核電廠反應堆壓力容器接管內圓角增強型目視檢驗技術研究

王羽翀　劉緒　吳化峰

【摘 要】核電廠需要定期對核島關鍵設備如反應堆壓力容器接管內圓角區域進行無損檢驗，從而發現可能存在的缺陷。ASME規范要求對接管內圓角區域實施超聲檢驗，但由于接管內圓角區域結構復雜，且沿周向不斷變化，超聲檢測實施難度較大，檢測效率較低，按傳統的方式對該區域實施超聲檢測困難較大。根據美國聯邦法規10CFR50對ASME規范的補充要求規定：可采用高靈敏度的目視檢驗技術來代替超聲檢驗執行容器接管內圓角區域的無損檢驗。本文結合法規的相關要求，介紹了反應堆壓力容器接管內圓角增強型目視檢驗技術，并結合接管內圓角增強型目視檢驗檢驗系統開發的試驗研究情況，得出使用特定的檢驗技術和檢驗系統，可滿足反應堆壓力容器接管內圓角檢查的需求。

【關鍵詞】核電廠；反應堆壓力容器；接管內圓角；增強型目視檢驗

中圖分類號： TM623 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）08-0152-003

Research on enhanced visual inspection technology of reactor

pressure vessels nozzle inner radius in nuclear power plant

WANG Yu-Chong LIU Xu WU Hua-feng

【Abstract】Nuclear power plants need to conduct regular non-destructive testing of the key island nuclear equipment， such as reactor pressure vessel nozzle inner radius， to identify possible defects. The ASME Code requires that ultrasonic testing be performed on the nozzle inner radius area but due to the complicated structure of the nozzle inner radius area and varying circumferences， it is more difficult to perform ultrasonic testing and lower the detection efficiency. Ultrasound is performed on the area in a conventional manner testing is more difficult. According to the supplementary requirements of the US federal regulation 10CFR50 on ASME specification， the non-destructive testing of the nozzle inner radius area should be replaced by a high-sensitivity visual inspection technique. Combining with the requirements of the relevant laws and regulations， this paper introduces the enhanced visual inspection technique of reactor pressure vessel nozzle inner radius， and combined with the experimental research on the development of enhanced visual inspection and inspection system to nozzle inner radius， it is concluded that the use of specific inspection technique and Inspection system to meet the needs of reactor pressure vessel nozzle inner radius inspection.

【Key words】Nuclear power plant； Reactor pressure vessels； Nozzle inner radius； Enhanced visual inspection

0 前言

核電廠反應堆壓力容器長期處于高溫、高壓、高輻射環境下運行，而反應堆壓力容器的接管內圓角存在高應力區域，在熱應力以及壓力波動等作用下，該區域容易出現應力腐蝕裂紋或堆焊層表面損傷。國外核電廠在核一級設備接管內圓角區域曾經發現過裂紋，國內某核電廠停堆大修時也在反應堆壓力容器出口接管不銹鋼堆焊層上發現深度1.27mm的表面損傷痕跡[1]。

反應堆壓力容器接管內圓角區域由于結構與載荷復雜，且長期處于應力集中的工況，因而有必要定期進行檢查、監督，確保核電廠一回路壓力邊界的完整性[2]。反應堆壓力容器接管內圓角區在役檢查階段的無損檢驗，一般采取從接管內壁實施水下自動超聲檢查，但由于接管內圓角區域結構復雜，且沿周向不斷變化，對超聲檢驗設備運動軌跡及探頭設計要求較高。在檢查過程中需要實時對自動檢查設備運動軌跡進行調整，超聲檢測實施難度較大，檢測效率較低。按傳統的方式對該區域實施超聲檢驗困難較大，因此本文提出了對核電廠反應堆壓力容器接管內圓角實施增強型目視檢測的檢驗技術研究。

1 增強型目視檢驗技術分析

1.1 檢驗技術規范要求

1.1.1 ASME規范

ASME規范中（1998版和1999至2000補遺）XI卷詳細地規定了接管內圓角的檢驗要求、方法和檢驗區域范圍。其中B分卷IWB-2500要求對反應堆壓力容器的接管內圓角進行超聲檢驗，檢驗區域具體為接管母材往下12.7mm（不包括堆焊層厚度），接管過渡圓弧至容器壁厚，如圖1.1中所示的M-N-O-P區域[3]。

圖1.1 一回路主設備接管內圓角檢驗區域示意圖

ASME的規范案例（2013版）N-702中：委員會認為對于反應堆壓力容器接管內圓角的無損檢驗，可用VT-1的目視檢驗方法替代ASME規范中XI卷B分卷IWB-2500要求的超聲檢驗方法[4]。

1.1.2 美國聯邦法規

美國聯邦法規10CFR50對ASME的相關規范進行了補充規定，其中對于XI卷B分卷IWB-2500要求的反應堆壓力容器內圓角無損檢驗方法，10CFR50規定：當增強型目視的檢驗靈敏度至少能分辨出0.025mm寬的金屬絲或裂紋時，可使用增強型目視檢驗方法來替代超聲檢驗方法[5]。

