核電廠反應(yīng)堆壓力容器接管內(nèi)圓角增強(qiáng)型目視檢驗(yàn)技術(shù)研究

王羽翀　劉緒　吳化峰

【摘 要】核電廠需要定期對核島關(guān)鍵設(shè)備如反應(yīng)堆壓力容器接管內(nèi)圓角區(qū)域進(jìn)行無損檢驗(yàn)，從而發(fā)現(xiàn)可能存在的缺陷。ASME規(guī)范要求對接管內(nèi)圓角區(qū)域?qū)嵤┏暀z驗(yàn)，但由于接管內(nèi)圓角區(qū)域結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且沿周向不斷變化，超聲檢測實(shí)施難度較大，檢測效率較低，按傳統(tǒng)的方式對該區(qū)域?qū)嵤┏暀z測困難較大。根據(jù)美國聯(lián)邦法規(guī)10CFR50對ASME規(guī)范的補(bǔ)充要求規(guī)定：可采用高靈敏度的目視檢驗(yàn)技術(shù)來代替超聲檢驗(yàn)執(zhí)行容器接管內(nèi)圓角區(qū)域的無損檢驗(yàn)。本文結(jié)合法規(guī)的相關(guān)要求，介紹了反應(yīng)堆壓力容器接管內(nèi)圓角增強(qiáng)型目視檢驗(yàn)技術(shù)，并結(jié)合接管內(nèi)圓角增強(qiáng)型目視檢驗(yàn)檢驗(yàn)系統(tǒng)開發(fā)的試驗(yàn)研究情況，得出使用特定的檢驗(yàn)技術(shù)和檢驗(yàn)系統(tǒng)，可滿足反應(yīng)堆壓力容器接管內(nèi)圓角檢查的需求。

【關(guān)鍵詞】核電廠；反應(yīng)堆壓力容器；接管內(nèi)圓角；增強(qiáng)型目視檢驗(yàn)

中圖分類號： TM623 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）08-0152-003

Research on enhanced visual inspection technology of reactor

pressure vessels nozzle inner radius in nuclear power plant

WANG Yu-Chong LIU Xu WU Hua-feng

【Abstract】Nuclear power plants need to conduct regular non-destructive testing of the key island nuclear equipment， such as reactor pressure vessel nozzle inner radius， to identify possible defects. The ASME Code requires that ultrasonic testing be performed on the nozzle inner radius area but due to the complicated structure of the nozzle inner radius area and varying circumferences， it is more difficult to perform ultrasonic testing and lower the detection efficiency. Ultrasound is performed on the area in a conventional manner testing is more difficult. According to the supplementary requirements of the US federal regulation 10CFR50 on ASME specification， the non-destructive testing of the nozzle inner radius area should be replaced by a high-sensitivity visual inspection technique. Combining with the requirements of the relevant laws and regulations， this paper introduces the enhanced visual inspection technique of reactor pressure vessel nozzle inner radius， and combined with the experimental research on the development of enhanced visual inspection and inspection system to nozzle inner radius， it is concluded that the use of specific inspection technique and Inspection system to meet the needs of reactor pressure vessel nozzle inner radius inspection.

【Key words】Nuclear power plant； Reactor pressure vessels； Nozzle inner radius； Enhanced visual inspection

0 前言

核電廠反應(yīng)堆壓力容器長期處于高溫、高壓、高輻射環(huán)境下運(yùn)行，而反應(yīng)堆壓力容器的接管內(nèi)圓角存在高應(yīng)力區(qū)域，在熱應(yīng)力以及壓力波動(dòng)等作用下，該區(qū)域容易出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕裂紋或堆焊層表面損傷。國外核電廠在核一級設(shè)備接管內(nèi)圓角區(qū)域曾經(jīng)發(fā)現(xiàn)過裂紋，國內(nèi)某核電廠停堆大修時(shí)也在反應(yīng)堆壓力容器出口接管不銹鋼堆焊層上發(fā)現(xiàn)深度1.27mm的表面損傷痕跡[1]。

