CPR1000核電機組凝汽器傳熱管渦流檢測策略對比與優化

陳艷慧，梁鵬飛

(蘇州熱工研究院有限公司，蘇州 215004)

凝汽器是核電廠熱力循環系統的重要設備之一，其傳熱管數量較多，且運行條件較為惡劣，在振動、磨損、沖刷等因素影響下，存在傳熱管泄漏的風險。一旦傳熱管失效泄漏，會引起二回路水質和化學性能指標不佳，甚至會導致機組被迫停機停堆，直接影響到機組運行的安全性和經濟性[1-3]。

目前，對于CPR1000核電機組，檢測凝汽器傳熱管中缺陷及其擴展趨勢的常規方法為渦流檢測法，通常安排在每次換料大修期間執行傳熱管全檢或抽檢。通過對不同機組渦流檢測過程中檢測探頭、檢測計劃和檢測結果3個方面的對比分析，提出了渦流檢測的優化策略，對后續其他機組檢測策略的制定，具有一定的指導作用。

1 各機組凝汽器傳熱管渦流檢測探頭對比

作為核電廠二回路上的關鍵設備，國內CPR1000核電機組的凝汽器傳熱管材料通常為鈦管，其一般采用多頻渦流技術進行檢測，使用內穿式軸繞式探頭進行管子的渦流檢測。

以某CPR1000核電機組A、B、C電站為例，其中，A、B電站每臺機組凝汽器有4個水室，C電站每臺機組凝汽器有6個水室，3個電站的傳熱管均有兩種尺寸，分別為外圍管束壁厚0.7 mm，內部管束壁厚0.5 mm，具體檢測參數見表1。

從表1可知，3個電站機組均使用軸繞式探頭來實施凝汽器鈦管全長度的渦流檢測。對于相同壁厚管子，其外徑不同，所選用的探頭直徑不同，但是均可滿足渦流檢測填充系數的要求。另外，對于B、C電站，在探頭直徑相同的情況下，其0.7 mm壁厚鈦管的采集頻率設置相同，而0.5 mm壁厚鈦管的采集頻率不相同，這是因為頻率不僅與采用的儀器、探頭、所檢管材等有關，還需要根據對比試樣上不同深度人工缺陷的渦流響應情況，多次調試后才能得到最佳檢測頻率。

表1 不同機組凝汽器參數列表

2 各機組凝汽器傳熱管渦流檢測計劃對比

2.1 A電站檢測計劃

每次大修采用“定檢+滿天星”的檢測方式，定檢指4個水室均固定對外圈壁厚為0.7 mm的正面受乏蒸汽中水滴沖蝕的傳熱管進行檢測，具體見圖1中外圈紅點。滿天星抽查(圖1中內部紅點)指每次大修時根據計劃安排更換一個水室做檢查。待4個水室全做完滿天星檢查后，增加一行進行抽查。待4個水室滿天星抽查循環一次后，行號再進行第二次循環，不過列號需與第一次循環檢測的管子錯開，如此下去，覆蓋水室內部的傳熱管。

圖1 A電站凝汽器檢測計劃

2.2 B電站檢測計劃

B電站凝汽器水室內鈦管分布及具體的抽檢計劃如圖2所示。每次大修時，對外圈受蒸汽直接沖刷的0.7 mm壁厚鈦管進行全檢(圖2中外圈紅點)，0.5 mm壁厚鈦管每15排抽取一排進行檢測(圖2中內部紅點)，每次檢測的抽取排號較上一次檢測的下移一排，4個水室抽檢計劃相同，總體抽檢比例在13%左右。

圖2 B電站凝汽器檢測計劃

2.3 C電站檢測計劃

在第二次大修之前，C電站的抽檢策略與B電站相同。從第三次大修開始，在總結該電廠之前的檢驗結果和經驗，以及綜合外部電廠經驗反饋的基礎上，對該檢測計劃進行了相應的調整和修改，修改后的檢測計劃為：0.7 mm壁厚鈦管全檢(圖3中外圈綠點)，左右兩側前三個指縫內外圈0.5 mm壁厚鈦管全檢(圖3中藍點)，其余0.5 mm壁厚鈦管由每15排抽取一排改為每12排抽取一排，且每個水室的起始抽取排號較前一個水室的下移兩排，每次檢測抽取的起始排號較上一次大修的下移一排，單次抽檢比例約為18%。單個凝汽器水室內鈦管分布及具體的抽檢計劃如圖3所示。