1.1.3 美國核管會RG1.147導則

RG1.147導則中指出：當采用增強型目視檢驗代替超聲檢驗時，驗收標準按照ASME.XI卷IWB-3512.1執行，缺陷尺寸定量可采用估算法進行：取a/l=0.5來保守估算缺陷深度，根據測量的缺陷長度l來估算缺陷深度值a[6]（a為缺陷顯示的最大自身高度）。

1.2 檢驗技術的難點

1.2.1 結構復雜

反應堆壓力容器接管內圓角檢查區域：是容器內壁與接管內壁相交而形成的一個結構復雜的“馬鞍”面，且沿接管周向不斷變化。因此需要檢驗裝置能根據檢查面的不斷變化實時調整自身的運動軌跡來進行自動掃查，并實現精準定位。

1.2.2 掃查視角

在對反應堆壓力容器接管內圓角區進行目視自動掃查時，由于接管內光照度低，水下攝像頭在自帶光源的輔助下，為了獲得更佳的檢驗靈敏度，攝像頭與被檢表面的掃查視角選擇尤為重要。

1.2.3 掃查速度

對于視頻采集來說：掃查速度越快，所需的采集頻率就越高。那么在對反應堆壓力容器接管內圓角區進行增強型目視自動掃查時，此時的采集頻率為定值，那么掃查速度越快圖像的分辨率就越低。從而會導致檢驗靈敏度降低，影響檢驗質量。因此需確定合理的掃查速度范圍，來保證檢驗質量。

2 增強型目視檢驗的實施方案

反應堆壓力容器接管內圓角區的主要缺陷類型為腐蝕裂紋或堆焊層表面損傷，結合增強型目視檢驗技術要求所述：反應堆壓力容器接管內圓角區可采用VT-1的目視檢驗類別進行目視檢驗，檢驗靈敏度至少能分辨出0.025mm寬的金屬絲或裂紋，驗收標準按照ASME.XI卷IWB-3512.1執行。

根據ASME規范規定的反應堆壓力容器接管內圓角檢驗區域，增強型目視檢驗應選擇從接管內壁檢驗的方式進行。在役檢查時，由于反應堆壓力容器接管位于高劑量區，通常采用多自由度機械手的專用檢驗裝置攜帶攝像頭進行自動掃查。掃查過程中，在視頻采集分析電腦上觀察攝像頭采集傳輸的視頻實時圖像，發現缺陷顯示需暫停掃查做好記錄，當采集結束后再對缺陷顯示進行分析。

2.1 檢驗裝置

采用反應堆壓力容器專用檢查裝置實施反應堆壓力容器接管內圓角增強型目視檢驗。檢驗裝置包括一套精密的六關節機械手和一套能實時三維顯示和跟蹤機械手運動的先進軟件系統。針對反應堆壓力容器接管內圓角增強型目視檢驗，采用上平臺機械手下掛的模式，將機械手運動至接管內側實施視頻檢驗，采用馬鞍形的掃查軌跡對接管內圓角區域實施檢驗，掃查軌跡示意圖如圖2.1所示。

2.2 檢驗系統

檢驗系統主要包含：攝像頭、視頻控制器、視頻采集分析電腦，其中攝像頭采用大于等于2倍光學變焦，分辨率大于等于530線，自帶光源和紅外線激光模塊的、視頻控制器采用支持高清視頻信號輸入輸出，攝像頭云臺控制，開關光源和紅外線激光的、采集分析電腦裝有視頻采集分析軟件的。

3 增強型目視檢驗技術的試驗驗證

分別在Jaeger測試表、分辨率試板（裝有0.025mm寬的金屬絲）和帶缺陷的模擬體試塊上開展測試實驗，驗證檢驗實施方案的可靠性和準確性。

3.1 檢驗系統試驗

3.1.1 攝像頭試驗

在距Jaeger測試表610mm的距離范圍內，照度大于50fc的條件下，分別選用大于等于530線、2倍光學變焦的攝像頭和小于530線的定焦攝像頭觀測Jaeger測試表上J4字母，觀測結果為只有選用大于等于530線、2倍光學變焦的攝像頭才能夠清晰分辨出Jaeger測試表上J4字母，滿足VT-1檢驗類別的技術要求。

3.1.2 靜態檢驗靈敏度試驗

在VT-1檢驗類別的技術條件下，使用攝像系統觀測分辨率試板上寬度為0.025mm的金屬絲，驗證檢驗系統是否能夠清晰分辨出此金屬絲。經過試驗觀測檢驗系統能夠清晰的分辨出分辨率試板上寬度為0.025mm的金屬絲，滿足檢驗靈敏度的技術要求，詳見圖3.1。

3.1.3 動態檢驗靈敏度及掃查速度試驗

為保證反應堆壓力容器接管內圓角區增強型目視檢驗系統在檢驗過程中具有有效的檢驗靈敏度，需要對掃查軸的掃查速度進行測試并加以限制。適用的掃查速度范圍需要通過檢驗系統在模擬體試塊上進行試驗測試。

