M310核電機(jī)組在役檢查穩(wěn)壓器電加熱元件及套管視頻檢查技術(shù)

樂磊++劉波++鄭孝綱++桑建軍++胡偉

【摘 要】穩(wěn)壓器電加熱元件在核電站運(yùn)行一段時(shí)間后，電加熱元件包殼可能會(huì)出現(xiàn)貫穿性缺陷，引起電加熱元件變形和腫脹，受包殼的影響電加熱元件套管有可能發(fā)生機(jī)械失效，出現(xiàn)破口，導(dǎo)致反應(yīng)堆冷卻劑泄漏，故需對(duì)電加熱元件及套管進(jìn)行在役目視檢驗(yàn)。針對(duì)穩(wěn)壓器電加熱元件組件的叢林分布、層疊結(jié)構(gòu)和在役檢查時(shí)高放射性的特點(diǎn)，介紹流量分配孔的結(jié)構(gòu)和多種檢查思路，研究視距技術(shù)和周向覆蓋技術(shù)，研制出一套穩(wěn)壓器電加熱元件及套管的視頻檢驗(yàn)設(shè)備，對(duì)電加熱元件及套管的外表面進(jìn)行遠(yuǎn)程目視檢驗(yàn)。通過在役檢查期間的工程應(yīng)用，研制的穩(wěn)壓器電加熱元件及套管視頻檢驗(yàn)設(shè)備滿足在役檢查使用的技術(shù)要求。為穩(wěn)壓器維護(hù)提供依據(jù)，對(duì)預(yù)防電加熱元件及套管的失效，保證穩(wěn)壓器的完整性提供有效手段。

【關(guān)鍵詞】穩(wěn)壓器；電加熱元件；套管；視頻檢查；在役檢查

0 前言

穩(wěn)壓器又稱為“容積補(bǔ)償器”，它的作用是補(bǔ)償一回路冷卻水溫度變化引起回路水容積的變化和調(diào)節(jié)一回路系統(tǒng)冷卻劑的工作壓力，以防止一回路系統(tǒng)設(shè)備由于壓力過高而損壞或由于壓力過低造成堆內(nèi)冷卻劑產(chǎn)生容積沸騰，而引起燃料棒過熱燒毀的事故。

壓水堆核電廠普遍采用電加熱式穩(wěn)壓器，穩(wěn)壓器的結(jié)構(gòu)呈圓柱形筒體。容器頂部設(shè)置有抑制壓力升高的噴霧器，容器的下部垂直安裝著 70～80 根電加熱元件，容器具有足夠的容積，正常運(yùn)行時(shí)，一半容積（～60%）充水，另一半容積（～40%）為保持一定壓力的飽和蒸汽。當(dāng)負(fù)荷突然增加而使一回路壓力下降時(shí)，穩(wěn)壓器內(nèi)熱水立即汽化，電加熱元件自動(dòng)開啟，使水加熱，提高汽化量，從而使容器內(nèi)壓力升高，當(dāng)負(fù)荷突降而使一回路壓力升高時(shí)，穩(wěn)壓器內(nèi)噴霧器立即噴入冷水，使蒸汽凝結(jié)降壓以保持壓力在最高允許壓力以下。為了防止超壓事故，穩(wěn)壓器頂部設(shè)有卸壓閥和安全閥。當(dāng)一回路壓力超過允許壓力時(shí)卸壓閥和安全閥會(huì)相應(yīng)開啟，保證一回路設(shè)備安全，卸壓閥和安全閥放出的汽水通過卸壓箱貯存或疏放。

國內(nèi)某核電機(jī)組穩(wěn)壓器的電加熱器由63根直管狀電加熱元件組成。電加熱元件的包殼外徑約22mm，材料為Z2 CND 17-12，電加熱元件的鎳鉻合金電熱絲放在包殼中，周圍用壓緊的氧化鎂（MgO）粉末與包殼絕緣。電加熱元件通過穩(wěn)壓器下封頭的電加熱元件套管伸入穩(wěn)壓器內(nèi)，并穿過電加熱元件的下支撐板、上支撐板。電加熱元件套管材料為Z2 CND 18-12不銹鋼。通過電加熱元件套管上端與穩(wěn)壓器下封頭內(nèi)表面堆焊層的密封焊和下端與電加熱元件包殼的焊接來實(shí)現(xiàn)一回路承壓邊界的密封。

根據(jù)國外核電站運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)反饋，穩(wěn)壓器電加熱元件在運(yùn)行一段時(shí)間后，會(huì)出現(xiàn)變形和腫脹。經(jīng)過進(jìn)一步的探究發(fā)現(xiàn)是電加熱元件的包殼出現(xiàn)貫穿性缺陷，導(dǎo)致了一回路的冷卻劑進(jìn)入加熱元件內(nèi)部，使絕緣材料MgO與水反應(yīng)生成Mg（OH）2，體積增大，從而使加熱元件的包殼產(chǎn)生變形和腫脹。