反應(yīng)堆壓力容器接管內(nèi)圓角區(qū)域由于結(jié)構(gòu)與載荷復(fù)雜，且長期處于應(yīng)力集中的工況，因而有必要定期進(jìn)行檢查、監(jiān)督，確保核電廠一回路壓力邊界的完整性[2]。反應(yīng)堆壓力容器接管內(nèi)圓角區(qū)在役檢查階段的無損檢驗(yàn)，一般采取從接管內(nèi)壁實(shí)施水下自動(dòng)超聲檢查，但由于接管內(nèi)圓角區(qū)域結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且沿周向不斷變化，對超聲檢驗(yàn)設(shè)備運(yùn)動(dòng)軌跡及探頭設(shè)計(jì)要求較高。在檢查過程中需要實(shí)時(shí)對自動(dòng)檢查設(shè)備運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行調(diào)整，超聲檢測實(shí)施難度較大，檢測效率較低。按傳統(tǒng)的方式對該區(qū)域?qū)嵤┏暀z驗(yàn)困難較大，因此本文提出了對核電廠反應(yīng)堆壓力容器接管內(nèi)圓角實(shí)施增強(qiáng)型目視檢測的檢驗(yàn)技術(shù)研究。

1 增強(qiáng)型目視檢驗(yàn)技術(shù)分析

1.1 檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)范要求

1.1.1 ASME規(guī)范

ASME規(guī)范中（1998版和1999至2000補(bǔ)遺）XI卷詳細(xì)地規(guī)定了接管內(nèi)圓角的檢驗(yàn)要求、方法和檢驗(yàn)區(qū)域范圍。其中B分卷IWB-2500要求對反應(yīng)堆壓力容器的接管內(nèi)圓角進(jìn)行超聲檢驗(yàn)，檢驗(yàn)區(qū)域具體為接管母材往下12.7mm（不包括堆焊層厚度），接管過渡圓弧至容器壁厚，如圖1.1中所示的M-N-O-P區(qū)域[3]。

圖1.1 一回路主設(shè)備接管內(nèi)圓角檢驗(yàn)區(qū)域示意圖

ASME的規(guī)范案例（2013版）N-702中：委員會(huì)認(rèn)為對于反應(yīng)堆壓力容器接管內(nèi)圓角的無損檢驗(yàn)，可用VT-1的目視檢驗(yàn)方法替代ASME規(guī)范中XI卷B分卷IWB-2500要求的超聲檢驗(yàn)方法[4]。

1.1.2 美國聯(lián)邦法規(guī)

美國聯(lián)邦法規(guī)10CFR50對ASME的相關(guān)規(guī)范進(jìn)行了補(bǔ)充規(guī)定，其中對于XI卷B分卷IWB-2500要求的反應(yīng)堆壓力容器內(nèi)圓角無損檢驗(yàn)方法，10CFR50規(guī)定：當(dāng)增強(qiáng)型目視的檢驗(yàn)靈敏度至少能分辨出0.025mm寬的金屬絲或裂紋時(shí)，可使用增強(qiáng)型目視檢驗(yàn)方法來替代超聲檢驗(yàn)方法[5]。

1.1.3 美國核管會(huì)RG1.147導(dǎo)則

RG1.147導(dǎo)則中指出：當(dāng)采用增強(qiáng)型目視檢驗(yàn)代替超聲檢驗(yàn)時(shí)，驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)按照ASME.XI卷IWB-3512.1執(zhí)行，缺陷尺寸定量可采用估算法進(jìn)行：取a/l=0.5來保守估算缺陷深度，根據(jù)測量的缺陷長度l來估算缺陷深度值a[6]（a為缺陷顯示的最大自身高度）。

1.2 檢驗(yàn)技術(shù)的難點(diǎn)

1.2.1 結(jié)構(gòu)復(fù)雜

反應(yīng)堆壓力容器接管內(nèi)圓角檢查區(qū)域：是容器內(nèi)壁與接管內(nèi)壁相交而形成的一個(gè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的“馬鞍”面，且沿接管周向不斷變化。因此需要檢驗(yàn)裝置能根據(jù)檢查面的不斷變化實(shí)時(shí)調(diào)整自身的運(yùn)動(dòng)軌跡來進(jìn)行自動(dòng)掃查，并實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位。

