渦流檢測在核電站中的應(yīng)用

王元輝 肖鎮(zhèn)官 劉毅

【摘 要】在我國核電站的高速發(fā)展階段，核電設(shè)備可靠安全不容忽視，如何保證核設(shè)備的安全則成為重中之重。核電站在服役期間，定期對相關(guān)部件進(jìn)行在役檢查，渦流檢測作為無損檢測方法之一，發(fā)揮著其不可替代的作用。本文從渦流檢測在蒸汽發(fā)生器傳熱管、反應(yīng)堆螺栓/螺母、冷凝器鈦管等方面，描述了渦流檢測在核電廠中的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】渦流檢測;核電廠;無損檢測;應(yīng)用

中圖分類號： TM623 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）04-0242-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.04.094

Application of eddy current testing in nuclear power plant

WANG Yuan-hui1，2 XIAO Zhen-guan1，2 LIU Yi1，2

（1.Research Institute of Nuclear Power Operation， Wuhan Hubei 430074， China;

2.China Nuclear Power Operation Technology Co.，Ltd.，Wuhan Hubei 430223， China）

【Abstract】During the rapid development of nuclear power plants in China， the reliability and safety of nuclear power equipment cannot be ignored. As one of the nondestructive testing methods， eddy current testing plays an irreplaceable role in the in-service inspection of relevant components of nuclear power plants. This paper describes the application of eddy current testing in nuclear power plant， Such as the steam generator tubes， ?the reactor bolt/nut and the condenser Titanium tubes and so on.

【Key words】Eddy current testing; Nuclear power plant; Nondestructive testing; Application

1 背景

1991年，中國第一座核電站秦山核電站并網(wǎng)發(fā)電，結(jié)束了我國無核電的歷史。歷經(jīng)30年的核電發(fā)展，已建成了秦山、田灣、福清、海南等多個(gè)運(yùn)行核電基地。從“潮”起秦山，到“潮”涌海灣，從“國之光榮”到“國之重器”。30年來，中國核電先后建設(shè)了30萬、60萬、70萬、100萬、VVER、AP1000、華龍一號、快堆，中國核電續(xù)寫的奇跡每天都在上演，奪目的數(shù)據(jù)每天都在刷新，成為當(dāng)之無愧的“國家名片”。

隨著核電的穩(wěn)步發(fā)展，裝機(jī)容量逐年提升，核電機(jī)組越來越多。核電站在運(yùn)行期間，其承壓機(jī)械部件會受到輻照、溫度、壓力等多種因素的作用，導(dǎo)致部件材料性能惡化，各種形式的裂紋萌發(fā)并擴(kuò)展，從而對部件的正常運(yùn)行以及核安全產(chǎn)生重大影響。因此，在核電站服役期間應(yīng)定期對相關(guān)部件進(jìn)行在役檢查，以保證核電站的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，降低機(jī)組運(yùn)行期間的故障率提供技術(shù)保障。

2 渦流檢測概述

渦流檢測是無損檢測的主要方法之一，也是核電在役檢查不可或缺的檢查方法之一。渦流檢測技術(shù)是利用電磁感應(yīng)原理，通過測定被檢工件內(nèi)感生渦流的變化來無損評定導(dǎo)電材料及其工件的某些性能，或發(fā)現(xiàn)缺陷的無損檢測方法。

根據(jù)線圈的結(jié)構(gòu)主要分為軸繞式探頭、點(diǎn)式渦流探頭、旋轉(zhuǎn)探頭（RPC）等。軸繞式探頭是渦流檢測中最常見的探頭形式，一般用于管材的檢驗(yàn)。軸繞式探頭用于從管材的內(nèi)壁側(cè)進(jìn)行檢驗(yàn)或從管材的外壁側(cè)進(jìn)行檢驗(yàn)。此類探頭多用于管材、棒材、絲材等的在線檢測或出廠檢測，是傳熱管渦流檢測中使用最為廣泛、檢查速度最快、最經(jīng)濟(jì)有效的探頭種類。

點(diǎn)式渦流探頭具有較高的檢測靈敏度，通常用于表面及近表面缺陷的檢查，也適合于非金屬涂層測厚等應(yīng)用。常見的點(diǎn)式探頭結(jié)構(gòu)有平面線圈和柱狀線圈兩種，分別適用于平面和特殊曲面的檢查。 在民用核安全設(shè)備渦流檢驗(yàn)領(lǐng)域，點(diǎn)式探頭已經(jīng)在壓力容器主螺栓/主螺母檢查、主泵主軸等部件檢查中得到廣泛應(yīng)用。

旋轉(zhuǎn)探頭（RPC）實(shí)際是點(diǎn)式探頭結(jié)構(gòu)的延伸，它以平面線圈（Pancake Coil）或正交線圈（Cross Wind Coil）為基礎(chǔ)，附加旋轉(zhuǎn)裝置和類似直流電機(jī)換向刷的滑刷（Slip Ring），用于實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)與直線運(yùn)動同步進(jìn)行的螺線形掃查。旋轉(zhuǎn)探頭具有極高的檢測靈敏度但檢測速度大為下降。這種探頭通常用于對可疑顯示進(jìn)行三維顯示定性確認(rèn)，并且可以測量缺陷的軸向長度和周向?qū)挾?，但不具備對缺陷深度精確定量的能力。

3 在核電站的應(yīng)用

3.1 蒸汽發(fā)生器傳熱管的檢驗(yàn)

