核電廠SG傳熱管渦流檢驗內壁顯示淺析

陳勝宇 肖鎮官 曾玉華 楊麗軍

摘 要

本文闡述了AP1000堆型非能動余熱導出熱交換器傳熱管PVN渦流信號的分析過程。針對檢驗過程中出現的可疑內壁渦流顯示，主要從渦流信號的相位角進行解析，附加內窺鏡目視檢驗和渦流旋轉探頭檢驗，最終判定該信號為PVN信號，結果與管材生產廠家給出的原材料分析結果一致。

關鍵詞

渦流檢驗;Bobbin探頭;旋轉探頭;PVN

中圖分類號： ?TL353.13 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.07.081

Abstract

This paper introduced the defect analysis process of PVN for AP1000 PRHR HX tubes.Suspicious inner indication was detected during eddy current inspection，Analysis from the phase of eddy current signal，the endoscope visual inspection and eddy current rotating probe inspection was performed，confirm the signal is PVN，the result is consistent with the analysis result of raw materials from tube manufacturers.

Key Words

Eddy current inspection;Bobbin probe;Rotating probe;PVN

0 前言

美國西屋公司設計的三代壓水堆AP1000核電機組中，余熱導出功能分別由非能動余熱導出熱交換器Passive Residual Heat Removal Heat Exchanger （以下簡稱：PRHR HX）和正常余熱導出系統Normal Residual Heat Removal System（以下簡稱：RNS）來執行。PRHR HX是AP1000機組非能動堆芯冷卻系統的一個子系統，在蒸汽發生器給水少，蒸汽系統發生瞬態時保護電廠安全，滿足給水喪失、給水管破裂、蒸汽管破裂的安全準則。在非大破口失水事故且蒸汽發生器不可用時，執行應急衰變熱導出的功能，可長久地去除衰變熱而無須運行人員的任何干預。PRHR HX傳熱管屬一回路壓力邊界，屬于專設安全設施的一部分，傳熱管的好壞直接關系到核電站的安全運行，因此國內外核電站必須對傳熱管進行役前和運行后定期地在役渦流檢驗。

國內某核電站PRHR HX進行防振條安裝后的傳熱管渦流檢驗過程中，24根傳熱管共檢驗出35處內壁顯示的渦流信號，且出現位置毫無規律性，現場增加內窺鏡目視檢驗及渦流旋轉探頭檢驗，最終判定這些顯示均為PVN信號（磁導率變化Permeability Variation）。

1 被檢對象

PRHR HX熱交換功能主要由689根材料為Inconel 690TT，外徑為19.05mm、壁厚1.65mm的直立“C”型傳熱管來實現。“C”型傳熱管頂部位于安全殼內換料水箱（以下簡稱：IRWST）液面幾英尺以下，通過附著在IRWST的底板和頂板上的支架進行固定，采用法蘭連接的固定方式，并考慮了熱膨脹因素。出口管線連接在出口管道接頭上，位于入口管道接頭的正下方且接近于IRWST 的底部。兩個通道接頭的管板與蒸汽發生器的管板相同，且都有用于檢修和維護用的人孔。用于固定和支撐傳熱管管束的支撐板數量為9組，均勻分布于“C”型傳熱管全長。為加強防振能力，降低因振動而導致的傳熱管壁厚減薄壽命變短等因素，另附加有21組防震條穿插分布于支撐板之間。PRHR HX 在設計上具有足夠的導熱能力，在發生喪失主給水或主給水管線破裂的情況下，與蒸汽發生器內可用的水共同作用，為RCS 提供足夠的冷卻，防止堆芯冷卻不足，堆芯超壓，冷卻劑通過穩壓器安全閥向外泄漏。

