小徑管的沖蝕減薄及射線測厚技術

陳　均，孔晨光，李守彬

0　概述

核電機組通過多個復雜系統(tǒng)，實現(xiàn)了核能與電能的轉換。在能量轉換過程中，一系列重要設備均需通過大量的管道，實現(xiàn)能量的傳遞。管道內高溫高壓蒸汽或流體長期在管道內快速流動，沖蝕了管壁，導致壁厚減薄，尤其是小徑管內的沖蝕更為嚴重。沖蝕是小徑管斷裂或泄漏的主要原因之一，解決管道沖蝕減薄的問題尤為重要。目前，主要采用射線檢測技術，對小徑管的沖蝕情況進行評估，為后續(xù)管道更換或相關工程評價作參考。隨著我國核電機組的迅速發(fā)展，解決小徑管的沖蝕問題，已成為重要的課題。

1　典型的失效機理

核電機組在役期間，系統(tǒng)內金屬管道的減薄失效，可根據(jù)管道內介質的不同，分為沖蝕和汽蝕兩種失效狀態(tài)。一般而言，流體的壓力越大、速度愈高、流體中懸浮的固體顆粒愈多、愈硬，則管壁被沖蝕的現(xiàn)象愈嚴重。介質對管壁的沖蝕程度，取決于流體的流動方式。層流時，由于流體具有黏度，在沿管道的截面上有一種穩(wěn)態(tài)的速度分布。湍流時，這種穩(wěn)態(tài)速度的分布已被破壞，這不僅加速了腐蝕劑的供應和腐蝕產(chǎn)物的遷移，而且在流體與金屬之間產(chǎn)生的切應力，能剝離腐蝕產(chǎn)物，從而加大了沖蝕速度。在節(jié)流口或彎頭處，介質的高速流動，具有很大的動能，巨大的沖刷力將使管道下游彎頭、節(jié)流孔板下游管道焊縫、管道變徑處的使用壽命成倍下降。

2　檢測方法

對于管道沖蝕的射線檢測方法，主要有雙壁雙影重疊影像法、雙壁單影法底片黑度確認法。根據(jù)核電廠復雜的管道布置和狹窄的操作空間，采用恰當?shù)耐刚辗绞?，是檢測管道是否存在沖蝕的關鍵。針對不同的管徑及任意管壁厚度，推薦采用射線檢測的透照方式。檢測方法及曝光位置的設置，如表1所示。

針對小徑管的管道及管道焊縫，射線檢測時，主要采用了雙壁雙影垂直透照方法，檢查管道的沖蝕程度。對管道及焊縫的沖蝕檢測，主要有2種射線檢驗方法。

3　射線檢測的先決條件

3.1現(xiàn)場條件及溫度

針對預防性檢查，需拆除保溫層后進行。反饋檢查應在表面檢查合格后進行。對于現(xiàn)場已經(jīng)出現(xiàn)泄漏的管道，不需要做沖蝕檢查。RT檢查時，要求被檢對象的溫度在50℃以下。若管道存有液體介質的，需排空后再進行檢查。

3.2執(zhí)行標準和器材要求

檢測標準按照RCCM2000+2002補遺標準的要求執(zhí)行。檢驗人員應具有相應的射線探傷資格證書(國家核安全局、質量技術監(jiān)督局頒發(fā)的證書)、輻射安全與防護中級證書(環(huán)境保護部頒發(fā)的證書)。經(jīng)過核電廠相關輻射與安全培訓中心核實，并給予授權后方能上崗。射線源為Ir192(使用時最大活度100Ci，半衰期74天，焦點尺寸 3×2 mm)。采用膠片為AGFA D3或KODA C2，或其它顆粒度相當于C2類的膠片。采用鉛箔增感屏(前屏0.2 mm、中屏0.1 mm×2、后屏 0.2 mm)。屏蔽鉛板的厚度，至少為2 mm。