圖3 C電站凝汽器檢測計劃

對比A、B、C電站凝汽器的檢測計劃可知，在制定檢測計劃時，易發生損傷的0.7 mm壁厚鈦管均已覆蓋檢測。但是，對于0.5 mm壁厚的外圈薄壁管和內部管束的選取范圍，3個電站各不相同，具體對比如表2所示。

表2 不同機組凝汽器檢測計劃對比

(1) A電站覆蓋了易發生損傷的外圈厚壁鈦管，且每次選擇1個水室進行滿天星檢測。對于實施滿天星檢測的水室，提高抽檢比例能增強發現缺陷的能力，特別對于內部鈦管，可以獲得相對完整的缺陷分布信息。但是，由于檢測管子數量多，單個水室工期較長，且對鈦管的定位要求高，容易采錯管(接受檢測的管號與實際需要檢測的管號不一致)，存在潛在人為失誤風險。同時，該檢測計劃僅覆蓋外圈厚壁鈦管，對外圈薄壁鈦管未進行檢測。另外，單個水室實施滿天星檢測，即其他水室要在一個循環后才能重復檢測，該過程中存在內部鈦管缺陷未及時跟蹤的風險。

(2) B電站同樣覆蓋了外圈易發生損傷的壁厚0.7 mm的鈦管，同時每個水室固定內部鈦管每15排抽一排，因此檢測計劃便于編制，且對于內部區域鈦管的上一次檢測時間，比較便于識別。同時，每個水室內部檢測計劃相同，有利于現場探頭的定位，大幅降低人為失誤致使管子采錯的可能性。但是，此檢測計劃，和A機組一樣，未能有效覆蓋外圈壁厚為0.5 mm的薄壁鈦管，且針對內部0.5 mm壁厚鈦管，每15排抽取一排的檢測計劃，使得整個檢測范圍的覆蓋密度較低，因此對于一定范圍內出現的缺陷管的發現能力不足。

(3) C電站除易發生損傷的外圈0.7 mm壁厚鈦管全檢外，增加了左右兩側前三個指縫外圈0.5 mm壁厚管線的鈦管檢測，提高了敏感區域的檢測覆蓋率。同時，與B電站不同，每個水室固定內部鈦管由每15排抽一排改為每12排抽一排，抽檢比例有所提高。在各個水室內缺陷的發生和分布較為一致的情況下，C電站的缺陷檢測能力高于A和B電站的，但是對單個水室小范圍缺陷管覆蓋密度依然不是很高，且發現嚴重缺陷后，需要對其他水室相應位置進行擴檢，對分析結果的反饋時效以及現場的響應能力要求較高。

3 各機組凝汽器傳熱管渦流檢測結果對比

對冷凝器傳熱管實施渦流檢測，能夠有效地發現傳熱管大部分區域的常見缺陷，如凹陷、不通管、內外傷和穿錯管等，且對于不同電站，每個冷凝器水室都應根據歷次大修的缺陷情況，對部分缺陷管進行跟蹤檢查，具體如表3所示。根據表3的電站檢查結果對缺陷進行跟蹤對比可知，對于凹陷及內外傷信號，均需要進行跟蹤檢查，其中A、C電站基本相同，而B電站與A、C電站區別明顯，將凹陷跟蹤幅值提高到20 V，僅對于傷深≥20%壁厚，每個循環抽查一次。這樣雖會減少管子抽查數量，節約大修工期，但是對于凹陷幅值在10 -20 V之間以及10%壁厚≤傷深<20%壁厚的管子，在缺陷增長較快的情況下，會出現未及時跟蹤的風險。

表3 不同電站的缺陷跟蹤及堵管標準

對于堵管要求，A、B、C電站標準明確，內外傷在傷深>40%壁厚的鈦管需要堵管，以免泄漏并造成周圍附近管束出現損傷。另外，C電站額外明確了凹陷較多以及整體減薄區存在針孔狀外傷時需要堵管的要求，該要求與該電站冬季運行時的特殊溫度工況有關。

