無損檢測技術(shù)在核電站管線管道沖蝕測厚中的應(yīng)用

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(1.大亞灣核電運(yùn)營管理有限責(zé)任公司, 深圳 518000;2.中廣核檢測技術(shù)有限公司， 蘇州 215026)

核電站節(jié)流孔板等管道管線常處于高溫、高壓等惡劣的工況條件中，管道內(nèi)焊縫及彎頭部位可能受到腐蝕、沖蝕、磨損等破壞性作用，其管壁會(huì)逐漸發(fā)生減薄(見圖1)，形成S型非均勻減薄(見圖2)。非均勻減薄會(huì)影響管道的強(qiáng)度，嚴(yán)重的局部減薄會(huì)對(duì)管道的安全運(yùn)行構(gòu)成威脅。因此，必須選用合適的檢測方法對(duì)減薄管線進(jìn)行精確測量，并遵照相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn),視具體的減薄情況確定其安全狀況等級(jí)和檢驗(yàn)周期。

1 測厚部件范圍

(1) 在歐洲標(biāo)準(zhǔn)體系RSE-M《壓水堆核電廠核島機(jī)械部件在役檢查規(guī)則》中，對(duì)需要超聲測厚的二回路部件有明確規(guī)定。

圖1 管線減薄機(jī)理示意

圖2 管壁“S”型非均勻減薄

(2) 機(jī)組在役檢查過程中，經(jīng)常遇到其他專業(yè)提出的配合性測厚工作需求。

(3) 核電站冷卻環(huán)路系統(tǒng)為海水介質(zhì)冷卻，故核電輔助系統(tǒng)管道易產(chǎn)生腐蝕侵蝕減薄或穿孔等缺陷,圖3為現(xiàn)場減薄管件實(shí)物圖片；隨著核電機(jī)組運(yùn)行時(shí)間的延長，在役檢查中測厚工作所占比重逐年增加。

(4) 部分機(jī)組針對(duì)機(jī)組延壽申請(qǐng)開展的部分熱交換器/容器的專項(xiàng)測厚項(xiàng)目。

圖3 現(xiàn)場減薄管件實(shí)物圖片

2 常規(guī)測厚技術(shù)分析

2.1 采用超聲波測厚儀進(jìn)行壁厚測定

脈沖反射式超聲波測厚儀的原理是通過超聲波脈沖在材料中的往返傳播時(shí)間與聲速、聲程的關(guān)系來求得被檢工件厚度的(見圖4)。因超聲波測厚儀具有小巧、輕便、數(shù)字顯示屏直接顯示厚度、精度高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于電力、化工等領(lǐng)域。目前，大亞灣基地測厚設(shè)備主要就是該設(shè)備。在登高作業(yè)及需要進(jìn)行大量數(shù)據(jù)采集的場合，超聲波測厚儀的優(yōu)點(diǎn)更加明顯。

圖4 超聲波測厚儀測厚原理示意

總結(jié)大亞灣機(jī)組超聲波測厚工作，需注意的事項(xiàng)主要有：

(1) 超聲波測厚儀測量管壁厚度過程中，雙晶探頭放置時(shí)應(yīng)注意使探頭隔聲層垂直于管道軸線，并使其與管壁正交，才能獲得穩(wěn)定準(zhǔn)確的厚度指示。

(2) 在檢測曲率較大的小直徑管子時(shí)，須關(guān)注探頭耦合狀態(tài)，且最好在實(shí)施測厚前，在同管徑管材上先進(jìn)行試驗(yàn)。

(3) 在檢測的工件表面有嚴(yán)重麻點(diǎn)和凹坑時(shí)，應(yīng)選用聲阻抗大的甘油或?qū)Ｓ民詈蟿1]。

(4) 當(dāng)示值出現(xiàn)跳躍不定的情況時(shí)，可輕微移動(dòng)探頭并用手指將探頭壓緊在被測點(diǎn)上，待示值穩(wěn)定時(shí)方可確定結(jié)果。當(dāng)示值輕微閃爍跳動(dòng)時(shí)，一般應(yīng)以較小檢測值為準(zhǔn)。