將分辨率試板布置在模擬體試塊內圓角區，攝像頭與分辨率試板的距離為掃查時的最遠距離。此時，攝像機掃過分辨率試板時相對線速度最大。調整攝像機，使分辨率試板位于圖像正中央。調整檢驗裝置的掃查速度，使攝像機勻速運動，運動過程中觀察分辨率試板上0.025mm寬的金屬絲，調整鏡頭焦距和聚焦，使攝像頭經過試板時觀察到的圖像清晰可見，記錄檢驗裝置的掃查速度及攝像頭鏡頭參數。記錄完畢后，提高檢驗裝置的掃查速度，重復上述步驟，測試更高運動速度下攝像頭的分辨能力。

經過試驗觀測，當轉速≤4.0°/s時，攝像頭能夠清楚分辨出分辨率試板上0.025mm寬的金屬絲，滿足檢驗靈敏度的技術要求。

3.1.4 攝像頭與被檢表面的水平夾角試驗

將分辨率試板布置在模擬體內圓角區，調整攝像機與分辨率試板的角度，角度變換過程中觀察分辨率試板上0.025mm寬的金屬絲，發現當攝像頭角度與試板的水平夾角小于30°時，攝像頭無法清晰分辨出分辨率試板上0.025mm寬的金屬絲；當攝像頭角度與試板的水平夾角大于30°時，攝像頭可以清晰分辨出分辨率試板上0.025mm寬的金屬絲。

同時經過試驗觀測，當攝像頭觀測方向與分辨率試板上0.025mm寬的金屬絲的布置方向一致時，不易分辨出金屬絲。當攝像頭觀測方向與分辨率試板上0.025mm寬的金屬絲的布置方向垂直時，容易分辨出金屬絲。

3.2 缺陷測量及定位試驗

3.2.1 缺陷測量試驗

反應堆壓力容器接管內圓角的增強型目視檢驗中發現缺陷顯示一般采用對比法對其進行尺寸測量。首先選取兩個攝像頭激光點作為標準長度，抓取一副缺陷圖，用視頻軟件中的測長功能測量出缺陷長度與標準長度兩者的比例關系，從而計算出缺陷的長度值。

在反應堆壓力容器接管內圓角模擬體試塊上，缺陷反射體為軸向和周向表面開口裂紋，通過反應堆壓力容器專用檢查裝置帶動及攝像系統自身旋轉與俯仰的調整，將攝像頭對準接管內圓角模擬體的檢驗區域進行增強型目視檢驗。測試結果如表3.1所示：

試驗結果表明：反應堆壓力容器內圓角增強型目視檢驗系統可以發現反應堆壓力容器接管內圓角模擬試塊中的裂紋缺陷，并且可以對缺陷長度進行精準測量。

3.2.2 缺陷定位試驗

在模擬試塊上對所發現的軸向缺陷進行軸向定位精度測量和軸向重復定位精度測量；

在模擬試塊上對所發現的周向缺陷進行周向定位精度測量和周向重復定位精度測量；

經測試，檢驗裝置對于軸向缺陷的定位誤差為-4mm，軸向重復定位誤差為-2mm； 檢驗裝置對于周向缺陷的定位誤差為5mm，周向重復定位誤差為2mm。

試驗結果表明，反應堆壓力容器內圓角增強型目視檢驗系統可以實現對反應堆壓力容器接管內圓角模擬試塊中缺陷的精準定位。

4 小結

通過實際試驗驗證結果可以得出，反應堆壓力容器內圓角增強型目視檢驗的相關技術參數應滿足以下幾點：

1）攝像頭參數

變焦：≥2倍光學變焦，分辨率：≥530線；

2）在610mm的距離范圍內，檢驗系統應能夠分辨出Jaeger測試表上J4字母；

3）檢查系統應能清晰分辨出分辨率試板上寬度為0.025mm的金屬絲或人工傷；

4）圖像移動速度應不快于4.0°/s；

5）攝像頭與受檢對象表面所成視角不得小于30°；

6）攝像頭觀測方向與缺陷顯示的走向方向垂直時，更容易檢出缺陷；

7）檢驗裝置應有足夠的定位精度及重復定位精度。

通過以上論證和試驗證明，反應堆壓力容器接管內圓角區增強型目視檢驗技術能夠滿足檢驗規范技術要求，可應用于核電廠反應堆壓力容器內圓角區檢驗。

【參考文獻】

[1]孫學英，鄭斌，藏峰剛.反應堆壓力容器出口接管管嘴缺陷斷裂力學分析[J].核動力工程，2009，30（4）：21-22.

[2]周路生，鄒斌，常楠。核電廠接管內圓角超聲檢查技術[J]。無損檢測，2014，1006-6656（2014）06-0010-04.

[3]ASME規范XI卷[S].1998版（1999至2000補遺）.

[4]ASME CODE CASE[S].2013版.

[5]NRC Regulations， 10CFR50.55a（2013）： Codes and Standards[S].

[6]NRC Regulatory Guide 1.147（2007）：In-service Inspection Code Case Acceptability，ASME Section XI，Division 1，Revision 16[S].