WWER堆型保護管組件外表面底部的目視檢測

趙 偉，周小龍，趙 玄，吳東棟

(中核武漢核電運行技術股份有限公司， 武漢 430223)

在WWER-1000堆型的吊籃中，保護管組件是反應堆的重要部件，長期運行在一回路中，受到應力、溫度、輻照、氫吸附、腐蝕、振動和磨損的影響，材料性能易發生變化。根據ПНАЭГ-7-008-89 《核動力裝置的設置和設備及管道的安全運行規程》 和ПНАЭГ-7-010-89 《核動力裝置的設備和管道焊接接頭和堆焊層的檢測規程》 的要求，需要定期對吊籃底部的保護管組件進行目視檢測，觀察其表面是否存在損傷，以評估損傷對核電廠安全運行可能產生的影響。

保護管組件在役檢查需連續占用環吊約50 h，檢查期間環吊無法從事其他檢修作業，不利于大修關鍵路徑的優化。為降低保護管組件在役檢查對環吊的占用率，以及優化大修關鍵路徑提供支持，開發了一套新型保護管組件目視檢測系統。

1 檢測技術規范要求

被檢對象為田灣核電站WWER堆型保護管組件外表面底部，具體位置為與燃料組件頭部配對的下格柵表面，其結構如圖1所示。

圖1 保護管組件外表面底部結構示意

保護管組件處于吊籃底部，在役檢查期間，吊籃存放于反應堆水池內部，保護管組件距離水面較遠，檢測保護管組件需要克服水下、輻照、低照度等問題。俄羅斯國家核動力和工業監督委員會的標準 《核動力裝置設備與管道母材(半成品)焊接接頭和堆焊層的標準檢測方法 目視和測量檢測》 規定了目視和測量實施的測量精度需滿足標準ПНАЭГ-7-016-89 《核動力裝置設備與管道母材焊接接頭和堆焊層標準檢驗方法 目視和測量檢驗》 的要求。根據標準ГОСТ 23479-79 《無損檢測光學方法 一般要求》，目視檢測時使用反射光。

2 檢測技術分析

對保護管組件實施目視檢測，并對缺陷進行測量和記錄。針對保護管組件的檢測需求，根據標準ПНАЭГ-7-016-89和ГОСТ 23479-79，檢測技術要滿足以下要求。

(1) 照度。進行目視檢測工作時，受檢區域的光照強度應不小于300 lx。

(2) 動態分辨能力測試。由于保護管組件處于水面以下，需通過定位裝置搭載攝像頭到達底部的保護管組件才能實現目視檢測，故為了清晰分辨出缺陷，需要測試定位裝置在運動中的分辨率，即進行動態分辨能力測試，要求至少分辨出分辨率試板上0.2 mm的細線。

(3) 觀察視角。由于水池底部的光照度低，為了獲得更佳的檢測靈敏度，水下攝像頭在自帶光源的輔助下，攝像頭與被檢表面的掃查角度不小于30°。

(4) 深度。受檢對象位于水下一定深度處，為保證檢測系統的有效分辨能力，需要對檢查系統的檢測深度進行測試。

(5) 掃查速度。為保證檢測系統在檢測過程中具有有效的分辨能力，需要對檢查系統的掃查速度和步進速度進行測試，需滿足速度不大于100 mm·s-1的要求。

(6) 可達性分析。為了實現對底部處于水面以下的保護管組件的檢測，要確保檢查裝置能到達水面以下，且檢測要覆蓋保護管組件。

(7) 缺陷定量。采用測量系統對發現的保護管組件外表面底部缺陷進行尺寸測量。測量系統的幾何測量精度符合標準ПНАЭГ-7-016-89的要求，具體如表1所示。

表1 測量系統允許的誤差范圍 mm

3 目視檢測的實施方案

結合目視檢測技術要求，保護管組件外表面底部可采用目視檢測，執行標準為ПНАЭГ-7-016-89，檢測靈敏度為至少能分辨出0.2 mm寬的黑線或刻傷，驗收標準按照ПНАЭГ-7-016-89標準和ГОСТ 23479-79標準執行[1]。

應選擇從底部外表面進行目視檢測。在役檢查時，由于保護管組件外表面處于吊籃底部，通常采用浮游裝置攜帶攝像頭進行檢查。檢查過程中，在視頻采集分析電腦上觀察實時視頻，發現缺陷顯示時需暫停采集，當采集結束后再對缺陷顯示進行分析。

3.1 檢測系統

保護管組件外表面底部目視檢測系統主要包括浮游裝置、控制系統、水下攝像頭、圖像采集及測量系統。

檢測系統采用浮游定位裝置[2-3]搭載水下攝像頭潛入水下，通過水下電纜與水面上作業平臺的控制系統進行連接，通過遠程交互的方式實現對水下浮游定位裝置和水下攝像頭的控制，由水下攝像頭采集保護管組件表面狀態的圖片和視頻，從而完成保護管組件檢測(見圖2)。