4 凝汽器傳熱管渦流檢測策略優化

自20102018年， CPR1000某群廠機組共發生6次凝汽器傳熱管斷裂致使機組停運的重大事件，累計出現斷管18根，斷口24個。針對此類事故，在已有檢查策略上，提出如下優化建議。

(1) 在檢查探頭的使用上，軸繞式探頭對裂紋的敏感性差，因此需要對分析中發現的磨損管的磨損位置及其分布情況加強關注，并注意分析鈦管是否有可能發生了超限振動。后續檢測中可以考慮使用內穿式陣列渦流探頭對潛在損傷風險較高的鈦管以及懷疑有缺陷的鈦管進行補充檢查或進行復檢，以此降低結構信號引起的檢測誤差和漏檢率，從而為缺陷的形成機理和擴展風險分析提供數據支持[4-6]。

(2) 根據凝汽器鈦管渦流檢查的歷史檢查結果，結合群廠鈦管斷裂事件，發現凝汽器鈦管缺陷主要集中在表層管，內層管未見斷管缺陷。例如A機組在第六次換料大修后，發現凝汽器側鈦管泄漏，對機組進行停機實施氦氣查漏發現有2個水室共計8根鈦管發生泄漏，且泄漏管子包括外圍0.5 mm壁厚的薄壁管。目前CPR1000機組的大量檢查工作是針對斷裂風險低的內層管，對斷裂風險高的表層鈦管有漏查風險。因此，在后續制定檢查計劃時，建議以表層鈦管檢查為主，進一步優化布點方式，特別是應對上部迎汽面的表層薄壁鈦管進行全覆蓋檢查。例如，檢查計劃中加入上半部分原本不在固定檢測計劃內的外圈非直接受蒸汽沖刷的薄壁鈦管，或是對于發生過外圈薄壁鈦管泄漏的機組，檢測計劃中加入所有的薄壁管。另外，電廠應分析哪些區域的鈦管易發生超限振動，并將該類區域中的鈦管列入到固定檢查計劃中，使得鈦管渦流檢查范圍更加保守。

(3) 在檢查結果的處理上，對于含深度大于40%壁厚，出現多處凹陷且信號幅值較大的缺陷的傳熱管，需及時進行堵管處理，以免泄漏造成附近管束的損傷。另外，對于外部其他電站的經驗反饋，例如發生過斷管或是泄漏的傳熱管，需要對同類型機組的相同位置進行拔管或堵管處理，避免再次發生泄漏，影響機組的運行。

5 結語及展望

(1) 針對CRP1000核電同類型機組，凝汽器鈦

管渦流檢查計劃各不相同，在制定時均考慮了易發生損傷的外圈厚壁鈦管，但是對于外圈薄壁管和內部管束的選取各不相同，建議后續制定檢查計劃時，將外圈薄壁管也列入檢查計劃內，且對于內部區域鈦管，需要根據歷史檢查結果和外部經驗反饋，增加檢測密度，對歷史檢查出的缺陷持續跟蹤，避免再次發生泄漏。

(2) 目前國內核電廠基本以基荷的形式運行，后續可能會出現調峰或是長期臨停的負荷持續變化狀態。因此，除了在換料大修進行凝汽器傳熱管檢查外，特別是甩負荷的非計劃停機后，可以考慮對外圈鈦管或易發生超限振動的區域中的鈦管補充進行渦流檢測。同時，在傳統軸繞式探頭的基礎上，可考慮采用內穿式陣列渦流探頭進行補充檢查或是復檢，降低結構信號引起的檢測誤差和漏檢率。

(3)在機組實際運行過程中，引起傳熱管失效的因素較多，除了制定合理的檢查策略外，還需要結合凝汽器的設備狀態進行綜合管理，例如降低凝汽器管側水的流速，以減少沖蝕造成的鈦管磨損，必要時對凝汽器傳熱管局部換管或是預防性堵管等，以保證核電廠的安全、可靠運行。