核電站蒸汽發生器傳熱管與管板脹管段的渦流檢測

馮 俊，張 偉，陳勝宇，肖鎮官，曾玉華，楊 帆

(核動力運行研究所，武漢 430223)

蒸汽發生器是核電站最大的換熱設備，承擔著一次側與二次側的熱交換任務，該設備將一回路主冷卻劑從反應堆堆芯帶出的熱量傳給二回路給水系統，使之產生蒸汽，推動汽輪機做功。同時蒸汽發生器為防止核泄漏的第二道屏障，屬于核安全一級設備。蒸汽發生器的制造工藝極其復雜，每一道工藝都影響其運行安全，尤其是傳熱管與管板的脹接工藝[1]，因此必須對傳熱管與管板脹接后形成的脹管段以及過渡區進行全范圍渦流檢測[2]，才能保證其在役期間的安全運行。脹管段渦流檢測范圍如圖1所示。

圖1 脹管段渦流檢測范圍示意

1 脹接工藝介紹

核電站蒸汽發生器傳熱管和管板采用焊接和脹接結合的方式進行連接，傳熱管與管板一次側堆焊層之間為密封封口焊，傳熱管與管板管孔之間為脹接固定。脹接工藝消除了傳熱管與管板管孔之間的間隙，提高了耐腐蝕性。以M310型壓水堆為例，傳熱管在管孔段受到均勻的液壓作用，隨著液壓的增大，傳熱管先發生彈性形變后再發生塑性擴張[3]，將傳熱管緊密固定在管孔內。脹接工藝如圖2所示。

圖2 脹接工藝示意

2 脹管段渦流檢測

2.1 脹管段渦流檢測實施方法

由于蒸汽發生器傳熱管與管板脹接的工藝特殊，無法采用目視、超聲等無損檢測方法對脹管段及過渡區進行檢測，因此，渦流檢測成為脹管段質量檢測的唯一可行方法，同時渦流檢測具有檢測效率高、檢測可靠等特點。以M310型壓水堆為例，具體實施方法及檢測難點如下所述。

2.1.1 實施方法

通過計算機遠程控制多頻渦流儀、探頭定位器和探頭推拔器，實現渦流探頭在被檢傳熱管中的前進和后退，在探頭后退的過程中完成對傳熱管渦流數據的采集，同時將采集到的數據存儲在硬盤或光盤中。由數據分析人員利用計算機遠程調用數據，對傳熱管渦流信號原始數據進行兩次獨立的數據分析。

檢測過程中所需設備和參數設置如下。

(1)渦流儀：型號為OMNI-200R;頻率為1 kHz～1 000 kHz;采樣率不低于2 000點·s-1。

(2)渦流探頭：BOBBIN探頭型號為SBBU-15.5-MH-4A/N，用于傳熱管全管檢測;MRPC旋轉探頭型號為+Point-.610-MRPC，用于脹管過渡區檢測。

(3)標定管：基于RSEM標準設計，用于信號基準設置。

(4)檢測頻率：550 kHz(主檢測頻率)，300 kHz(低頻輔助檢測頻率)，100 kHz(消除支撐板信號的輔助頻率)，900 kHz(傳熱管脹管區輪廓曲線內徑測量頻率)，20 kHz(顯示定位、泥渣高度測量及脹管區輪廓曲線止脹點位置測量頻率)。

2.1.2 檢測難點

對于脹管段及過渡區的檢測，渦流檢測較其他無損檢測方法具有明顯優勢，但也存在一些技術難點，這些難點降低了該區域的缺陷檢出率，近年來，針對這些難點提出了一些解決措施，以下列舉了3條實際檢測過程中遇到的技術難點及對應的解決措施。

(1)二次側管板邊緣信號的影響，采用旋轉探頭檢測能夠明顯區分TTS(管板頂端)信號和缺陷信號。

針對最新的轉換器接口標準JESD204B協議,采用四字節并行處理方案實現了接收端同步系統設計。在完成同步控制功能的同時,還將理論時鐘頻率要求由1.25 GHz降頻到312.5 MHz。通過與官方IP核的對接,證明了本方案的功能正確性。綜合結果也表明了本方案的時序正確性。本設計是一種切實可行的JESD204B協議實現方案,為國內自主設計高速串行接口電路提供了參考。

