核電站蒸汽發(fā)生器傳熱管脹管過渡段沉積物及缺陷的渦流探頭判別

韓 捷,陳 霞,廖述圣,王家建,馮美名

(1.核動(dòng)力運(yùn)行研究所，武漢 430074； 2.中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)股份有限公司，武漢 430223)

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核電站蒸汽發(fā)生器傳熱管脹管過渡段沉積物及缺陷的渦流探頭判別

韓 捷1,2,陳 霞1,2,廖述圣1,2,王家建1,2,馮美名2

(1.核動(dòng)力運(yùn)行研究所，武漢 430074； 2.中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)股份有限公司，武漢 430223)

國(guó)內(nèi)部分蒸汽發(fā)生器在運(yùn)行過程中，其傳熱管脹管過渡段可能存在點(diǎn)蝕及應(yīng)力腐蝕裂紋等缺陷。為了更有效和可靠地檢測(cè)出脹管過渡區(qū)出現(xiàn)的缺陷，分析了軸繞式、扁平旋轉(zhuǎn)式、陣列式三種不同類型的渦流探頭特性，再通過一系列針對(duì)性試驗(yàn)，對(duì)不同探頭如何發(fā)現(xiàn)沉積物及沉積物下存在的缺陷進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試，獲得了相關(guān)的分析數(shù)據(jù)，掌握了脹管過渡段沉積物及其缺陷的準(zhǔn)確識(shí)別技術(shù)。

渦流探頭；脹管過渡段；缺陷；沉積物

壓水堆核電站蒸汽發(fā)生器是核蒸汽供給系統(tǒng)一、二回路熱交換的樞紐，將一回路冷卻劑中熱量傳給二回路給水，使其產(chǎn)生飽和蒸汽并供給二回路動(dòng)力裝置。在能量傳遞過程中二回路水介質(zhì)中存在的固體腐蝕物經(jīng)過蒸發(fā)、濃縮，最終沉積在蒸汽發(fā)生器二次側(cè)管板、支撐板之上和傳熱管表面，以及支撐板和傳熱管的縫隙之間。這些沉積物(SLG)在熱交換過程中逐漸積累并附著于傳熱管外壁上，可導(dǎo)致沉積物下的材料發(fā)生各種類型的腐蝕(應(yīng)力腐蝕、晶間腐蝕、凹陷、耗蝕、點(diǎn)蝕、均勻腐蝕等)，也嚴(yán)重影響了蒸汽發(fā)生器的完整性、熱效率和水位控制。因此必須對(duì)沉積物進(jìn)行定期檢查及清洗[1]。

但對(duì)沉積物進(jìn)行定期清洗也并不能保證其能被完全從傳熱管外壁去除掉，特別是在脹管過渡段，因?yàn)楣馨迮c脹管過渡段之間存有一定的間隙，沉積物特別容易附著于此[2-3]。因此如何及時(shí)準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)此位置的沉積物及沉積物下管子上存在的缺陷，保障蒸汽發(fā)生器在服役期間的正常運(yùn)行，顯得尤其重要。

國(guó)際上脹管過渡段的檢測(cè)技術(shù)通常采用軸繞式線圈渦流探頭(Bobbin)、旋轉(zhuǎn)渦流探頭(MRPC)、陣列渦流探頭(Array)進(jìn)行檢測(cè)。國(guó)內(nèi)對(duì)于傳熱管的完整性檢查主要是使用Bobbin渦流探頭,偶爾使用后兩種探頭，僅根據(jù)國(guó)外經(jīng)驗(yàn)開展檢測(cè)工作，對(duì)于沉積物及缺陷的準(zhǔn)確識(shí)別還缺乏必要的基礎(chǔ)性研究作為技術(shù)支撐。因此，筆者分析了這三種不同類型的渦流探頭特性，通過一系列試驗(yàn)，對(duì)不同類型渦流探頭在傳熱管脹管過渡段上的沉積物識(shí)別、及沉積物下缺陷的識(shí)別能力進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試及分析，以進(jìn)一步提高脹管過渡段的渦流檢測(cè)能力。