(5) 在實(shí)施測厚前應(yīng)先確認(rèn)管道外徑是否有變化，以免因管道外徑輕微凹陷出現(xiàn)測厚數(shù)據(jù)較小而導(dǎo)致誤判。

(6) 現(xiàn)場檢測遇到未知聲速的材料時(shí)，可在與管壁材料相同且厚度已知的法蘭及其他部件上進(jìn)行聲速校驗(yàn)。

超聲波測厚設(shè)備主要應(yīng)用于管道內(nèi)壁受沖刷減薄的測厚中。對(duì)于因腐蝕出現(xiàn)的點(diǎn)狀或形狀對(duì)超聲波聲束發(fā)散的缺陷，此設(shè)備會(huì)受檢驗(yàn)靈敏度(相關(guān)文獻(xiàn)試驗(yàn)證明，無論何種形式的壁厚減薄，其反射聲能小于φ2 mm當(dāng)量缺陷的反射聲能時(shí)，都很難檢出)的影響而無法檢出。

對(duì)金屬管道進(jìn)行壁厚檢測時(shí)，很可能在檢測點(diǎn)附近存在較深的局部減薄，但因測厚儀對(duì)該類局部減薄的檢測局限性而未能被檢出，這種局限性需要通過其他適用的檢測方法來彌補(bǔ)。

2.2 采用超聲波探傷儀進(jìn)行壁厚檢測

采用超聲波探傷儀進(jìn)行測厚時(shí)，一般選用高頻小晶片縱波單晶直探頭，或選用帶有延遲塊的雙晶直探頭。使用超聲波探傷儀測厚時(shí)，不像超聲波測厚儀能數(shù)顯“直讀”，而是需要操作人員具備豐富的材料、缺陷判定經(jīng)驗(yàn)，在實(shí)施過程中通過波形特點(diǎn)定性了解管壁狀況，判斷管壁處于均勻減薄狀態(tài)還是存在非均勻減薄缺陷，并通過反射波形分析確定較嚴(yán)重的減薄區(qū)域。超聲波探傷儀的這些特點(diǎn)是超聲波測厚儀所不具備的[2]。

有關(guān)測厚方法(超聲波探傷儀或超聲波測厚儀)的選擇,建議按以下規(guī)則執(zhí)行。

(1) 通過減薄機(jī)理分析或經(jīng)驗(yàn)反饋可知，對(duì)某類易造成沖蝕減薄的管段，可以直接采用超聲波測厚儀進(jìn)行測量；而腐蝕或缺陷導(dǎo)致的減薄，則應(yīng)用超聲波探傷儀進(jìn)行輔助定性判斷。

(2) 當(dāng)管壁厚度不均勻以及壁厚大于6 mm時(shí),應(yīng)先用超聲波探傷儀掃查,然后用超聲波測厚儀測量。

(3) 超聲波測厚儀讀數(shù)異常時(shí),例如無讀數(shù)(管內(nèi)壁存在大量凹凸坑造成)、讀數(shù)異常高(殘余壁厚小于數(shù)毫米)、讀數(shù)異常低(管壁內(nèi)含有夾層、裂紋等缺陷)時(shí),應(yīng)先用超聲波探傷儀判斷異常原因,以便獲得正確讀數(shù)。

應(yīng)用超聲波探傷儀進(jìn)行測厚時(shí)，也存在以下局限性。

(1) 由于管道曲率造成的耦合不足，且無法進(jìn)行有效補(bǔ)償，特別是對(duì)小徑管道進(jìn)行測厚時(shí)。

(2) 對(duì)于高溫管道測厚(高于50 ℃)，由于高溫下材料的聲速會(huì)變小，造成厚度偏大(需根據(jù)溫度-聲速線性方程進(jìn)行修正)；且耦合劑極易干燥，使超聲波探傷儀的測厚工作難以實(shí)施。