采用Fe像質計，對于雙壁雙影透照時，鋼絲橫跨被檢管道源側表面。對于雙壁單影或中心曝光透照，鋼絲放置于片側1/4處，細絲朝外。靈敏度的選擇原則，相當于管道焊縫射線檢驗時的選擇原則。對于濾光板的要求，如表2所示。

表2　對于濾光板的要求

4　制定射線檢測工藝

4.1布片方式及工藝特點

在小徑管的焊縫及沖蝕檢測中，主要采用雙壁雙影垂直透照的方法進行檢測。采用橡皮筋或膠帶，將膠片緊貼在管壁上進行透照，像質計置于管道源側。檢測時的布置，如圖1所示。

圖1　小徑管管道及焊縫沖蝕檢查(垂直透照)

對于小徑管的沖蝕檢測，采用雙片進行透照，對于黑度無強制性的要求。需同時進行管道焊縫檢測時，黑度要求為 2.7－4.5。采用垂直透照法，2次曝光的角度，應互為90°。

4.2幾何不清晰度的選擇

為了提高沖蝕減薄后輪廓在底片上的清晰度，當放射源的類型確定后，射線照相的幾何不清晰度，需作為選擇焦距的重要條件，其中幾何不清晰度的選擇，應參照RCCM標準的要求。使用Ir192時，Ug≤0.3，最小焦距，可根據(jù)式(1)確定。

式(1)及式(2)中:

Ug－幾何不清晰度;

b－管徑被檢源側表面至膠片的距離;

f－放射源至工件表面距離;

F－焦距;

d－焦點。

5　小徑管的射線檢測技術

5.1在ASME標準A312中，對于小管徑的管壁厚度，有相關的公差要求。現(xiàn)場對管壁沖蝕檢查時，若沖蝕量已達管壁總厚度的12.5%，認為是不可接受的，需及時更換管道。在ASME標準中，對管壁厚度的具體要求，如表3所示。

表3　標準中要求的管壁厚度

5.2對管道射線探傷后，由于底片的貼合度、焦距及放射源的固有特性，在管道或管道焊縫的底片上，形成的影像將出現(xiàn)不同程度的放大，管壁被沖蝕的曲型案例，如圖2所示。如D0放大為D2，殘余壁厚T1放大為T2，如圖3～圖5所示。此時，可使用公式準確計算出真實的減薄量ΔT，從而計算出減薄系數(shù)。

圖2　

圖3　

圖4　

圖5　沖蝕典型案例

可根據(jù)投影原理，計算管道的殘存壁厚。

式(3)中:

T1－管道實際殘存壁厚;

T2－射線底片上測量的管道殘余厚度;

D0－設計管徑(現(xiàn)場實測的管外徑);

D2－在射線底片上測得的管徑。

對于減薄量的計算:

ΔT=T0－T1

即:ΔT=T0－T2×D0/D2

減薄系數(shù)的計算:

η=ΔT/T0

得:η=(T0－T2×D0/D2)/T0

6　結語

根據(jù)國內外有關文獻記載，管道因沖蝕而減薄、降質的情況較為普遍。對于小徑管被沖蝕的排查工作，也受到各大電廠的重點關注。射線探傷作為核電小徑管沖蝕檢查的主要方法，可有效地檢測管道的殘余壁厚和最小壁厚。通過檢測，對沖蝕后的管道是否需更換進行評估。此種射線探傷方法，可推廣到各大電廠。但是，由于在現(xiàn)場的輻射防護要求高，實施時較為繁復。在普查時，建議采用脈沖渦流檢測技術或超聲波技術，當發(fā)現(xiàn)管壁減薄較為嚴重時，應采用射線探傷方法，以驗證管壁沖蝕的減薄量。

參考文獻:

［1］法國核島設備設計、建造及在役檢查規(guī)則協(xié)會.RCCM2000+2002補遺.壓水堆核島機械設備設計和建造規(guī)則［S］.2002.

［2］ASME鍋爐及壓力容器委員會無損檢測分委員會.ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范［S］.2004.

［3］強天鵬.射線檢測［M］.北京:中國勞動社會保障出版社，2007.