渦流檢測在核電站中的應用

王元輝 肖鎮官 劉毅

【摘 要】在我國核電站的高速發展階段，核電設備可靠安全不容忽視，如何保證核設備的安全則成為重中之重。核電站在服役期間，定期對相關部件進行在役檢查，渦流檢測作為無損檢測方法之一，發揮著其不可替代的作用。本文從渦流檢測在蒸汽發生器傳熱管、反應堆螺栓/螺母、冷凝器鈦管等方面，描述了渦流檢測在核電廠中的應用。

【關鍵詞】渦流檢測;核電廠;無損檢測;應用

中圖分類號： TM623 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）04-0242-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.04.094

Application of eddy current testing in nuclear power plant

WANG Yuan-hui1，2 XIAO Zhen-guan1，2 LIU Yi1，2

（1.Research Institute of Nuclear Power Operation， Wuhan Hubei 430074， China;

2.China Nuclear Power Operation Technology Co.，Ltd.，Wuhan Hubei 430223， China）

【Abstract】During the rapid development of nuclear power plants in China， the reliability and safety of nuclear power equipment cannot be ignored. As one of the nondestructive testing methods， eddy current testing plays an irreplaceable role in the in-service inspection of relevant components of nuclear power plants. This paper describes the application of eddy current testing in nuclear power plant， Such as the steam generator tubes， ?the reactor bolt/nut and the condenser Titanium tubes and so on.

【Key words】Eddy current testing; Nuclear power plant; Nondestructive testing; Application

1 背景

1991年，中國第一座核電站秦山核電站并網發電，結束了我國無核電的歷史。歷經30年的核電發展，已建成了秦山、田灣、福清、海南等多個運行核電基地。從“潮”起秦山，到“潮”涌海灣，從“國之光榮”到“國之重器”。30年來，中國核電先后建設了30萬、60萬、70萬、100萬、VVER、AP1000、華龍一號、快堆，中國核電續寫的奇跡每天都在上演，奪目的數據每天都在刷新，成為當之無愧的“國家名片”。

隨著核電的穩步發展，裝機容量逐年提升，核電機組越來越多。核電站在運行期間，其承壓機械部件會受到輻照、溫度、壓力等多種因素的作用，導致部件材料性能惡化，各種形式的裂紋萌發并擴展，從而對部件的正常運行以及核安全產生重大影響。因此，在核電站服役期間應定期對相關部件進行在役檢查，以保證核電站的安全經濟運行，降低機組運行期間的故障率提供技術保障。

2 渦流檢測概述

渦流檢測是無損檢測的主要方法之一，也是核電在役檢查不可或缺的檢查方法之一。渦流檢測技術是利用電磁感應原理，通過測定被檢工件內感生渦流的變化來無損評定導電材料及其工件的某些性能，或發現缺陷的無損檢測方法。

根據線圈的結構主要分為軸繞式探頭、點式渦流探頭、旋轉探頭（RPC）等。軸繞式探頭是渦流檢測中最常見的探頭形式，一般用于管材的檢驗。軸繞式探頭用于從管材的內壁側進行檢驗或從管材的外壁側進行檢驗。此類探頭多用于管材、棒材、絲材等的在線檢測或出廠檢測，是傳熱管渦流檢測中使用最為廣泛、檢查速度最快、最經濟有效的探頭種類。

點式渦流探頭具有較高的檢測靈敏度，通常用于表面及近表面缺陷的檢查，也適合于非金屬涂層測厚等應用。常見的點式探頭結構有平面線圈和柱狀線圈兩種，分別適用于平面和特殊曲面的檢查。 在民用核安全設備渦流檢驗領域，點式探頭已經在壓力容器主螺栓/主螺母檢查、主泵主軸等部件檢查中得到廣泛應用。

旋轉探頭（RPC）實際是點式探頭結構的延伸，它以平面線圈（Pancake Coil）或正交線圈（Cross Wind Coil）為基礎，附加旋轉裝置和類似直流電機換向刷的滑刷（Slip Ring），用于實現旋轉與直線運動同步進行的螺線形掃查。旋轉探頭具有極高的檢測靈敏度但檢測速度大為下降。這種探頭通常用于對可疑顯示進行三維顯示定性確認，并且可以測量缺陷的軸向長度和周向寬度，但不具備對缺陷深度精確定量的能力。