穩(wěn)壓器電加熱元件產(chǎn)生變形和腫脹會(huì)對(duì)加熱元件的穩(wěn)定性和可靠性產(chǎn)生很大的影響，受電加熱元件變形和腫脹的影響電加熱元件套管也有可能發(fā)生機(jī)械失效，出現(xiàn)破口，導(dǎo)致反應(yīng)堆冷卻劑泄漏。受環(huán)境和條件的限制，遠(yuǎn)程視頻檢查在此具有很好的優(yōu)越性。

1 檢查對(duì)象和區(qū)域

穩(wěn)壓器內(nèi)部的電加熱元件，穩(wěn)壓器內(nèi)部的電加熱元件套管，電加熱元件套管與穩(wěn)壓器下封頭內(nèi)表面堆焊層的密封焊，見圖1。

2 視頻檢查技術(shù)方案

為了安全有效地完成穩(wěn)壓器電加熱元件及套管的視頻檢查工作，檢查攝像頭應(yīng)能到達(dá)被檢區(qū)域附近，為此檢查用攝像頭必須能夠穿過電加熱元件上支撐板、下支撐板。設(shè)計(jì)的視頻檢查設(shè)備中應(yīng)包括檢查攝像頭、監(jiān)控?cái)z像頭、機(jī)械裝置，控制單元四部分主要設(shè)備。

2.1 視頻檢查設(shè)備組成

穩(wěn)壓器電加熱元件及套管視頻檢查設(shè)備包括：

1）檢查攝像頭，攝像頭整體為圓柱形，具備旋轉(zhuǎn)、側(cè)視、照明功能，能夠?qū)z像頭周圍的被檢件表面進(jìn)行觀察；

2）監(jiān)控?cái)z像頭，攝像頭具備俯仰、旋轉(zhuǎn)、照明、光學(xué)變倍、調(diào)焦功能，能夠?qū)z查攝像頭、視頻檢查機(jī)械裝置的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控和定位觀察；

3）穩(wěn)壓器電加熱元件視頻檢查機(jī)械裝置，為檢查攝像頭和監(jiān)控?cái)z像頭在穩(wěn)壓器內(nèi)部提供周向、徑向、軸向定位功能；

4）視頻檢查機(jī)械裝置控制單元，用于控制攝像頭周向、徑向、軸向運(yùn)動(dòng)；

5）錄像機(jī)與監(jiān)視器，主要完成視頻信號(hào)存儲(chǔ)功能與圖像顯示；

6）試塊與模擬件，視頻檢查標(biāo)定用試塊為18%灰度卡，灰度卡上繪制有0.2～0.8mm寬的細(xì)線。模擬件為加熱元件部分模擬體，用于設(shè)備驗(yàn)證用。

穩(wěn)壓器電加熱元件及套管視頻檢查設(shè)備系統(tǒng)圖見圖2。

圖2 穩(wěn)壓器電加熱元件及套管視頻檢查設(shè)備系統(tǒng)圖

2.2 視頻檢查方案

視頻檢查采用定點(diǎn)周向檢查附近被檢部件的方案，為此對(duì)于同一個(gè)電加熱元件或電加熱元件套管，以及套管與穩(wěn)壓器下封頭堆焊層的密封焊，需進(jìn)行多次不同角度、不同層高的局部檢查完成。

攝像頭在指定的視點(diǎn)上做周向檢查，觀察該視點(diǎn)內(nèi)所有可見的被檢部件的表面后，再向上或向下步進(jìn)，在保證被檢件軸向滿足10%的視場(chǎng)覆蓋率的情況下再次做周向檢查，見圖3。

圖3 視頻檢查技術(shù)

2.3 技術(shù)對(duì)比分析

基于檢查對(duì)象特點(diǎn)和現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境，本方案編制并分析了兩套不同的檢查實(shí)施思路，具體如下：

1）思路1，制定包括檢查攝像頭、監(jiān)控?cái)z像頭、穩(wěn)壓器電加熱元件及套管視頻檢查機(jī)械裝置的視頻檢查設(shè)備和檢查實(shí)施方案；

2）思路2，制定包括監(jiān)控?cái)z像頭、遠(yuǎn)程控制視頻檢查小車的視頻檢查設(shè)備和檢查實(shí)施方案。

技術(shù)對(duì)比分析詳見表1。

表1 技術(shù)對(duì)比分析表

經(jīng)對(duì)比分析思路1更合理、可行。

2.3.1 檢查方式技術(shù)分析

被檢對(duì)象為圓柱狀結(jié)構(gòu)，檢查攝像頭可通過以下3種檢查方式完成全范圍的檢查：

1）攝像頭圍繞被檢件做環(huán)形檢查，環(huán)形檢查后再向上或向下步進(jìn)，在保證被檢件軸向滿足10%的視場(chǎng)覆蓋率的情況下再次做環(huán)形檢查；