針對(duì)文中提及的管道高溫定點(diǎn)測厚過程中存在測量數(shù)據(jù)偏大以及耦合劑選用不當(dāng)引起無法讀數(shù)的問題，通過試驗(yàn)研究了高溫耦合劑的性能，篩選出高溫狀態(tài)下性能穩(wěn)定的高溫耦合劑。通過高溫定點(diǎn)測厚試驗(yàn)研究，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)以溫度與該溫度下測厚所調(diào)整后的聲速進(jìn)行線性回歸，得出高溫測厚的溫度-聲速線性方程。該方程用于管道高溫定點(diǎn)測厚，有效解決了測量數(shù)據(jù)偏大的問題。將測厚數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理，計(jì)算出平均腐蝕速率和剩余壽命，有效地預(yù)測了腐蝕隱患。

(3) 超聲波探傷儀測厚，多采取按圓周9點(diǎn)測厚的選點(diǎn)方式進(jìn)行測量，對(duì)于局部減薄(點(diǎn)腐蝕)嚴(yán)重的管線管道，無法有效地測出壁厚，數(shù)據(jù)處理較繁瑣且不直觀。

(4) 對(duì)于減薄特別嚴(yán)重的管線管道，由于超聲波探傷儀存在盲區(qū)(包括上部盲區(qū)及下部盲區(qū))，無法對(duì)過薄管線管道的厚度進(jìn)行測量。

(5) 對(duì)于材料聲速未知的管線管道的測厚，由于沒有留存相同材料的試塊備件，致使測厚數(shù)值存在一定的偏差。

(6) 管線管道表面狀況較差會(huì)影響測厚。當(dāng)?shù)撞砍暦瓷湫盘?hào)消失時(shí)，則無法進(jìn)行測厚。

(7) 粗晶材料的管線管道，測厚不好實(shí)施。

2.3 采用射線照相法進(jìn)行壁厚測量

應(yīng)用超聲波原理實(shí)施測厚時(shí)，往往采用在外壁畫格子線測點(diǎn)的方法，當(dāng)對(duì)出現(xiàn)較大的點(diǎn)蝕缺陷或含特異性結(jié)構(gòu)(見圖5)的管線管道進(jìn)行測厚評(píng)估時(shí)，通過超聲波檢測的方法就有困難，存在漏檢的風(fēng)險(xiǎn)。

圖5 雙層管壁結(jié)構(gòu)的管線減薄外觀

此類管材缺陷的有效檢查方法就是射線照相檢測(見圖6)。

圖6 減薄的射線底片

射線照相檢測更為直觀，在技術(shù)層面上，其可以對(duì)各類壁厚、管徑的材料進(jìn)行減薄確認(rèn)，直觀地獲知內(nèi)壁缺陷的密集程度，且底片可以留存；還可以在內(nèi)壁減薄處確認(rèn)，并拍攝多張底片形成管道全角度的質(zhì)量信息，便于減薄成因的分析。

大亞灣基地在程序文件《常規(guī)島及BOP系統(tǒng)壓力管道在役檢查大綱》中規(guī)定了沖蝕減薄的相應(yīng)檢查項(xiàng)目，如ASG*DI和RRI系統(tǒng)部分管線。對(duì)于沖蝕減薄檢查方法的選擇，目前主要是應(yīng)用超聲波的方法，射線照相法主要應(yīng)用于一些反饋項(xiàng)目的檢查。

應(yīng)用射線照相法測厚的局限性有：

(1) 由于管線布置較密集，易造成空間不足致使布片和放射源導(dǎo)源管固定困難。

(2) 核電站機(jī)組停堆在役檢查時(shí)，射線照相測厚占用時(shí)間和檢測時(shí)間相對(duì)較長。

(3) 由于射線照相底片影像相對(duì)于實(shí)物有放大作用，管壁厚度無法直接讀出，需借助對(duì)比試塊進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2.4 小結(jié)

對(duì)于在役管道壁厚的常規(guī)檢測，采用超聲波測厚儀測厚、超聲波探傷儀測厚與射線照相法測厚，其各具優(yōu)點(diǎn)和局限性，具體選擇測厚技術(shù)時(shí)，可按照以下原則進(jìn)行：

(1) 采用超聲波原理的測厚技術(shù)可應(yīng)用于管道直徑較大，曲率較小的工件，需表面狀態(tài)良好，管線管道內(nèi)不存在過熱蒸汽以及該管線管道位置處于核電站大修過程中的作業(yè)交叉區(qū)，以及不便應(yīng)用射線檢驗(yàn)測厚的場所。

