核電廠渦流檢測的現狀及展望

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(中核武漢核電運行技術股份有限公司，武漢 430223)

1 核電廠渦流檢測技術的主要特點

核電廠有各種熱交換器和承壓設備，這些核安全設備在投入運行前及正式運行后都必須按照相應規范進行無損檢測，即役前檢查(PSI)和在役檢查(ISI)。由于核電廠自身的特點，這些設備有的在放射性條件下運行，有的承受高溫高壓，因此對這些設備進行定期檢測的周期較頻繁，其檢測規范和其他相關要求也更加嚴格。

渦流檢測技術在核電廠主要被應用在蒸汽發生器傳熱管、冷凝器鈦管、高壓加熱器、低壓加熱器、設備冷卻水熱交換器和汽水分離再熱器換熱管等，以及反應堆中子通量測量指套管、反應堆壓力容器接管焊縫內表面及近表面、反應堆壓力容器主螺栓/主螺母、反應堆壓力容器頂部貫穿件、控制棒束組件(RCCA)、底封頭貫穿件、控制棒驅動機構(CRDM)密封焊縫等組件的檢測中。

核電廠設備及部件的渦流檢驗技術主要有以下一些特點：

(1) 采用多頻率渦流檢測技術。根據被檢對象的實際情況，通常會使用兩種或多種檢測頻率，各種頻率都有其定位或檢測方面的用途。在常見蒸汽發生器傳熱管的渦流檢測中，一般采用5種頻率，共10個檢測通道進行數據采集。在數據分析過程中，還將對不同頻率(通道)的信號加以綜合處理，用于某些特定的用途。

(2) 要求對缺陷進行定位、定性和定量檢測。常規的渦流檢測對檢測出的缺陷只做“合格”、“不合格”判別，而民用核安全設備的渦流檢測必須對所報告的所有信號顯示進行定性判定，即明確指出該顯示所處的位置和性質，如果屬于材料損失性質的缺陷信號，還應給出某種當量信息用以描述材料的損失量。

(3) 可用于蒸汽發生器二次側泥渣高度、外來物及管子之間接近距離的探測。對于核電廠的渦流檢測(尤其是核電廠蒸汽發生器傳熱管的渦流檢測)，會要求檢測一些“非缺陷類”的參數，如泥渣沉積高度測量、外來物檢測和接近管檢測等。由于渦流檢測具有非接觸性和快速的特點，在檢測這些“非缺陷類”參數時具有很大的優勢，但這終究屬于間接測量方法，其測量的精確性仍然無法比擬傳統的直接測量方法。

(4) 核電廠渦流檢測處于放射性工作環境。顯而易見，放射性工作環境對從事渦流檢測工作的人員及設備的要求都很高，對于重復使用的設備或部件，還存在清洗去污、安全運輸及儲存的特殊工藝要求。

(5) 遠程控制的自動渦流檢測。以蒸汽發生器傳熱管檢查為例，傳熱管屬于一回路壓力邊界，并處于非常高的放射性環境，具有20～30 m的長度和U型或異型結構，并且管子支承結構復雜，一般采用遠程操控自動化設備對渦流探頭進行定位和輸送，并同時配合多頻渦流檢測儀進行數據采集。

圖1 堆芯中子通量測量導向管及指套管布置示意

2 核電廠渦流檢測應用現狀

2.1 反應堆堆芯中子通量測量指套管檢測

除第三代核電外，反應堆堆芯中子通量測量探頭是通過穿過反應堆壓力容器底部的內嵌有指套管的導向管伸入堆芯中進行測量的(見圖1)。指套管的材料一般為316不銹鋼，根據核電廠堆型的不同，其數量和尺寸有所不同，一般內徑約為5.2 mm，數量約幾十根,指套管全長范圍一般為14～17 m。在運行期間，一回路流體誘發振動，使指套管與導向管管口之間產生摩擦，進而發生磨損乃至破損。目前對指套管磨損狀態監督的有效方法是停堆期間(中子通量測量器抽出后)的內穿式渦流檢測，檢測時通常選用A.188-T Bobbin探頭(外徑為4.775 mm，長度為31.75 m)，其填充系數可達84.3%，采用單邊磨損標定管，對指套管磨損深度的分析方法為幅值判傷法(見圖2)。