1 探頭特性分析

Bobbin探頭使用軸繞式差分線圈，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。該種線圈的軸線平行于管子軸線，并且電流環(huán)向流動(dòng)；所感生的主磁場(chǎng)順著管子軸線，管內(nèi)感應(yīng)到的渦流則環(huán)向流動(dòng)，并與檢測(cè)線圈內(nèi)的電流平行。由此，軸繞式線圈對(duì)阻抗渦流的軸向裂紋非常敏感，但是，如果軸繞式線圈位于幾何形狀發(fā)生緩慢改變的區(qū)域時(shí)，比如在脹管過渡段，因?yàn)閷儆谧儚絽^(qū)域，Bobbin探頭對(duì)于緩變信號(hào)存在一定的檢測(cè)盲區(qū)，可能會(huì)存在脹管過渡區(qū)缺陷漏檢的風(fēng)險(xiǎn)，從而給蒸汽發(fā)生器的使用帶來安全隱患。

圖1 Bobbin探頭結(jié)構(gòu)示意

用于蒸汽發(fā)生器管子檢測(cè)的另兩種探頭主要是扁平式線圈(點(diǎn)式線圈)。該探頭設(shè)計(jì)成可檢測(cè)各種方向的裂紋。檢測(cè)裂紋時(shí)，利用線圈結(jié)構(gòu)可使渦流正交于裂紋方向，以便放大裂紋感應(yīng)。扁平式線圈的直徑一般較小，其彈簧底座與管子內(nèi)表面接觸以盡量減小提離效應(yīng)；線圈軸線與管子表面正交。扁平式線圈感生的主磁場(chǎng)垂直于管表面，并且形成與管表面平行，與檢測(cè)線圈中的電流同向運(yùn)動(dòng)的渦流[4-5]。

采用扁平式線圈的MRPC旋轉(zhuǎn)探頭在檢測(cè)過程中，探頭一邊由電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，一邊沿管子前進(jìn)，其結(jié)果是產(chǎn)生螺旋掃描圖。一般，MPRC探頭由三個(gè)線圈組成：一個(gè)屏蔽扁平點(diǎn)式線圈、一個(gè)點(diǎn)式線圈和一個(gè)正交線圈。一般將點(diǎn)式線圈作為主檢查線圈，而正向線圈為提供裂紋方向信息的定向線圈，如圖2所示。渦流在該線圈處可以軸向運(yùn)動(dòng)或周向運(yùn)動(dòng)；然后再對(duì)所有三個(gè)線圈獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估，最終獲得此處的缺陷響應(yīng)信息，進(jìn)而識(shí)別缺陷。

圖2 MRPC探頭結(jié)構(gòu)示意

采用扁平式線圈的Array探頭，主要由分布在圓周方向上的數(shù)組線圈組成，以圖3中陣列探頭為例，一個(gè)周期內(nèi)，一個(gè)發(fā)射線圈發(fā)射信號(hào)，在一定的間距內(nèi)兩個(gè)軸向接收線圈各被觸發(fā)一次，一個(gè)周向線圈被觸發(fā)一次，以一定的時(shí)序交換來作為收發(fā)式線圈，其不需要由電機(jī)驅(qū)動(dòng)線圈進(jìn)行機(jī)械旋轉(zhuǎn)，而是采用多路復(fù)用電路實(shí)現(xiàn)線圈的電磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)，可以達(dá)到與MRPC檢測(cè)相同的效果。另外由于線圈無需旋轉(zhuǎn)，因此檢測(cè)速度較快。多數(shù)管子能一次從一側(cè)實(shí)施全管檢查，即從一側(cè)就可以檢測(cè)到冷熱兩側(cè)的脹管過渡區(qū)，檢測(cè)效率更高[6]。

