核電站鈦管內(nèi)壁缺陷判傷曲線

劉一舟,曹 剛,王曉翔

(國核電站運(yùn)行服務(wù)技術(shù)公司,上海 200233)

在核電站鈦管檢測(cè)過程中發(fā)現(xiàn),大多數(shù)缺陷產(chǎn)生于傳熱管內(nèi)壁,其中貫穿性缺陷較為常見。準(zhǔn)確的檢測(cè)結(jié)果對(duì)核電站安全、高效、清潔、可靠地運(yùn)行有著重要意義。定量過小或漏檢會(huì)威脅到設(shè)備的安全運(yùn)行;定量過大會(huì)導(dǎo)致堵管,從而降低設(shè)備運(yùn)行的效率甚至報(bào)廢。目前國內(nèi)外渦流檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)樣管外壁人工缺陷有比較詳細(xì)的描述,外壁缺陷的判傷曲線容易制作;但樣管內(nèi)壁人工缺陷只有1 個(gè)10%深的內(nèi)壁周向切槽(屬于可選項(xiàng))[1-2],且通常很難進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)量,所以內(nèi)壁缺陷的判傷曲線往往是采用0°～40°或10%內(nèi)槽到通孔的連線(圖1 和2),這樣勢(shì)必會(huì)造成缺陷的定量不準(zhǔn)確。

針對(duì)這一問題,筆者制作一系列的試驗(yàn)樣管,然后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與分析,根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果制作內(nèi)壁判傷曲線。再對(duì)核電站鈦管上產(chǎn)生的實(shí)際缺陷進(jìn)行檢驗(yàn)與解剖測(cè)量,驗(yàn)證內(nèi)壁判傷曲線的準(zhǔn)確性。

1 試驗(yàn)原理

根據(jù)渦流試驗(yàn)相似律:對(duì)于兩個(gè)不同的試件,只要各自對(duì)應(yīng)的頻率比f/fg相同,則有效磁導(dǎo)率、渦流密度及磁場強(qiáng)度的幾何分布均相同,其中:

式中f——檢測(cè)頻率;

fg——特征頻率;

σ——電導(dǎo)率;

μ——磁導(dǎo)率;

d——檢測(cè)對(duì)象直徑。

即當(dāng)f1 μ1σ1d12=f2 μ2 σ2d22時(shí),渦流密度及 磁場強(qiáng)度的幾何分布相同。也就是說,兩種不同的被檢對(duì)象,盡管材質(zhì)不同(σ和μ不同)、規(guī)格不同、檢測(cè)頻率f不同,但只要它們的乘積相同,則渦流密度及磁場強(qiáng)度的幾何分布相同[3]。

將渦流試驗(yàn)相似律應(yīng)用到鈦管內(nèi)壁判傷曲線的研究中。對(duì)于兩個(gè)不同的試件,只要磁場強(qiáng)度的幾何分布相同,則相位-傷深曲線相同。從另外的角度來講就是:已知一種規(guī)格鈦管的相位-傷深曲線,只要另一種規(guī)格鈦管的外壁判傷曲線與前者相同,則兩者的磁場強(qiáng)度的幾何分布相同,那么另一種規(guī)格鈦管的內(nèi)壁判傷曲線也應(yīng)與前者相同。

2 試驗(yàn)

2.1 樣管的選擇

根據(jù)渦流試驗(yàn)相似律,鈦管的判傷曲線具有普遍性,其規(guī)格對(duì)最終結(jié)果沒有影響。因此選擇三種規(guī)格的鈦管:φ28 mm ×0.6 mm 、φ25.4 mm ×0.7 mm和φ19.05 mm ×0.71 mm,其中前兩種鈦管上加工了人工缺陷,第三種鈦管上包含電站運(yùn)行過程中產(chǎn)生的自然缺陷。在研究過程中,通過反復(fù)試驗(yàn)與比較,最終確定了具有代表性的4 種缺陷作為研究對(duì)象,分別是:

(1)20%深,6 mm×2 mm 內(nèi)壁周向槽。

(2)40%深,6 mm×1.5 mm 內(nèi)壁周向槽。

(3)60%深,6 mm×1 mm 內(nèi)壁周向槽。

(4)80%深,6 mm×1 mm 內(nèi)壁周向槽。

第一階段采用的試驗(yàn)樣管規(guī)格為φ28 mm ×0.6 mm,具有代表性的有兩根樣管分別為DP-K TC EX-9 和DP-KE-CEX-10。前者為標(biāo)定樣管,并通過相關(guān)權(quán)威機(jī)構(gòu)的檢測(cè)與計(jì)量,用于標(biāo)定系統(tǒng)及繪制外壁判傷曲線。后者為對(duì)比樣管,檢測(cè)后解剖測(cè)量,用于繪制內(nèi)壁判傷曲線。缺陷數(shù)據(jù)見表1。

第二階段采用的試驗(yàn)樣管規(guī)格為φ25.4 mm ×0.7 mm, 參考DP-KE-CEX-10 制作, 編號(hào)為DPKE-CEX-13,用于評(píng)價(jià)內(nèi)壁判傷曲線。

第三階段采用的試驗(yàn)樣管DP-KT-RCW-2規(guī)格為φ19.05 mm×0.71 mm ,含有運(yùn)行中產(chǎn)生的缺陷,用于驗(yàn)證內(nèi)壁判傷曲線的準(zhǔn)確性。

表1 第一階段試驗(yàn)樣管上缺陷數(shù)據(jù)

2.2 測(cè)試結(jié)果

采用EEC-39RFT .S 多通道渦流儀以及φ25.8 mm的BOBBIN 探頭對(duì)DP-KT-CEX-9 和DPKE-CEX-10 樣管進(jìn)行大量的試驗(yàn),得到了不同頻率下各類人工傷的試驗(yàn)數(shù)據(jù)(表2),經(jīng)過統(tǒng)計(jì)與分析,得到了不同頻率下的內(nèi)壁缺陷判傷曲線(圖3)。

表2 規(guī)格為φ28 mm×0.6 mm 的鈦管在不同頻率下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖3 規(guī)格為φ28 mm×0.6 mm 的鈦管在不同頻率下的相位-傷深曲線

可以看到,隨著檢測(cè)頻率的增加,外壁缺陷的相位逐漸增大,內(nèi)壁缺陷的相位逐漸減小,且不同的檢測(cè)頻率對(duì)應(yīng)不同的判傷曲線。

在接下來的試驗(yàn)中,以圖3 所示的判傷曲線為基準(zhǔn),通過線性插值法來獲得其它鈦管的判傷曲線,并通過試驗(yàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)和驗(yàn)證。

2.3 判傷曲線評(píng)價(jià)和驗(yàn)證

為評(píng)價(jià)得到的內(nèi)壁缺陷判傷曲線的適用性,選擇φ25.4 mm ×0.7 mm 的鈦管進(jìn)行試驗(yàn)。標(biāo)定樣管上20%外壁平底孔在500 kHz 下的相位為134.4°,參考表2 中的數(shù)據(jù),通過570 和650 kHz 數(shù)據(jù)之間的線性插值法得到18%IW 的相位為17.9°,42%IW 的相位為23.7°,57%IW 的相位為29.9°,76%IW 的相位為35.3°。因此,內(nèi)壁缺陷判傷曲線如圖4 所示。

圖4 φ25.4 mm×0.7 mm 鈦管500 kHz 的判傷曲線

使用圖4 所示的判傷曲線對(duì)試驗(yàn)樣管DP-K TC EX-13 上的人工傷進(jìn)行評(píng)定,結(jié)果見表3。

表3 試驗(yàn)樣管DP-KT-CEX-13 的評(píng)定結(jié)果

可以看到,評(píng)定深度與設(shè)計(jì)深度之間有-11%～1%的偏差。偏差可能來源于三個(gè)方面,其一是缺陷加工偏差,其二是渦流試驗(yàn)相似律偏差,其三是渦流檢測(cè)軟件繪制判傷曲線產(chǎn)生的偏差。從實(shí)際檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)來看,該偏差在可接受范圍內(nèi),這也說明通過這種方法獲得的內(nèi)壁缺陷判傷曲線可以在實(shí)際缺陷評(píng)定中應(yīng)用。

采用同樣的方式,對(duì)第三種含有自然缺陷的、規(guī)格為φ19.05 mm×0.71 mm 的樣管DP-K T-RCW-2 進(jìn)行測(cè)試,目的是為驗(yàn)證內(nèi)壁判傷曲線的準(zhǔn)確性。根據(jù)其標(biāo)定樣管上20%外壁平底孔在400 kHz 下的相位127°,通過表2 中480 和570 kHz 數(shù)據(jù)之間的線性插值得到相應(yīng)的內(nèi)壁缺陷判傷曲線,如圖5所示。其中18%IW 的相位為19.6°,42%IW 的相位為24.9°,57%IW 的相位為30.9°,76%IW 的相位為36.1°。