圖2 指套管中磨損的渦流檢測信號

由流體誘發振動引起的指套管磨損，多發生在其外部導向管的內徑產生變化處，具體部位有堆芯下柵格板、堆芯支撐板、儀表導管固定板和反應堆壓力容器底封頭貫穿件等。

檢測實踐表明，指套管的磨損現象普遍存在，不同的核電廠其磨損程度有所不同。通常要求，如果磨損深度達到了50%T(T為壁厚)，需要進行拔管移位處理；如果超過了65%T，則需要堵管或換管。

2.2 控制棒束組件的檢測

核電廠反應堆控制棒束組件(Rod Cluster Control Assembly，以下簡稱RCCA)是控制核反應堆功率的重要裝置之一。RCCA在長期運行的工況下，會產生腫脹、磨損及裂紋等缺陷。RCCA種類較多，如17×17型RCCA(見圖3)，但結構大體相似。控制棒的檢測主要是針對不銹鋼包殼采用的渦流和超聲檢測。以17×17型RCCA為例，包殼的材料為AISI 316L 不銹鋼(滲氮)，其外徑為9.7 mm，內徑為8.75 mm，壁厚為0.475 mm。渦流檢測方法能有效檢測出控制棒包殼的外表面裂紋和腫脹，可測量出裂紋軸向長度和位置。渦流檢測采用外穿式探頭，利用幅值分析方法判定裂紋顯示(見圖4)，通過數據的點數測量出裂紋的軸向長度，可通過相位角度來判定是否產生腫脹。

圖3 17×17型RCCA外觀

圖4 典型RCCA裂紋缺陷顯示渦流信號

2.3 蒸汽發生器傳熱管的渦流檢測

在壓水堆核電廠中，蒸汽發生器傳熱管是反應堆冷卻劑(一回路)系統的壓力邊界，其面積占一回路壓力邊界的70%以上，是防止放射性裂變產物逸出的第三道安全屏障。核電機組堆型不同，蒸汽發生器傳熱管的材料、尺寸和數量也不盡相同(見表1)。

表1 不同核電廠蒸汽發生器傳熱管的主要參數

蒸汽發生器傳熱管的降質主要發生在彎管區、脹管過渡區和支撐板處，以及傳熱管與防振條的微振磨損處等(見表2)。在渦流檢測中，對于防振條上的微振磨損類缺陷，一般選用磨損標定管，并采用幅值分析法進行檢測(見圖5)；對于類似點蝕的缺陷選用ASME(美國機械工程師協會)或RSE-M規范的標定管(帶通孔和平底孔)，并采用相位分析法進行檢測(見圖6)。

表2 蒸汽發生器傳熱管的缺陷類型和位置

圖5 防振條上的微振磨損渦流信號

圖6 支撐板上的應力腐蝕裂紋渦流信號

在核電廠蒸汽發生器傳熱管的檢測實踐中，通常采用Bobbin 探頭對傳熱管進行全長檢驗，然后對所發現的缺陷顯示采用旋轉探頭(MRPC)對存在異常的不確定顯示進行補充檢驗，以實現對缺陷顯示的定性。渦流檢測不僅可以對傳熱管缺陷進行分析，還可以對傳熱管進行脹管輪廓測量、二次側泥渣高度測量等。在Bobbin 探頭信號的分析中，對脹管過渡段缺陷的分析存在一定的困難，可采用陣列探頭(Array)獲得較理想的分析結果。

檢測實踐中發現，少量蒸汽發生器傳熱管有接近堵管或達到堵管準則的缺陷顯示。堵管的主要原因有：① 在防振條位置上產生了微振磨損，磨損深度接近堵管準則；② 在支撐板位置上發生了應力腐蝕，缺陷深度達到堵管準則；③ 在管板上方(約50 mm位置上)產生了撞擊坑(運行過程中，二次側異物反復撞擊傳熱管)，坑的深度接近堵管準則；④ 存在探頭不能通過的管子也進行了堵管。