圖3 陣列探頭線圈結(jié)構(gòu)示意及其磁感應(yīng)影響區(qū)示例

2 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)設(shè)備為：CEddy數(shù)據(jù)采集、分析計(jì)算機(jī)和軟件；多頻渦流儀；探頭推拔器；標(biāo)定樣管；相應(yīng)的渦流探頭等。

數(shù)據(jù)采集過程中，試驗(yàn)人員通過遠(yuǎn)程控制多頻渦流儀和探頭推拔器實(shí)現(xiàn)渦流探頭在被檢傳熱管脹管過渡段中的前進(jìn)和后退，在探頭旋轉(zhuǎn)或后退的過程中完成對(duì)過渡段數(shù)據(jù)的采集，同時(shí)將采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在硬盤中，然后數(shù)據(jù)分析人員調(diào)用數(shù)據(jù)，對(duì)傳熱管脹管過渡段的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

對(duì)單根無缺陷試驗(yàn)管進(jìn)行脹管處理后，再將試驗(yàn)管放入管板模擬件中并固定，在管板頂部放置不同高度的沉積物；沉積物高度依次設(shè)定為30，20，15，10，5 mm，分別使用Bobbin、MRPC、Array探頭進(jìn)行渦流數(shù)據(jù)采集。

另外設(shè)計(jì)人工缺陷試驗(yàn)管，制作同一軸向分布的平底孔人工缺陷：加工直徑均為φ1 mm、深度均為40%壁厚的五處平底孔，缺陷位置分別位于脹管過渡段上及過渡段兩側(cè)，五處平底孔位置分別位于脹管過渡段的-5，0，5，10，15 mm處，相鄰平底孔為同一軸向分布，軸向距離為5 mm，且加工平底孔距管端的距離不小于50 mm，試驗(yàn)管結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 人工缺陷試驗(yàn)管結(jié)構(gòu)示意

3 試驗(yàn)過程

3.1 使用Bobbin探頭試驗(yàn)

對(duì)于Bobbin探頭，首先在低頻通道將沉積物的響應(yīng)信號(hào)調(diào)整到一定的角度，然后對(duì)管板頂部(TTS)進(jìn)行定位。檢測(cè)結(jié)果顯示，管板的影響區(qū)約為13 mm，因此在這之內(nèi)的沉積物無法測(cè)量準(zhǔn)確；對(duì)于試驗(yàn)中15，20，30 mm的沉積物可根據(jù)低頻通道的垂直分量進(jìn)行幅值和高度測(cè)量，均能辯識(shí)清楚；而10，5 mm的沉積物響應(yīng)信號(hào)與管板的影響區(qū)復(fù)合，無法辯識(shí)，也無法進(jìn)行高度測(cè)量，因此Bobbin探頭更無法識(shí)別脹管過渡段處的缺陷信號(hào)。使用Bobbin探頭檢測(cè)20 mm高度沉積物可辨識(shí)示例如圖5所示。

圖5 使用Bobbin探頭檢測(cè)20 mm高度沉積物可辨識(shí)示例

3.2 使用MRPC探頭試驗(yàn)

對(duì)于MRPC 探頭，首先在低頻通道先調(diào)整TSP(支撐板)信號(hào)，以便確定信號(hào)顯示基準(zhǔn)。同樣對(duì)管板信號(hào)進(jìn)行定位。當(dāng)管板處有沉積物時(shí)，沉積物在不同高度處二次側(cè)管板頂部信號(hào)角度都會(huì)偏轉(zhuǎn)，使用 MRPC探頭可以對(duì)不同高度的沉積物進(jìn)行清楚識(shí)別；對(duì)沉積物的高度測(cè)量，先使用低頻通道進(jìn)行管板定位，然后選擇信號(hào)的起始位置進(jìn)行沉積物測(cè)量，如圖6所示。