2）攝像頭在指定的視點(diǎn)上，僅對(duì)某一個(gè)被檢件周向的固定方位向上或向下進(jìn)行縱向檢查，在保證被檢件周向滿足10%的視場(chǎng)覆蓋率的情況下再次向上或向下進(jìn)行縱向檢查；

3）攝像頭在指定的視點(diǎn)上做周向檢查，觀察該視點(diǎn)內(nèi)所有可見的被檢表面后再向上或向下步進(jìn)，在保證被檢件軸向滿足10%的視場(chǎng)覆蓋率的情況下再次做周向檢查。

對(duì)于第一種檢查方式，要求攝像頭能夠圍繞被檢件轉(zhuǎn)動(dòng)，為此要求被檢件周圍不能存在結(jié)構(gòu)件的阻礙，同時(shí)要求攝像頭具備側(cè)視功能，根據(jù)穩(wěn)壓器加熱元件安裝結(jié)構(gòu)，該檢查檢查方式不可行。

對(duì)于第二種檢查方式，要求攝像頭能夠在被檢件附近無阻礙地進(jìn)行向上或向下的縱向運(yùn)動(dòng)，為此要求選用直徑小于51mm的攝像頭，從電加熱元件上、下支撐板上的流量分配孔處進(jìn)行縱向運(yùn)動(dòng)，為能夠觀察到被檢件表面要求攝像頭具備側(cè)視和旋轉(zhuǎn)功能。在縱向檢查時(shí)還要求攝像頭不能存在晃動(dòng)或偏移，因此需要設(shè)計(jì)定位精確高、穩(wěn)定性好的攝像頭定位工具，否則將會(huì)使部分檢查區(qū)域發(fā)生漏檢。

對(duì)于第三種檢查方式，要求攝像頭能夠在被檢件附近無阻礙地進(jìn)行向上或向下的縱向運(yùn)動(dòng)，為此要求選用直徑小于51mm的攝像頭，從加熱元件上、下支撐板上的流量分配孔處進(jìn)行縱向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)要求攝像頭具備側(cè)視功能。在縱向檢查時(shí)允許攝像頭存在晃動(dòng)或偏移，不需要更精確和穩(wěn)定的攝像頭定位工具，但攝像頭必須具備旋轉(zhuǎn)功能，手動(dòng)自動(dòng)調(diào)焦功能，用于觀察不同方位，不同視距的被檢對(duì)象。

根據(jù)以上分析，第三種檢查方式能夠保證全范圍檢查的同時(shí)對(duì)攝像頭的定位要求不高，檢查效率相對(duì)較高，更具備工程可行性和應(yīng)用性。

2.3.2 檢查視距技術(shù)分析

根據(jù)檢查方式分析，攝像頭的檢查視點(diǎn)與上、下支撐板上的流量分配孔同軸，在圖4被檢件視頻檢查圖解中，被檢對(duì)象“2”距攝像頭距離為143mm，被檢對(duì)象“1”距攝像頭距離為44mm。為保證檢查圖像的有效性，攝像頭的有效視距需在10～200mm內(nèi)，同時(shí)必須具備旋轉(zhuǎn)功能、手動(dòng)自動(dòng)調(diào)焦功能，用于觀察不同方位，不同視距的被檢對(duì)象。

圖4 被檢件視頻檢查視距分析圖解

2.3.3 檢查周向覆蓋率技術(shù)分析

根據(jù)上、下支撐板上流量分配孔和被檢件的分布關(guān)系，對(duì)于一根穩(wěn)壓器電加熱元件的外表面，電加熱元件套管，以及套管與穩(wěn)壓器下封頭內(nèi)表面堆焊層的密封焊，均可通過4個(gè)不同的觀察點(diǎn)完成全部檢查，檢查位置及觀察角度詳見圖5、圖6。為此每個(gè)觀察點(diǎn)之間夾角約為90°，被檢件表面與攝像頭的最小觀察距離為44mm，根據(jù)規(guī)范要求觀察角度最小夾角為30°，為此每個(gè)視點(diǎn)觀察的被檢件周向覆蓋角約100°，滿足全范圍周向覆蓋檢查的要求。檢查攝像頭采用配置旋轉(zhuǎn)側(cè)視功能鏡頭，能夠?qū)z像頭周圍的被檢件表面進(jìn)行觀察。同時(shí)配置的耐輻照的LED光源在0-1m范圍內(nèi)有效，滿足應(yīng)用需要。