2.4 反應堆壓力容器主螺栓或主螺母檢測

核電廠較大直徑的承壓螺栓主要包括核反應堆壓力容器主螺栓和主泵主螺栓等，一般為雙頭螺栓，其直徑為90～160 mm,長度范圍為1～2 m。渦流檢測范圍是螺紋區的表面和近表面區域，在螺栓或螺母螺紋區的檢測中，渦流檢測具有靈敏度高，重復性好，檢測速度快等優點，其目的是為了發現螺紋區的材料缺損(如腐蝕)和螺紋根部的裂紋。

圖7 標定螺栓渦流信號

標定螺栓或螺母上刻有深度分別為0.5，1.0，2.0 mm的3種不同的人工切槽。其中，深度為1.0 mm的人工切槽的渦流信號用于對反應堆壓力容器主螺栓或主螺母的渦流檢測系統進行標定；深度為0.5 mm的人工切槽的渦流信號用于設置檢驗記錄標準(見圖7)。采用差分連接頻率約為300 kHz的筆式渦流點探頭，并采用單頻幅值分析法對螺栓或螺母進行渦流檢測。

由于渦流檢測的局限性，對于缺陷的定性和定量比較困難，可根據需要，采用其他檢測方法進行補充與驗證。在檢測實踐中，螺栓或螺母上的缺齒、齒面磨損等顯示，需要通過目視檢測進行補充檢測。

2.5 其他設備的渦流檢測

其他設備的渦流檢測主要有內穿式渦流檢測和表面陣列渦流檢測，如余熱排出熱交換器、凝汽器換熱管、蒸汽發生器排污冷卻器、高壓加熱器、低壓加熱器、設備冷卻水熱交換器、汽水分離再熱器、工業水冷卻器等的傳熱管均采用內穿式渦流檢測技術；反應堆頂蓋貫穿件內外表面、控制棒驅動機構耐壓殼耐壓管的內表面等均采用表面陣列渦流檢測技術。

3 核電廠渦流檢測技術發展展望

3.1 拓展應用范圍

由于渦流檢測具有檢測速度快、不需要耦合劑和易實現自動化、可進行表面和近表面檢測的特點，其在表面檢測上有了較大的應用空間，如壓力容器內表面、管道焊縫的外表面和法蘭密封面等。為了達到一定的覆蓋面積，表面檢測需要采用柔性陣列渦流檢測技術，同時借助探頭提離干擾的抑制技術，以適應被檢對象的表面形狀。現在陣列渦流儀已進入實用階段，但柔性陣列渦流探頭技術仍未大幅度應用在表面檢測上。

3.2 進一步提高檢測靈敏度

為了提高核電廠換熱管的可達性，通常需要在換熱管的小彎管區采用柔性較好的專用Bobbin探頭，但是該種探頭的填充系數較小，檢測靈敏度相對較低，同時Bobbin探頭比旋轉探頭或陣列探頭的檢測靈敏度低。

旋轉探頭的檢測速度慢，實用性較差，而陣列探頭不僅檢測靈敏度高，而且可對缺陷進行定性檢測，因此在進一步提高陣列探頭的可靠性后，陣列檢測技術將有良好的應用前景。

3.3 自動化分析和可視化3D顯示

在數據分析方面，目前還需要持有分析資質和有一定實踐經驗的分析人員進行手動分析。核電廠傳熱管數量多，檢測工期長，而自動分析可減少人員數量，給檢測工作提供極大的便利，同時可縮短檢測工期。

借助于小波變換技術、人工神經網絡技術、大數據和信息化技術等，可視化3D顯示將給缺陷的直觀識別帶來極大的便利。

3.4 渦流檢測新技術

隨著現代化步伐的加快，對檢測技術的要求越來越高。在物理、機械、電子、材料學科和計算機技術、換能器技術、信號處理技術、缺陷識別技術的發展與融入等方面，渦流檢測技術正在不斷得到新的發展、新的應用，這大大促進了現代檢測技術的發展，也必將使核電廠檢測技術水平不斷提高。