圖6 使用MRPC探頭測(cè)量沉積物信號(hào)響應(yīng)

對(duì)于存在沉積物處的缺陷識(shí)別，圖7所示的是分別使用MRPC探頭的點(diǎn)線圈和正交線圈對(duì)試驗(yàn)管進(jìn)行測(cè)量的信號(hào)響應(yīng)。由圖可以看出：

圖7 使用MRPC探頭測(cè)量缺陷信號(hào)響應(yīng)

(1) 沉積物的存在對(duì)缺陷辨識(shí)的影響并不明顯，可以清晰識(shí)別5個(gè)φ1 mm通孔的缺陷。

(2) 沉積物的存在對(duì)正交線圈的影響比點(diǎn)線圈小，從原理上分析正交線圈是差分連接，抵消了沉積物的影響，因此正交線圈在沉積物區(qū)域檢測(cè)效果較點(diǎn)線圈更好。

(3) 沉積物沒有在缺陷處，對(duì)缺陷的識(shí)別及測(cè)量不受影響，不同高度沉積物對(duì)缺陷的識(shí)別及測(cè)量沒有影響。

3.3 使用Array探頭試驗(yàn)

選用陣列探頭對(duì)沉積物的識(shí)別，一般選用低頻通道(100 kHz)作為識(shí)別通道；沉積物的高度測(cè)量一般用主頻通道(300 kHz)，通過主檢測(cè)頻率周向通道C掃圖可以很明顯地識(shí)別出管板上沿的泥渣沉積情況。然后通過數(shù)據(jù)點(diǎn)的差值結(jié)合采樣率的數(shù)值可以計(jì)算出沉積物的高度。圖8為實(shí)際5 mm沉積物堆積測(cè)量結(jié)果，與實(shí)際高度吻合。

圖8 實(shí)際5 mm沉積物堆積測(cè)量示意

使用Array探頭對(duì)沉積物數(shù)據(jù)點(diǎn)測(cè)量結(jié)果見表1，相對(duì)誤差率的計(jì)算結(jié)果表明，使用Array探頭測(cè)量泥渣沉積物的高度還是比較準(zhǔn)確的。

進(jìn)一步考察沉積物對(duì)缺陷信號(hào)的影響，對(duì)于同一軸向5個(gè)40%壁厚平底孔(間隔5 mm)進(jìn)行沉積物影響的分析：無沉積物時(shí)，有兩個(gè)平底孔信號(hào)受管板信號(hào)的影響，剛好在臺(tái)階上，因此很難分辨，只能識(shí)別三個(gè)信號(hào)。而當(dāng)增加5，10，20 mm的沉積物時(shí)，由于沉積物和管板的存在，導(dǎo)致產(chǎn)生的臺(tái)階信號(hào)變小，反而使得此處的缺陷信號(hào)更容易分辨出來，沉積物對(duì)缺陷信號(hào)的影響示例如圖9所示。

表1 使用Array探頭對(duì)沉積物測(cè)量數(shù)據(jù)

圖9 沉積物對(duì)缺陷信號(hào)的影響示例

4 結(jié)論

(1) 對(duì)于脹管過渡段二次側(cè)管板頂部沉積物的信號(hào)識(shí)別及高度測(cè)量，使用Bobbin、MRPC、Array三種探頭都能夠清楚識(shí)別及測(cè)量。針對(duì)不同探頭,采用的測(cè)量方法不同，可以用速度或者數(shù)據(jù)點(diǎn)的差值轉(zhuǎn)換計(jì)算出沉積物高度。

(2) Bobbin探頭對(duì)沉積物的識(shí)別用20 kHz低頻絕對(duì)通道(CH8),沉積物信號(hào)在40°～120°之間(根據(jù)沉積物密度和成分不同)。管板影響區(qū)約13 mm左右，因此在這之內(nèi)的沉積物無法測(cè)量準(zhǔn)確。

