

3.1 檢測儀器

一臺多通道聲發射儀；一臺微型計算機，用于數據采集、分析和顯示；若干聲發射探頭；若干有帶通濾波器的前置放大器，放大器的增益有20，40，60 dB 三檔開關供選擇；若干高頻信號電纜以及探頭固定磁性夾；耦合劑為高真空脂，其氟、氯、硫的含量符合RCC-M F6000《壓水堆核電站核島機械設備設計與建造法則 防污染要求》中的要求，而且能耐檢測期間的環境溫度。

3.2 現場標定

泄漏源產生的聲發射信號屬于連續型信號，表示連續型聲發射信號的大小常用平均信號電平(ASL)和有效電壓(RMS)來表示。ASL是用dB表示的信號幅度平均值，RMS是用電壓V表示的信號幅度的平均值。檢測所使用的多通道聲發射儀，采用平均信號電平ASL表示信號的大小。按照檢測區域焊縫的數量和分布情況，確定需要的探頭數量和安裝位置，對探頭進行編號，并與相應的通道號對應。采用寬頻帶噪聲信號發生器驅動校核探頭，產生與泄漏信號相類似的模擬噪聲信號，使安裝在這一區域的所有探頭都能接收到這一噪聲信號，從而校核所有探頭的耦合情況。在保證主回路系統充滿水、沒有加壓、主泵停止運轉、沒有任何系統投入運行，以及所有的噪聲干擾被清除之后，通道的ASL電平就是本底噪聲電平，并記錄該電平；根據測量的本底噪聲的ASL，調整通道的報警閾值至高于本底噪聲電平3 dB。

核電站一回路水壓試驗期間，聲發射信號監測主要針對上行172 bar保壓平臺、228 bar(在役檢查為206 bar)保壓平臺、下行172 bar保壓平臺。

3.3 實例一

某核電廠在役水壓試驗期間，在206 bar的保壓平臺，經過信號監測，反應堆壓力容器(RPV)頂蓋的相關通道信號持續超過報警閘門(圖中紅線)，典型信號見圖7，其中橫坐標為時間軸，縱坐標為信號幅值(dB)。在保壓期間系統接收到了3個高幅脈沖信號，經判斷為突發型信號，該信號不具備持久性，為干擾信號所致。在206 bar保壓平臺反應堆壓力容器上封頭(RPV)各通道的報警閘門閾值、信號超閘門平均值、信號降至報警閘門以下的時間見表2。206 bar保壓平臺降壓后4號通道信號下降示意如圖8所示。

圖7 反應堆壓力容器上封頭典型信號示意

通道號報警閘門/dB信號超閘門平均值/dB信號降至報警閘門以下時間157+404：06257+304：07358+404：13454+504：40552+404：12656+204：06

圖8 206 bar保壓平臺降壓后4號通道信號下降示意

從數據上，由于反應堆壓力容器頂蓋區域范圍相對較小(頂蓋直徑為4 070 mm)，各探頭超標的平均幅值與探頭離聲發射源的距離之間沒有明顯的聯系。從信號偏高持續的時間來看，4號通道持續的時間最長，降得最慢(見圖8)；經過現場目視檢查，在頂蓋上表面56號(圖9中圓圈部位，靠近4號探頭)控制棒驅動機構邊緣存在硼結晶的現象。

圖9 反應堆壓力容器上封頭探頭布置示意

3.4 實例二

某電廠役前檢查時，在228 bar保壓平臺，穩壓器相關通道信號持續偏高，且離開228 bar保壓平臺，壓力開始下降過程中，超標信號依舊存在，典型信號見圖10；經過目視檢查，這是穩壓器上部筒體一接管出現漏水而對信號產生的干擾(不屬于聲發射檢測范圍)。

圖10 穩壓器典型信號示意

在現場，聲發射檢測往往易受外界干擾源的影響，諸如過高的加壓速度、系統內流體的沖擊、泵的運轉、交叉作業，部件附近存在的切割打磨、敲擊等活動。因此，排除外界干擾源的影響也是保證聲發射檢測時正常有效信號采集的關鍵。

3.5 小結

核電站一回路水壓期間的聲發射檢查主要是指聲發射泄漏檢查，是聲發射技術的重要分支，其主要是對主冷卻劑系統承壓設備的相關焊縫泄漏導致的振動進行監測。泄漏源產生的聲發射信號特點為：(1) 泄漏聲發射信號屬于連續信號。(2) 泄漏聲發射信號在系統內傳播，能反映諸如漏點位置和大小等的信息。(3) 一回路泄漏所產生的聲發射現象涉及到諸多因素，如泄漏點尺寸大小和形狀，以及系統壓力、湍流等，很難建立完備的數學物理模型。(4) 受聲發射源的自身特性(多樣性、信號的突發性和不確定性)、聲發射信號傳遞至傳感器的路徑、傳感器的性能、環境噪聲和聲發射檢測儀器系統等多種復雜因素的影響，最終顯示出的信號波形十分復雜，其與真實的聲發射源信號相差很大。因此，聲發射信號本質上屬于一種非平穩隨機信號[5]。(5) 由于在傳播過程中能量的衰減，距離泄漏源不同距離的傳感器接收到的能量不同，轉化成的信號幅值也不同。在排除噪聲等干擾因素的情況下，可根據信號幅值的高低，信號持續時間的長短來定位泄漏源的位置。

4 結語

(1) 由于聲發射傳感器極其靈敏，在檢測期間有可能把干擾信號記錄下來產生誤報，因此排除干擾源至關重要。

(2) 在役的聲發射檢查，大大減小了檢漏的工作量，避免了工作人員長時間暴露在輻射環境下，有效降低了人員接收的輻射劑量。

(3) 核電站水壓試驗期間的聲發射檢查，主要針對相關部件的焊縫，且焊縫形狀各異，密集分布在相對較小的區域，聲發射檢測只能用于滲漏區域的初步判定，滲漏點的精確定性和定位，以及具體滲漏量的測量還需其他檢測方法配合。

(4) 通過干擾信號的排除以及其他無損檢測方法的輔助配合，能有效地進行一回路水壓試驗聲發射檢測，對核電站一回路部件相關焊縫的耐壓試驗是否合格作出有效評定。

[1] 楊明緯.聲發射檢測[M].北京：機械工業出版社，2005.

[2] 梁偉，張來斌，王朝暉.聲發射檢測技術在管道泄漏信號識別中的應用[J].科學技術與工程，2007,7(8):1596-1601.

[3] FORESTIER Y, ZHANG Fan, TRUCHETTI L. Qualification of the acoustic emission method for leak detection in the main primary loop of the pressurized water reactors during its hydraulic pressure test[C]//30th European Conference on Acoustic Emission Testing & International Conference on Acoustic Emission.Granada:[s.n.],2012.

[4] RSEM 壓水堆核電廠核島機械設備在役檢查規則[S].

[5] 焦敬品, 何存富, 吳斌.管道聲發射泄漏檢測技術研究進展[J]．無損檢測，2003,25(10):519-523.