(2)采用三混頻(通道1-5-9)技術能夠有效抑制脹管過渡區信號[4]。

(3)脹管輪廓曲線的測量采樣率應至少為5點·mm-1，否則測量結果會出現較大偏差。

2.2 脹管段缺陷

2.2.1 腫脹

腫脹發生在傳熱管脹管區域，形成原因為：① 管板在鉆孔時產生加工誤差，使管孔孔徑發生局部變化，脹管時造成傳熱管出現向外凸出的現象；② 脹管工藝不當，局部壓力過大導致脹管局部直徑超過設計要求，造成腫脹。一般在主檢測頻率差分通道可明顯分辨；由于腫脹缺陷沿傳熱管內部周向向外凸出，與DNT(向內凹陷，相位角一般為180°左右)缺陷的形成原因正好相反，且類似于內環槽的缺陷信號，所以形成相位角接近0°或者為內壁顯示角度的渦流信號[5]。腫脹結構及其渦流信號如圖3所示。

圖3 腫脹結構及其渦流信號

2.2.2 漏脹

漏脹發生在蒸汽發生器制造期間，其產生原因是傳熱管和管板管孔之間未進行脹接。漏脹渦流信號特征與正常脹管信號比較長條圖無明顯“臺階”；且分量圖無明顯內徑突變信號。漏脹檢測基于渦流提離效應，正常脹管段檢測時，探頭在脹管區和非脹管區的運動過程中，由于內徑突變將產生提離效應，但無脹管的傳熱管不會產生提離效應，就不會形成內徑突變信號，利用提離原理能夠對漏脹實施有效檢測。漏脹結構及其渦流信號如圖4所示。

圖4 漏脹結構及其渦流信號

2.2.3 超脹和欠脹

圖5 止脹點與管板二次側距離示意

鑒于止脹點和管板二次側之間間隙距離x的重要性，脹接工藝完成后必須對其進行精確測量。目前通用的測量方法為渦流輪廓曲線檢測技術，其與人工機械測量相比具有更高的靈敏度，且檢測效率高。輪廓曲線檢測原理為渦流的提離效應，檢測信號與線圈和被檢測對象距離的平方成反比，該方法可以精確檢測出傳熱管內徑變化量，同時能夠精確確定止脹點位置。渦流輪廓曲線測量結果如圖6所示。

圖6 渦流輪廓曲線測量結果

2.2.4 脹管過渡區內壁缺陷

傳熱管與管板采用液壓脹接工藝之前，通用的脹接工藝為機械脹，由于機械脹工具結構復雜，在脹接時脹管工具易對傳熱管內壁造成損傷，形成周向缺陷，該缺陷渦流信號幅值一般較大，在主檢測頻率差分通道可明顯分辨，且相位角小于40°呈內壁角度(大于40°呈外壁角度)。典型脹管過渡區內壁缺陷目視檢測結果及其渦流信號如圖7所示。

圖7 典型脹管過渡區內壁缺陷檢測結果及其渦流信號

3 結語

(1)機械加工可使傳熱管與管板脹接時形成腫脹，該缺陷渦流信號特征為：一般在主檢測頻率差分通道可明顯分辨；相位角接近0°或者為內壁顯示角度。

(2)傳熱管和管板脹接時，施工人員的疏忽可導致漏脹發生，該缺陷渦流信號特征為：與正常脹管信號比較，長條圖無明顯“臺階”；分量圖無明顯內徑突變信號。

(3)傳熱管與管板脹接時誤差可導致未脹接間隙深度偏離設計范圍，從而形成超脹或欠脹，此類缺陷需通過渦流輪廓曲線檢測技術來進行測量。

(4)機械脹工藝易造成脹管過渡區內壁周向缺陷，該缺陷渦流信號特征為：幅值一般較大，在主檢測頻率差分通道可明顯分辨;相位角小于40°,呈內壁角度。