(2) 射線照相測厚應(yīng)用于已被超聲波測厚確定為非均勻減薄的管線管道，較重要且不占用其他作業(yè)時(shí)間窗口的管線管道以及較易出現(xiàn)點(diǎn)蝕缺陷的管線管道。

3 無損檢測新技術(shù)及應(yīng)用

(1) 超聲波相控陣檢測技術(shù)測厚

應(yīng)用超聲波相控陣檢測技術(shù)可以在提高檢測精度的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)薄壁管的超聲波測厚檢測(見圖7)。

圖7 相控陣檢測小徑管布置

(2) 自動(dòng)化檢查設(shè)備“管道豬”測厚

對(duì)于長輸管道壁厚的測量，可以應(yīng)用自動(dòng)化檢查設(shè)備“管道豬”進(jìn)行自動(dòng)測量，實(shí)現(xiàn)信息系統(tǒng)自動(dòng)化檢驗(yàn)與記錄(見圖8)。該設(shè)備價(jià)格昂貴，故其僅在特定廠家和行業(yè)應(yīng)用，目前還未廣泛應(yīng)用。

圖8 管道豬自動(dòng)測量系統(tǒng)外觀

(3) 導(dǎo)波測厚

導(dǎo)波的特點(diǎn)類似于平板中的板波，其激發(fā)的超聲波頻率更低(數(shù)萬赫茲)，能穿透整個(gè)管壁，并沿管壁傳播數(shù)十甚至上百米。

導(dǎo)波測厚的優(yōu)點(diǎn)：長距離檢測、檢測速度快和高效，能檢測人員無法接近部位的管壁腐蝕等。導(dǎo)波檢測管道橫截面上的金屬損失非常敏感，檢測精度可達(dá)橫截面積的3%，可靠精度可達(dá)橫截面積的9%，定位精度為±100 mm。

直接經(jīng)濟(jì)效益：超聲導(dǎo)波長距離檢測時(shí)，50 mm的布置范圍至少可以進(jìn)行30 m的管道檢測，可極大地節(jié)約保溫拆除、腳手架搭設(shè)的費(fèi)用和縮短工期，節(jié)約了材料成本和降低了工業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)(見圖9)。

圖9 導(dǎo)波檢測埋地管道的波形及現(xiàn)場

大亞灣核電基地已利用多個(gè)換料大修對(duì)埋地管道進(jìn)行了非開挖導(dǎo)波檢測，減少了大量的泥土開挖工作量，提前進(jìn)行檢測維修對(duì)大修工期做出了巨大貢獻(xiàn)。

導(dǎo)波測厚的缺點(diǎn)：導(dǎo)波檢測對(duì)缺陷定量是近似的，對(duì)可疑部位還需要采取其他檢測方法進(jìn)行確認(rèn)，對(duì)單個(gè)點(diǎn)狀缺陷以及軸向條狀缺陷較難檢出。

(4) 電磁超聲測厚

電磁超聲測厚技術(shù)可實(shí)現(xiàn)無耦合劑、非接觸式測量，且設(shè)備輕便、精度高，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)任何金屬或磁性材料的檢測，對(duì)表面狀態(tài)的要求要低于常規(guī)超聲測厚技術(shù)的要求，免去了油漆、銹跡的去除工序。該技術(shù)和設(shè)備在核電站應(yīng)用的另一特點(diǎn)是可適用于高溫(增配后最高到380 ℃、檢測時(shí)間小于4 s時(shí)可達(dá)到600 ℃)環(huán)境。目前該技術(shù)和設(shè)備已引入到核電站核島、常規(guī)島管線的日常和大修檢測等活動(dòng)中。

參考文獻(xiàn)：

[1] 崔西明.表面粗糙度對(duì)壓電超聲測厚的影響[J].無損檢測，2016,38(5):1-4.

[2] 郭慶云，王亞權(quán).工業(yè)管道測厚的幾點(diǎn)問題探討[J]．石油化工腐蝕與防護(hù)，2006,23(6)：26-27.