3 在核電站的應用

3.1 蒸汽發生器傳熱管的檢驗

蒸汽發生器（Steam Generator）是核電站中的重要設備，承擔著一次側與二次側的熱交換任務，又是防止核泄漏的第二道屏障。蒸汽發生器進行交換熱量，主要依靠內部的數千根傳熱管，換熱面積占一回路壓力邊界總面積的80%以上，其安全重要性不言而喻。傳熱管的局部腐蝕及機械磨損是導致其承壓能力降低而破裂的原因。傳熱管遭受腐蝕及機械磨損的主要類型包括：一次側的應力腐蝕、二次側的應力腐蝕/晶界腐蝕、點蝕、凹痕， 耗蝕、微振磨損、機械損傷等。

因傳熱管數量比較大，在有限的時間需要完成傳熱管使用壽命的評估，目前最為快速有效的方法就是渦流檢驗。蒸發器傳熱管檢查，主要采用了內穿軸繞式線圈（Bobbin）對受檢蒸汽發生器傳熱管進行全長度渦流檢驗。Bobbin 探頭檢測技術能快速對傳熱管缺陷進行檢測并確定缺陷深度，但在傳熱管的脹管過渡區附近有一定的檢驗盲區，可能會導致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。

為了更有效和可靠地檢測出脹管過渡區出現的缺陷，需要使用渦流旋轉探頭（RPC）檢驗技術對脹管過渡段進行檢查，從而彌補Bobbin探頭檢驗在脹管區存在盲區的缺點，使得在役檢查能夠覆蓋全部傳熱管的所有區域，充分保證了傳熱管的安全運行。

3.2 在葉片檢測的應用

核電站每個機組汽輪機包含有多個高壓缸和低壓缸，它們每側都有幾級葉片，葉片均有圍帶，葉片圍帶與圍帶之間通過連接片連成一體，連接片是最易產生缺陷的部位，由于圍帶連接片的位置較為隱蔽，進行目視檢驗及滲透檢驗較為困難，不易發現裂紋，容易產生漏檢。為了消除隱患，確保裂紋缺陷準確、可靠的檢出率，保證機組的安全運，采用渦流檢驗方法，可以消除裂紋這種常見缺陷。

檢驗使用多頻渦流儀器，儀器的頻率選擇范圍較寬，有多頻檢測功能，有顯示器、打印機、模擬信號輸出、圖象存儲等多種輸出記錄功能，可配接各種類型的探頭。檢驗使用差動點式探頭，采用采用以下兩個頻率進行檢驗， 主檢驗頻率用來檢驗連接片表面和近表面的缺陷;輔助檢驗頻率可檢驗到連接片的背面缺陷。標定片為更換下的帶有真實缺陷的圍帶連接片，缺陷為貫穿性裂紋。調整標定片的裂紋渦流信號，調整相位及走向，直至能準確區分兇邊緣效應、提離效應、幾何形狀等非缺陷所產信號。

渦流檢驗與目視檢驗相配合，可以使目視檢驗的靈敏度大大提高。引入渦流檢驗方法后，通過在渦流檢驗的記錄可疑信號的部位進行重點目視檢驗，使目視檢驗的針對性大大增強，避免漏檢，將葉片產生的裂紋及其他缺陷檢驗出，消除汽輪機組運行期間的安全隱患。

3.3 在高壓加熱器的應用

高壓加熱器是給水循環的一個重要組成部分，在高壓加熱器運行期間出現的故障中，熱交換器管束泄漏事故是常見的故障的占70%以上，對高壓加熱器熱交換管束的檢測十分必要。

高壓加熱器熱交換管材質一般為鐵磁性，因此常規渦流（Bobbin）檢測不適用，在役監督、檢測的最有效手段就是遠場渦流檢測技術，它是基于遠場渦流效應的一種檢測技術，內置式探頭置于被檢測鋼管內，探頭上有一個激勵線圈和一個（或兩個）檢測線圈（圖1）。除了具有一般渦流檢測的優點以外，對鐵磁性導電管的內外壁損失具有相同的靈敏度，而且不受集膚效應的限制，便能使用一個探頭檢查出凹坑、裂紋和壁厚減薄等缺陷，有效預防熱交換管的泄漏，保障高壓加熱器安全運行。