(3) MRPC探頭對(duì)沉積物的識(shí)別用低頻通道；C掃圖可以清楚反應(yīng)管板頂部沉積物的各種分布情況；沉積物不影響MRPC探頭在這個(gè)區(qū)域的識(shí)別及定量測(cè)量。

(4) ARRAY探頭對(duì)沉積物的識(shí)別一般選用低頻通道，但是進(jìn)行高度測(cè)量時(shí)用主檢測(cè)頻率較好。通過主檢測(cè)頻率周向通道C掃圖可以進(jìn)行沉積物的高度測(cè)量。

(5) Bobbin探頭無法識(shí)別脹管過渡段的缺陷，更無法識(shí)別存在沉積物的脹管過渡段的缺陷，這是由此類型探頭的特性所決定的。

(6) 對(duì)于MRPC探頭，沉積物不影響缺陷的識(shí)別及定量測(cè)量，正交線圈在沉積物區(qū)域信號(hào)識(shí)別效果較點(diǎn)線圈更好。

(7) 對(duì)于Array探頭，沉積物不影響缺陷的識(shí)別，相反由于沉積物和管板的存在，導(dǎo)致產(chǎn)生的臺(tái)階信號(hào)變小，反而使得此處的缺陷信號(hào)更容易分辨。

[1] 丁訓(xùn)慎.核電廠蒸氣發(fā)生器凹痕腐蝕, 二次側(cè)水化學(xué)處理及其清洗[J].清洗世界，2010,26(6):32-35.

[2] 中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)熱處理學(xué)會(huì)編委會(huì).熱處理手冊(cè)(第四分冊(cè))[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2008：257-316.

[3] 姚運(yùn)萍,韓捷,廖述圣. 探頭線圈掃查方式對(duì)渦流檢測(cè)性能影響的研究[J]. 機(jī)械與電子,2008,11(11):60-62.

[4] 韓捷，廖述圣.蒸汽發(fā)生器傳熱管渦流檢驗(yàn)中對(duì)多缺陷信號(hào)判別的可靠性[J].無損檢測(cè)，2010，32(12):935-939.

[5] 姚運(yùn)萍,韓捷,廖述圣. 核電站管道缺陷渦流定量檢測(cè)的可靠性分析[J]. 核動(dòng)力工程, 2009,30(4): 17-20.

[6] CHEN Xiang-lin, DING Tian-huai. Flexible eddy current sensor array for proximity sensing[J]. Sensors and Actuators A: Physical, 2007,135(3):126-130.

Eddy Current Probe Distinction of the Sludge and Flaws of Expand Transition Area of Heat Transfer Tubes in NPS Vepor Generator

HAN Jie1,2, CHEN Xia1,2, LIAO Shu-sheng1,2, WANG Jia-jian1,2, FENG Mei-ming2

(1.Research Institute of Nuclear Power Operation , Wuhan 430074,China;2.China Nuclear Power Operation Technology Co., Ltd., Wuhan 430223, China)

From the actual SG operation circumstances, there may exist pitting or SCC flaw in expand transition area of the heat-transfer tubes. In order to detect the flaws of expand transition area of the heat-transfer tubes effectively and reliably，the characteristics of three different types of eddy current probes as Bobbin, MRPC and Array are analyzed, and then through a series of tests, the sludge and flaw discrimination ability of different probes in expand transition area of the heat-transfer tubes are compared and tested, and related analysis accuracy data is acquired. The identification technology and its precision range of expand transition area are thus mastered.

Eddy current probe; Expand transition area；Flaw; Sludge

2016-06-22

韓 捷(1981-)，男，高級(jí)工程師，主要從事核動(dòng)力設(shè)備研制，檢測(cè)方法及可靠性方面的研究。

韓 捷,E-mail:hanjiezhuming@163.com。

10.11973/wsjc201611014

TG115.28

A

1000-6656(2016)11-0062-04