2 檢驗實施

檢驗實施的主要步驟如下：

（1）使用內穿過軸繞式渦流探頭（以下簡稱：Bobbin探頭）對所有傳熱管實施渦流檢驗。

（2）根據Bobbin探頭的檢驗結果，選取幾根出現疑似內壁顯示的傳熱管進行定性分析。

（3）附加內窺鏡目視檢驗對傳熱管內壁狀況進行檢查，判斷是否存在內壁附著物或內壁材料缺失。

（4）對渦流顯示位置使用旋轉探頭進行檢驗和定性。

2.1 Bobbin渦流檢驗

Bobbin渦流檢驗主要設備和參數如下：

（1）檢驗設備：OMNI-200R遠控多頻渦流儀。

（2）檢驗探頭：Bobbin探頭;旋轉探頭為外徑14.2mm的三線圈旋轉渦流探頭（線圈1為扁平線圈、線圈2為正交線圈、線圈3為高頻扁平線圈）。

（3）標定管：依據ASME標準加工人工傷[1]。

（4）檢驗頻率：240kHz、120kHz、60kHz、20kHz四個檢驗頻率

Bobbin探頭渦流檢驗結果：35處內壁顯示的幅值為0.2v～1.6v，相位為5°～14°，信號形態類似。以管號R005C009的傳熱管為例進行分析，如圖1所示。

2.2 顯示定性分析

選取Bobbin探頭信號三個差分通道Ch1（240kHz）、Ch3（120kHz）、Ch5（60kHz）進行分析，隨著檢驗頻率的降低，這些渦流信號顯示在差分通道的相位角逐漸增大（相位角向40°靠近），符合內壁缺陷相位角的變化規律，且相位角在0°～40°之間，可以判斷這些顯示是出現在傳熱管的內表面[2]。產生內表面顯示的原因通常有三種：內壁附著物、內壁材料缺失、PVN信號，現對這三種可能情況進行詳細分析。

2.2.1 內壁附著物

內壁附著物是指具有電磁特性的外來物依附在傳熱管內壁，能夠影響渦流探頭的電磁信號，分為松散內壁附著物和固定內壁附著物，典型內壁附著物渦流信號見圖2。松散內壁附著物可以通過特定的方法（如：清洗、剮蹭、摩擦、除銹）有可能被清除掉，而固定內壁附著物牢固地依附在傳熱管內壁，很難清除。隨著Bobbin探頭的反復采集和磨蹭，松散內壁附著物渦流信號的幅值可能會減小，甚至會出現移位或消失的現象。固定內壁附著物對渦流探頭的運動存在一定的阻礙。內壁附著物也可以使用內窺鏡目視檢驗觀察附著物形態。對存在內壁顯示的24根傳熱管實施清洗和除銹處理，并反復進行Bobbin探頭的數據采集，這些信號依然出現在傳熱管的相同位置，幅值和相位角差異不大，未出現探頭回拉過程“卡頓”的現象，內窺鏡檢查未發現內壁附著物形態，因此可以大致排除內壁附著物的可能性。

2.2.2 內壁材料缺失

內壁材料缺失是傳熱管在生產加工、安裝、使用期間由于外部因素或者材料本身原因產生的產品降質現象，常見的有內部裂紋、凹坑、局部材料磨損等現象，典型內凹坑渦流信號見圖3。首先，從Bobbin探頭渦流信號的形態特征分析，該顯示在通道Ch1、Ch3、Ch5上呈現較尖銳的“扁平”狀，而標定管上的內壁人工缺陷的李沙育圖均呈現比較飽滿的“8”字形信號。其次，通道Ch1、Ch3顯示的相位角偏差不大，所有這些信號顯示的Ch1和Ch3相位角差均在1°～6°之間，偏差值比標準內壁人工缺陷偏差小。再者，根據主檢測頻率的相位判傷曲線，該顯示的壁厚損失深度為31%，如果存在如此大的內壁缺陷，在原材料出廠階段的外穿過式渦流和超聲聯合探傷時應該就能被檢驗出來，查閱聯合探傷報告并未發現該缺陷存在。由以上幾點特征分析，初步確認該顯示不是內壁材料缺失。