1）檢查攝像頭的水平分辨率高達(dá)600TVL，結(jié)合模擬放大及圖像增強(qiáng)功能，有效解決了定焦鏡頭相機(jī)無法進(jìn)行光學(xué)變倍的缺點(diǎn)，同時(shí)使圖像分辨率達(dá)到準(zhǔn)高清標(biāo)準(zhǔn)。適合表面細(xì)節(jié)檢驗(yàn)；

2）檢查攝像頭直徑為40.5mm，能夠通過上下支撐板上直徑為51mm的流量分配孔，可以到達(dá)穩(wěn)壓器下封頭附近的檢查區(qū)域；

3）檢查攝像頭能夠耐受1.0E6 rad/h的劑量率，能夠承受總計(jì)達(dá)2.0E8 rads的累計(jì)劑量，能夠滿足在放射性極強(qiáng)的環(huán)境中，近距離觀察被檢表面并獲得高質(zhì)量視頻圖像；

4）檢查攝像頭重量約1.5kg，適合將檢查攝像頭從人孔裝入，并從上向下施放對(duì)距人孔約9～11米的檢查區(qū)域?qū)嵤┮曨l檢查；

5）檢查攝像頭為一體化設(shè)計(jì)，設(shè)備上沒有外露的螺釘?shù)染o固件或部件，能夠有效杜絕異物墜入穩(wěn)壓器內(nèi)部；

6）檢查攝像頭鏡頭焦距為17mm，有效視距為0-500mm。檢查攝像頭周圍所有被檢對(duì)象均在有效視距內(nèi)，能夠保證檢查圖像的有效性；

7）檢查攝像頭觀察垂直視角為34°，能夠觀察到穩(wěn)壓器電加熱元件與上、下支撐板附近的被檢表面和電加熱元件套管與穩(wěn)壓器下封頭內(nèi)表面堆焊層的密封焊，滿足全范圍周向覆蓋檢查的要求；

8）檢查攝像頭水平視角45°，能夠保證單個(gè)視點(diǎn)被檢件周向覆蓋角約100°，滿足全范圍周向覆蓋檢查的要求。

2.3.4 監(jiān)控?cái)z像頭技術(shù)分析

監(jiān)控?cái)z像頭采用CNPO開發(fā)的CATU水下視頻檢查系統(tǒng)，該設(shè)備通過穩(wěn)壓器人孔裝入穩(wěn)壓器內(nèi)部。通過穩(wěn)壓器電加熱元件視頻檢查機(jī)械裝置懸掛在檢查攝像頭附近，對(duì)檢查攝像頭的工作狀態(tài)，特別是穿過上、下支撐板上的流量分配孔時(shí)進(jìn)行定位監(jiān)控，見圖3。

3 工程應(yīng)用

該視頻檢查技術(shù)和檢查設(shè)備滿足在役檢查使用的技術(shù)要求，已得到核電廠業(yè)主認(rèn)可，且已成功應(yīng)用于我國某核電廠穩(wěn)壓器的在役檢查，檢查中發(fā)現(xiàn)了電加熱元件包殼的缺陷，核電廠根據(jù)檢查結(jié)果及時(shí)對(duì)存在缺陷的穩(wěn)壓器電加熱元件進(jìn)行了更換，保證了受檢設(shè)備的完整性和可靠性。

4 結(jié)論

1）檢查攝像頭滿足穩(wěn)壓器電加熱元件叢林分布、層疊結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，穿過流量分配孔，通過上下支撐板，可達(dá)被檢部件實(shí)施全范圍覆蓋檢查的要求；

2）監(jiān)控?cái)z像頭為一體化設(shè)計(jì)，設(shè)備上沒有外露的電氣部件，且使用的緊固件均進(jìn)行防松脫處理，有效杜絕異物墜入穩(wěn)壓器內(nèi)部，監(jiān)控?cái)z像頭具備俯仰、旋轉(zhuǎn)、光學(xué)變倍、輔助照明功能，懸掛于穩(wěn)壓器內(nèi)部，對(duì)穩(wěn)壓器下半部進(jìn)行全方位監(jiān)控和細(xì)節(jié)觀察，監(jiān)控?cái)z像頭采用氣密封結(jié)構(gòu)，能夠滿足穩(wěn)壓器內(nèi)部潮濕的工作環(huán)境中；

3）通過在役檢查期間的工程應(yīng)用，研制的穩(wěn)壓器電加熱元件及套管視頻檢驗(yàn)設(shè)備滿足在役檢查使用的技術(shù)要求，是保證穩(wěn)壓器安全、可靠運(yùn)行的重要手段之一。

【參考文獻(xiàn)】

[1]RSE-M 1997壓水堆核島機(jī)械部件在役檢查規(guī)則[S].

[責(zé)任編輯：湯靜]