1.2.2 掃查視角

在對反應(yīng)堆壓力容器接管內(nèi)圓角區(qū)進(jìn)行目視自動(dòng)掃查時(shí)，由于接管內(nèi)光照度低，水下攝像頭在自帶光源的輔助下，為了獲得更佳的檢驗(yàn)靈敏度，攝像頭與被檢表面的掃查視角選擇尤為重要。

1.2.3 掃查速度

對于視頻采集來說：掃查速度越快，所需的采集頻率就越高。那么在對反應(yīng)堆壓力容器接管內(nèi)圓角區(qū)進(jìn)行增強(qiáng)型目視自動(dòng)掃查時(shí)，此時(shí)的采集頻率為定值，那么掃查速度越快圖像的分辨率就越低。從而會(huì)導(dǎo)致檢驗(yàn)靈敏度降低，影響檢驗(yàn)質(zhì)量。因此需確定合理的掃查速度范圍，來保證檢驗(yàn)質(zhì)量。

2 增強(qiáng)型目視檢驗(yàn)的實(shí)施方案

反應(yīng)堆壓力容器接管內(nèi)圓角區(qū)的主要缺陷類型為腐蝕裂紋或堆焊層表面損傷，結(jié)合增強(qiáng)型目視檢驗(yàn)技術(shù)要求所述：反應(yīng)堆壓力容器接管內(nèi)圓角區(qū)可采用VT-1的目視檢驗(yàn)類別進(jìn)行目視檢驗(yàn)，檢驗(yàn)靈敏度至少能分辨出0.025mm寬的金屬絲或裂紋，驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)按照ASME.XI卷IWB-3512.1執(zhí)行。

根據(jù)ASME規(guī)范規(guī)定的反應(yīng)堆壓力容器接管內(nèi)圓角檢驗(yàn)區(qū)域，增強(qiáng)型目視檢驗(yàn)應(yīng)選擇從接管內(nèi)壁檢驗(yàn)的方式進(jìn)行。在役檢查時(shí)，由于反應(yīng)堆壓力容器接管位于高劑量區(qū)，通常采用多自由度機(jī)械手的專用檢驗(yàn)裝置攜帶攝像頭進(jìn)行自動(dòng)掃查。掃查過程中，在視頻采集分析電腦上觀察攝像頭采集傳輸?shù)囊曨l實(shí)時(shí)圖像，發(fā)現(xiàn)缺陷顯示需暫停掃查做好記錄，當(dāng)采集結(jié)束后再對缺陷顯示進(jìn)行分析。

2.1 檢驗(yàn)裝置

采用反應(yīng)堆壓力容器專用檢查裝置實(shí)施反應(yīng)堆壓力容器接管內(nèi)圓角增強(qiáng)型目視檢驗(yàn)。檢驗(yàn)裝置包括一套精密的六關(guān)節(jié)機(jī)械手和一套能實(shí)時(shí)三維顯示和跟蹤機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的先進(jìn)軟件系統(tǒng)。針對反應(yīng)堆壓力容器接管內(nèi)圓角增強(qiáng)型目視檢驗(yàn)，采用上平臺機(jī)械手下掛的模式，將機(jī)械手運(yùn)動(dòng)至接管內(nèi)側(cè)實(shí)施視頻檢驗(yàn)，采用馬鞍形的掃查軌跡對接管內(nèi)圓角區(qū)域?qū)嵤z驗(yàn)，掃查軌跡示意圖如圖2.1所示。

2.2 檢驗(yàn)系統(tǒng)

檢驗(yàn)系統(tǒng)主要包含：攝像頭、視頻控制器、視頻采集分析電腦，其中攝像頭采用大于等于2倍光學(xué)變焦，分辨率大于等于530線，自帶光源和紅外線激光模塊的、視頻控制器采用支持高清視頻信號輸入輸出，攝像頭云臺控制，開關(guān)光源和紅外線激光的、采集分析電腦裝有視頻采集分析軟件的。