使用圖5 所示的判傷曲線對(duì)試驗(yàn)樣管DP-KTRCW-2 上的自然缺陷進(jìn)行評(píng)定,自然缺陷的深度為0%。自然缺陷的解剖測(cè)量深度為4%。評(píng)定深度與解剖深度之間的偏差只有4%,基本保持一致,說明試驗(yàn)得到的內(nèi)壁缺陷判傷曲線是正確的。

圖5 φ19.05 mm×0.71 mm 鈦管400 kH z 的判傷曲線

2.4 判傷曲線的修正

考慮到系統(tǒng)偏差(標(biāo)定時(shí)通孔信號(hào)的相位為40°±2°)以及遵循保守策略,內(nèi)壁缺陷信號(hào)的相位可以修正2°～ 3°(保守量約10%), 修正后的φ25.4 mm×0.7 mm 鈦管判傷曲線如圖6 所示。其中11°對(duì)應(yīng)10%、15°對(duì)應(yīng)20%、21°對(duì)應(yīng)40%、27°對(duì)應(yīng)60%、33°對(duì)應(yīng)80%。

圖6 修正后的φ25.4 mm×0.7 mm 鈦管判傷曲線

使用修正后的曲線對(duì)DP-KE-CEX-13 樣管進(jìn)行重新評(píng)定,設(shè)計(jì)深度為20%,40%,60%,80%的內(nèi)壁缺陷被評(píng)定為21%,40%,66%和88%,由此可見新的評(píng)定結(jié)果比較理想。

修正后的φ19.05 mm ×0.71 mm 鈦管判傷曲線如圖7 所示, 其中12°對(duì)應(yīng)缺陷傷深10%,16°對(duì)應(yīng)缺陷傷深20%,22°對(duì)應(yīng)缺陷傷深40%,28°對(duì)應(yīng)缺陷傷深60%,34°對(duì)應(yīng)缺陷傷深80%。對(duì)試驗(yàn)樣管DP-K T-RCW-2 進(jìn)行重新評(píng)定的結(jié)果為自然缺陷的深度為3%,接近解剖深度4%,結(jié)果非常理想。

3 結(jié)論和建議

將渦流試驗(yàn)相似律應(yīng)用于到鈦管內(nèi)壁判傷曲線的研究中,可以避免使用大量不同規(guī)格、不同材料的試驗(yàn)樣管來建立相應(yīng)的判傷曲線,特別是有些稀有材料很難獲得,內(nèi)徑較小的鈦管很難加工內(nèi)壁缺陷。對(duì)比圖1,2,6,7 可知,圖1 所示的判傷曲線過于嚴(yán)格,圖2 所示的判傷曲線評(píng)比較嚴(yán)格,圖6,7 所示的判傷曲線比較接近真實(shí)情況。研究結(jié)果解決了內(nèi)壁缺陷判傷曲線問題,彌補(bǔ)了渦流檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的不足。試驗(yàn)方法針對(duì)性強(qiáng)、直觀、可信度高,可被推廣應(yīng)用,在實(shí)踐中進(jìn)一步優(yōu)化內(nèi)壁缺陷判傷方法。

圖7 修正后的φ19.05 mm×0.71 mm 鈦管判傷曲線

由于針對(duì)的研究對(duì)象是體積性缺陷,對(duì)沿海地區(qū)凝汽器傳熱管中的常見缺陷具有代表性,但對(duì)裂紋型缺陷是否適用還需要作進(jìn)一步研究。

[1] ASME 鍋爐及壓力容器委員會(huì)無損檢測(cè)分委員會(huì).ASME 鍋爐及壓力容器規(guī)范(2004 版)第V 卷第VIII章附錄I, 2004

[2] JB/T 4730.6—2005 承壓設(shè)備無損檢測(cè) 第6 部分:渦流檢測(cè)[S] .

[3] 美國無損檢測(cè)學(xué)會(huì), 編.美國無損檢測(cè)手冊(cè)·電磁卷[M] .《美國無損檢測(cè)手冊(cè)》譯審委員會(huì),譯.上海:世界圖書出版公司,1999:207.