2.2.3 PVN信號

PVN信號[3]是由于原材料加工、熱處理等原因，傳熱管存在某區域摻雜其他金屬導致相對磁導率、電導率發生變化，但材料的機械性能并未因此而下降。PVN信號的李沙育圖一般比較尖銳，大部分的PVN信號的相位角符合內壁缺陷變化規律，隨著檢測頻率的降低，其相位角會增大，典型的PVN信號見圖4。PVN渦流信號還可以通過強磁飽和探頭進行驗證，強磁飽和探頭對PVN信號有一定消減或削弱。從Bobbin探頭渦流信號的形態特征來看，這些內壁顯示符合PVN的信號特征。

2.3 內窺鏡目視檢驗

為進一步判斷這些內壁渦流顯示的性質，選取具有代表性的傳熱管對渦流顯示部分進行定位，使用內窺鏡附加目視檢驗，目視檢驗結果見圖5。

從內窺鏡目視檢驗結果可以看出，傳熱管內表面存在疑似“銹斑”，傳熱管內表面無明顯材料損失，同時也未發現內壁附著物的存在。

通過Bobbin探頭渦流信號分析及內窺鏡的目視檢驗結果，可以排除內壁附著物的可能;從Bobbin渦流信號可以看到該顯示信號符合內傷相位變化規律，形態特征與標定管人工內傷略有區別，并且通過內窺鏡可以看出被檢傳熱管渦流顯示部位無明顯材料缺失，但無法排除裂紋類缺陷的存在，下面將通過渦流旋轉探頭進一步分析和印證。

2.4 旋轉探頭渦流檢驗

旋轉探頭不同于普通的Bobbin探頭，是由馬達單元驅動，使探頭在傳熱管內部高速旋轉，同時由探頭推拔器驅動探頭做軸向運動，3個檢測線圈均貼合傳熱管內壁進行螺旋式掃查，馬達轉速為300轉/分鐘。旋轉探頭采集的渦流信號如圖6所示，渦流C掃圖中檢測到一個很尖銳的突變信號，可判斷為體積型顯示。

根據旋轉探頭信號的形態特征，結合Bobbin信號和內窺鏡檢驗結果可以排除裂紋缺陷的存在，同時也能排除內壁材料缺失的可能，最終判斷該顯示信號為PVN。

2.5 微觀分析

傳熱管生產廠商曾發現過類似案例，并對具有相同信號特征的傳熱管進行縱向解剖，使用高倍光學顯微鏡對內表面和縱剖面進行觀察和分析，10倍和100倍放大情況如圖7所示，從剖面形態上觀察：疑似內壁嵌入夾雜物。

對夾雜區域進行掃描電鏡（SEM）及能譜（EDS）做微區形貌化學成分分析，分析得出的結果見圖8，夾雜物主要為含鐵元素的磁性材料，與基體成分不一樣。

根據材料分析結果，并結合傳熱管加工工藝，在傳熱管成型的冷軋過程中，冷軋機內芯長軸上的鐵磁性渣滓被壓入傳熱管內壁所產生。

3 結論

通過對690TT材料的傳熱管上PVN信號分析，Bobbin探頭檢測出的PVN信號形態特征往往呈現較尖銳的“扁平”狀，其相位角隨檢測頻率的降低而增大，旋轉探頭檢測出的C掃信號形態特征也是很尖銳的突變信號。通過Bobbin探頭、旋轉探頭及內窺鏡等檢驗結果結合分析，可以區分內壁附著物、內壁材料缺失、PVN信號。最終的判定結果與傳熱管生產廠家微觀分析結果一致。

參考文獻

[1]ASME 鍋爐及壓力容器規范 第V卷 無損檢測，1998版至2000增補.

[2]任吉林，林俊明，徐可北.渦流檢測[M].北京：機械工業出版社，2013.

[3]廖述圣，韓捷.基于數值計算的蒸汽發生器傳熱管磁區渦流信號的判別[J].無損檢測，2013.