制作對比試樣的管材與被檢熱交換管應為同批次，相同材質。在對比試樣上加工不同的人工缺陷，例如通孔、不同深度和寬度的環形槽來模擬實際磨損缺陷等。在數據分析時，根據相位進行分析評判，準確對熱交換管進行評估，保證高價加熱器的運行安全。

3.4 在冷凝器等換熱器的應用

冷凝器換熱管在常規火電廠和核能電廠中都是蒸汽側與冷卻水側的分水嶺，主要用于已完成發電的殘余熱量與海水進行熱交換，使蒸汽凝結成水后重新進入循環。根據各核電站發電機組功率大小及設計的不同，凝汽器換熱管的數量和尺寸也各不相同，壁厚0.6-0.7mm左右，長度約16m，數量約數千根。

換熱管處于蒸汽側與冷卻水側之間，為了有效地將蒸汽中的熱量帶走，必須在滿足工況的條件下盡可能采用薄壁管， 同時根據所采用冷卻水情況選擇不同材質的管材，在核電廠一般選用鈦管。由于換熱管本身比較薄，經歷一段時間運行后，換熱管會出現壁厚減薄、磨損、凹陷等各種形式引起的泄漏現象。一旦出現泄漏，電廠一般都被迫降低功率停用堵管以免影響蒸汽側水的品質。

根據凝汽器鈦管的特點，其在役檢查一般采用多頻渦流技術，使用內插式探頭進行檢查。一般從進水側水室由人工對鈦管進行定位并拉拔探頭，在探頭拉出的過程中完成數據采集，然后由數據分析工作站遠程調用采集好的渦流數據完成數據分析。

冷凝器換熱管使用渦流檢測技術進行檢驗，可以檢測出換熱管的凹陷、裂紋、沖蝕的凹坑、壁厚減薄等缺陷，切實保證換熱管的安全使用。

3.5 在螺栓螺母的應用

反應堆壓力容器主螺栓/主螺母是固定反應堆壓力容器本體和頂蓋的承力部件，長期在高溫高壓輻照環境下運行，使用條件十分惡劣，是核動力裝置中重要的承壓易損部件，屬檢驗規范規定的必檢部件。

主螺栓一般為雙頭螺栓，上部有供螺栓安裝和拆卸用的拉伸螺紋。其規格從M90到M160不等，長度大約1至2米，材料一般為碳鋼，屬于鐵磁性材料。一般有兩段緊固螺紋和一段拉伸用螺紋。在役運行中的螺栓/螺母螺紋區的主要缺陷形式有應力裂紋、氧化腐蝕、材料移位、變形（沖擊、敲擊）、磨損、過厚、加工缺陷、材料缺損、本底噪聲等。

渦流探頭為帶螺紋的楔型點式探頭，能較好的適應螺紋區的形狀，使探頭對螺紋根部的裂紋具有較高的檢測能力，以滿足規范要求的檢測靈敏度。因此通過嚴格的質量控制和定期檢測，確保其高效安全的運行。

4 結論

渦流檢測在核電站不僅在上述設備中運用，還應用于反應堆中子通量測量指形套管、設備冷卻水熱交換器、汽水分離再熱器、反應堆壓力容器堆焊層、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、CRDM密封焊縫、主泵主軸等。

隨著核電機組的增加，渦流檢測技術也在快速進步發展，比如陣列檢測技術、脈沖渦流檢測技術等的研究。隨著渦流檢測技術的研究，在檢測靈敏度、定量等各方面都會有一定的提高，其應用也會越來越廣泛。

【參考文獻】

[1]徐可北，周俊華.渦流檢測[M].北京：機械工業出版社，2004.

[2]王琛，等.渦流檢驗在汽輪機轉子圍帶連接片上的應用[J].第十屆全國電站焊接學術研討會，349-350.