3 增強(qiáng)型目視檢驗(yàn)技術(shù)的試驗(yàn)驗(yàn)證

分別在Jaeger測試表、分辨率試板（裝有0.025mm寬的金屬絲）和帶缺陷的模擬體試塊上開展測試實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證檢驗(yàn)實(shí)施方案的可靠性和準(zhǔn)確性。

3.1 檢驗(yàn)系統(tǒng)試驗(yàn)

3.1.1 攝像頭試驗(yàn)

在距Jaeger測試表610mm的距離范圍內(nèi)，照度大于50fc的條件下，分別選用大于等于530線、2倍光學(xué)變焦的攝像頭和小于530線的定焦攝像頭觀測Jaeger測試表上J4字母，觀測結(jié)果為只有選用大于等于530線、2倍光學(xué)變焦的攝像頭才能夠清晰分辨出Jaeger測試表上J4字母，滿足VT-1檢驗(yàn)類別的技術(shù)要求。

3.1.2 靜態(tài)檢驗(yàn)靈敏度試驗(yàn)

在VT-1檢驗(yàn)類別的技術(shù)條件下，使用攝像系統(tǒng)觀測分辨率試板上寬度為0.025mm的金屬絲，驗(yàn)證檢驗(yàn)系統(tǒng)是否能夠清晰分辨出此金屬絲。經(jīng)過試驗(yàn)觀測檢驗(yàn)系統(tǒng)能夠清晰的分辨出分辨率試板上寬度為0.025mm的金屬絲，滿足檢驗(yàn)靈敏度的技術(shù)要求，詳見圖3.1。

3.1.3 動(dòng)態(tài)檢驗(yàn)靈敏度及掃查速度試驗(yàn)

為保證反應(yīng)堆壓力容器接管內(nèi)圓角區(qū)增強(qiáng)型目視檢驗(yàn)系統(tǒng)在檢驗(yàn)過程中具有有效的檢驗(yàn)靈敏度，需要對掃查軸的掃查速度進(jìn)行測試并加以限制。適用的掃查速度范圍需要通過檢驗(yàn)系統(tǒng)在模擬體試塊上進(jìn)行試驗(yàn)測試。

將分辨率試板布置在模擬體試塊內(nèi)圓角區(qū)，攝像頭與分辨率試板的距離為掃查時(shí)的最遠(yuǎn)距離。此時(shí)，攝像機(jī)掃過分辨率試板時(shí)相對線速度最大。調(diào)整攝像機(jī)，使分辨率試板位于圖像正中央。調(diào)整檢驗(yàn)裝置的掃查速度，使攝像機(jī)勻速運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)過程中觀察分辨率試板上0.025mm寬的金屬絲，調(diào)整鏡頭焦距和聚焦，使攝像頭經(jīng)過試板時(shí)觀察到的圖像清晰可見，記錄檢驗(yàn)裝置的掃查速度及攝像頭鏡頭參數(shù)。記錄完畢后，提高檢驗(yàn)裝置的掃查速度，重復(fù)上述步驟，測試更高運(yùn)動(dòng)速度下攝像頭的分辨能力。

經(jīng)過試驗(yàn)觀測，當(dāng)轉(zhuǎn)速≤4.0°/s時(shí)，攝像頭能夠清楚分辨出分辨率試板上0.025mm寬的金屬絲，滿足檢驗(yàn)靈敏度的技術(shù)要求。

3.1.4 攝像頭與被檢表面的水平夾角試驗(yàn)

將分辨率試板布置在模擬體內(nèi)圓角區(qū)，調(diào)整攝像機(jī)與分辨率試板的角度，角度變換過程中觀察分辨率試板上0.025mm寬的金屬絲，發(fā)現(xiàn)當(dāng)攝像頭角度與試板的水平夾角小于30°時(shí)，攝像頭無法清晰分辨出分辨率試板上0.025mm寬的金屬絲；當(dāng)攝像頭角度與試板的水平夾角大于30°時(shí)，攝像頭可以清晰分辨出分辨率試板上0.025mm寬的金屬絲。