3.2 缺陷測量標定試板

根據標準要求，設計帶有各種形狀和寬度人工缺陷的測量標定試板(見圖3，圖中T為板厚)，試板中的人工缺陷信息如表2所示。

表2 試板缺陷信息

圖3 測量系統標定試板結構

4 目視檢測技術的試驗驗證

4.1 檢測系統試驗驗證

4.1.1 照度

根據實際檢測的要求，浮游裝置搭載的水下攝像頭距離受檢對象最遠距離不能超過320 mm，為測試3-1節中的照度要求，驗證在320 mm處受檢區域的照度。水下攝像頭距離受檢區域320 mm處，照度為352 lx；水下攝像頭距離受檢區域500 mm處，照度為768 lx(見圖4)。由圖4可見，受檢區域照度為768 lx的圖像清晰度優于照度為352 lx圖像的清晰度。

圖4 水下照度測試圖像

4.1.2 攝像頭分辨率試驗

將分辨率標定試板布置在保護管組件模擬體外表面底部，水下攝像頭與分辨率標定試板的距離為掃查時的最遠距離，此時，水下攝像頭掃過分辨率標定試板時相對線速度最大。調整攝像機，使分辨率標定試板位于圖像正中央;調整掃查軸的速度，使水下攝像頭勻速轉動;調整鏡頭焦距和聚焦，使水下攝像頭通過分辨率標定試板時觀察到圖像清晰，記錄攝像機的運動速度和鏡頭變焦倍數。記錄完畢后，提高攝像機的轉速，重復上述步驟，測試更高運動速度下水下攝像頭的分辨能力。測試發現，0.2 mm的細線可以被清晰地觀察到(見圖5)，滿足要求。

圖5 分辨率試板上0.2 mm細線清晰可見

4.1.3 浮游深度測試

浮游裝置搭載水下耐輻照攝像頭深潛至一定深度，采用計量合格的卷尺，測量浮游裝置的表面至水面的實際距離。浮游裝置可潛至4501 450 mm深。

4.1.4 掃查速度驗證

浮游裝置沿著已布置好的卷尺運動，記錄其從起點到終點的時間，同時計算起點到終點的距離，得出浮游裝置的掃查速度。測試的速度為93 mm·s-1。

4.1.5 可達性驗證

設計一個范圍模擬體，將其放在容器內部，再通過控制系統控制浮游裝置將水下攝像頭運載至保護管組件底部，設定浮游裝置的浮游深度，將機械定位裝置定位在水下一定的深度處，呈懸浮狀態，保證攝像系統與保護管組件底部有一定的安全距離，再控制機械定位裝置在同一深度到達保護管組件邊緣。在模擬體表面布置卷尺，控制浮游裝置從起點運動到終點，確認浮游裝置的可達范圍。可達性驗證結果表明，浮游裝置具備全覆蓋的功能。

4.1.6 攝像頭與被檢表面的水平夾角試驗

通過理論計算，為了保證30°觀察視角的要求，浮游裝置頂面距離被檢對象最遠距離不能超過320 mm。保護管組件檢查范圍如圖6所示。

圖6 保護管組件檢查范圍示意

設計一個與實際大小相同的保護管組件模擬體，用以驗證攝像頭角度。保護管角度模擬體外觀如圖7所示。

圖7 保護管角度模擬體外觀

試驗結果表明，當浮游裝置定深至一定深度，保證與保護管組件的距離在320 mm內，可以清晰觀察到檢測對象。

4.2 缺陷測長試驗

使用浮游式檢查系統搭載XRAD-PTZ型水下攝像頭，按照規定對標定試板進行檢測，上述6處人工缺陷均能被檢測到。使用Size5.0軟件對采集的圖像進行缺陷分析和測量，模擬缺陷測量尺寸與實際尺寸的對比如表3所示。模擬缺陷的目視檢測結果如圖8所示。

圖8 模擬缺陷的目視檢測結果

表3 模擬缺陷測量尺寸與實際尺寸的對比 mm

對標定試板模擬缺陷的測量結果分析如下：① 試板中所有人工缺陷均能被檢測出；② 對于尺寸(尺寸指代長，寬，直徑)不大于0.5 mm的缺陷，測量誤差為-0.010.09 mm，滿足標準要求的不大于0.1 mm；③ 對于尺寸為0.51 mm的缺陷，測量誤差為+0.02～+0.10 mm，滿足標準要求的不大于0.2 mm；④ 對于尺寸為2.5～4 mm的缺陷，測量誤差為-0.11～-0.06 mm，滿足標準要求的不大于0.5 mm；⑤ 對于尺寸為4～6 mm的缺陷，測量誤差為-0.38 ～+0.02 mm，滿足標準要求的不大于0.6 mm；⑥ 對于尺寸為10 mm的缺陷，測量誤差為-0.95～+0.02 mm，滿足標準要求的不大于1.0 mm。

上述測量結果表明，測量系統幾何測量精度符合ПНАЭГ-7-016-89的要求。

5 結語

(1) 采用目視檢測系統對保護管組件底部外表面實施檢測，檢測系統的靈敏度滿足分辨出0.2 mm寬細線的要求。

(2) 試驗結果表明，目視檢測技術可以對試塊中的缺陷進行精準定位和測長，所有誤差范圍滿足ПНАЭГ-7-016-89對測量精度的要求。

(3) 試驗結果表明較高照度更有利于發現缺陷。