同時(shí)經(jīng)過試驗(yàn)觀測，當(dāng)攝像頭觀測方向與分辨率試板上0.025mm寬的金屬絲的布置方向一致時(shí)，不易分辨出金屬絲。當(dāng)攝像頭觀測方向與分辨率試板上0.025mm寬的金屬絲的布置方向垂直時(shí)，容易分辨出金屬絲。

3.2 缺陷測量及定位試驗(yàn)

3.2.1 缺陷測量試驗(yàn)

反應(yīng)堆壓力容器接管內(nèi)圓角的增強(qiáng)型目視檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)缺陷顯示一般采用對比法對其進(jìn)行尺寸測量。首先選取兩個(gè)攝像頭激光點(diǎn)作為標(biāo)準(zhǔn)長度，抓取一副缺陷圖，用視頻軟件中的測長功能測量出缺陷長度與標(biāo)準(zhǔn)長度兩者的比例關(guān)系，從而計(jì)算出缺陷的長度值。

在反應(yīng)堆壓力容器接管內(nèi)圓角模擬體試塊上，缺陷反射體為軸向和周向表面開口裂紋，通過反應(yīng)堆壓力容器專用檢查裝置帶動(dòng)及攝像系統(tǒng)自身旋轉(zhuǎn)與俯仰的調(diào)整，將攝像頭對準(zhǔn)接管內(nèi)圓角模擬體的檢驗(yàn)區(qū)域進(jìn)行增強(qiáng)型目視檢驗(yàn)。測試結(jié)果如表3.1所示：

試驗(yàn)結(jié)果表明：反應(yīng)堆壓力容器內(nèi)圓角增強(qiáng)型目視檢驗(yàn)系統(tǒng)可以發(fā)現(xiàn)反應(yīng)堆壓力容器接管內(nèi)圓角模擬試塊中的裂紋缺陷，并且可以對缺陷長度進(jìn)行精準(zhǔn)測量。

3.2.2 缺陷定位試驗(yàn)

在模擬試塊上對所發(fā)現(xiàn)的軸向缺陷進(jìn)行軸向定位精度測量和軸向重復(fù)定位精度測量；

在模擬試塊上對所發(fā)現(xiàn)的周向缺陷進(jìn)行周向定位精度測量和周向重復(fù)定位精度測量；

經(jīng)測試，檢驗(yàn)裝置對于軸向缺陷的定位誤差為-4mm，軸向重復(fù)定位誤差為-2mm； 檢驗(yàn)裝置對于周向缺陷的定位誤差為5mm，周向重復(fù)定位誤差為2mm。

試驗(yàn)結(jié)果表明，反應(yīng)堆壓力容器內(nèi)圓角增強(qiáng)型目視檢驗(yàn)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對反應(yīng)堆壓力容器接管內(nèi)圓角模擬試塊中缺陷的精準(zhǔn)定位。

4 小結(jié)

通過實(shí)際試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果可以得出，反應(yīng)堆壓力容器內(nèi)圓角增強(qiáng)型目視檢驗(yàn)的相關(guān)技術(shù)參數(shù)應(yīng)滿足以下幾點(diǎn)：

1）攝像頭參數(shù)

變焦：≥2倍光學(xué)變焦，分辨率：≥530線；

2）在610mm的距離范圍內(nèi)，檢驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)能夠分辨出Jaeger測試表上J4字母；

3）檢查系統(tǒng)應(yīng)能清晰分辨出分辨率試板上寬度為0.025mm的金屬絲或人工傷；

4）圖像移動(dòng)速度應(yīng)不快于4.0°/s；

5）攝像頭與受檢對象表面所成視角不得小于30°；

6）攝像頭觀測方向與缺陷顯示的走向方向垂直時(shí)，更容易檢出缺陷；

7）檢驗(yàn)裝置應(yīng)有足夠的定位精度及重復(fù)定位精度。

通過以上論證和試驗(yàn)證明，反應(yīng)堆壓力容器接管內(nèi)圓角區(qū)增強(qiáng)型目視檢驗(yàn)技術(shù)能夠滿足檢驗(yàn)規(guī)范技術(shù)要求，可應(yīng)用于核電廠反應(yīng)堆壓力容器內(nèi)圓角區(qū)檢驗(yàn)。

【參考文獻(xiàn)】

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