蒸汽發(fā)生器（Steam Generator）是核電站中的重要設(shè)備，承擔(dān)著一次側(cè)與二次側(cè)的熱交換任務(wù)，又是防止核泄漏的第二道屏障。蒸汽發(fā)生器進(jìn)行交換熱量，主要依靠內(nèi)部的數(shù)千根傳熱管，換熱面積占一回路壓力邊界總面積的80%以上，其安全重要性不言而喻。傳熱管的局部腐蝕及機(jī)械磨損是導(dǎo)致其承壓能力降低而破裂的原因。傳熱管遭受腐蝕及機(jī)械磨損的主要類型包括：一次側(cè)的應(yīng)力腐蝕、二次側(cè)的應(yīng)力腐蝕/晶界腐蝕、點(diǎn)蝕、凹痕， 耗蝕、微振磨損、機(jī)械損傷等。

因傳熱管數(shù)量比較大，在有限的時(shí)間需要完成傳熱管使用壽命的評估，目前最為快速有效的方法就是渦流檢驗(yàn)。蒸發(fā)器傳熱管檢查，主要采用了內(nèi)穿軸繞式線圈（Bobbin）對受檢蒸汽發(fā)生器傳熱管進(jìn)行全長度渦流檢驗(yàn)。Bobbin 探頭檢測技術(shù)能快速對傳熱管缺陷進(jìn)行檢測并確定缺陷深度，但在傳熱管的脹管過渡區(qū)附近有一定的檢驗(yàn)盲區(qū)，可能會導(dǎo)致脹管過渡區(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。

為了更有效和可靠地檢測出脹管過渡區(qū)出現(xiàn)的缺陷，需要使用渦流旋轉(zhuǎn)探頭（RPC）檢驗(yàn)技術(shù)對脹管過渡段進(jìn)行檢查，從而彌補(bǔ)Bobbin探頭檢驗(yàn)在脹管區(qū)存在盲區(qū)的缺點(diǎn)，使得在役檢查能夠覆蓋全部傳熱管的所有區(qū)域，充分保證了傳熱管的安全運(yùn)行。

3.2 在葉片檢測的應(yīng)用

核電站每個(gè)機(jī)組汽輪機(jī)包含有多個(gè)高壓缸和低壓缸，它們每側(cè)都有幾級葉片，葉片均有圍帶，葉片圍帶與圍帶之間通過連接片連成一體，連接片是最易產(chǎn)生缺陷的部位，由于圍帶連接片的位置較為隱蔽，進(jìn)行目視檢驗(yàn)及滲透檢驗(yàn)較為困難，不易發(fā)現(xiàn)裂紋，容易產(chǎn)生漏檢。為了消除隱患，確保裂紋缺陷準(zhǔn)確、可靠的檢出率，保證機(jī)組的安全運(yùn)，采用渦流檢驗(yàn)方法，可以消除裂紋這種常見缺陷。

檢驗(yàn)使用多頻渦流儀器，儀器的頻率選擇范圍較寬，有多頻檢測功能，有顯示器、打印機(jī)、模擬信號輸出、圖象存儲等多種輸出記錄功能，可配接各種類型的探頭。檢驗(yàn)使用差動點(diǎn)式探頭，采用采用以下兩個(gè)頻率進(jìn)行檢驗(yàn)， 主檢驗(yàn)頻率用來檢驗(yàn)連接片表面和近表面的缺陷;輔助檢驗(yàn)頻率可檢驗(yàn)到連接片的背面缺陷。標(biāo)定片為更換下的帶有真實(shí)缺陷的圍帶連接片，缺陷為貫穿性裂紋。調(diào)整標(biāo)定片的裂紋渦流信號，調(diào)整相位及走向，直至能準(zhǔn)確區(qū)分兇邊緣效應(yīng)、提離效應(yīng)、幾何形狀等非缺陷所產(chǎn)信號。

渦流檢驗(yàn)與目視檢驗(yàn)相配合，可以使目視檢驗(yàn)的靈敏度大大提高。引入渦流檢驗(yàn)方法后，通過在渦流檢驗(yàn)的記錄可疑信號的部位進(jìn)行重點(diǎn)目視檢驗(yàn)，使目視檢驗(yàn)的針對性大大增強(qiáng)，避免漏檢，將葉片產(chǎn)生的裂紋及其他缺陷檢驗(yàn)出，消除汽輪機(jī)組運(yùn)行期間的安全隱患。

3.3 在高壓加熱器的應(yīng)用

高壓加熱器是給水循環(huán)的一個(gè)重要組成部分，在高壓加熱器運(yùn)行期間出現(xiàn)的故障中，熱交換器管束泄漏事故是常見的故障的占70%以上，對高壓加熱器熱交換管束的檢測十分必要。

高壓加熱器熱交換管材質(zhì)一般為鐵磁性，因此常規(guī)渦流（Bobbin）檢測不適用，在役監(jiān)督、檢測的最有效手段就是遠(yuǎn)場渦流檢測技術(shù)，它是基于遠(yuǎn)場渦流效應(yīng)的一種檢測技術(shù)，內(nèi)置式探頭置于被檢測鋼管內(nèi)，探頭上有一個(gè)激勵(lì)線圈和一個(gè)（或兩個(gè)）檢測線圈（圖1）。除了具有一般渦流檢測的優(yōu)點(diǎn)以外，對鐵磁性導(dǎo)電管的內(nèi)外壁損失具有相同的靈敏度，而且不受集膚效應(yīng)的限制，便能使用一個(gè)探頭檢查出凹坑、裂紋和壁厚減薄等缺陷，有效預(yù)防熱交換管的泄漏，保障高壓加熱器安全運(yùn)行。

制作對比試樣的管材與被檢熱交換管應(yīng)為同批次，相同材質(zhì)。在對比試樣上加工不同的人工缺陷，例如通孔、不同深度和寬度的環(huán)形槽來模擬實(shí)際磨損缺陷等。在數(shù)據(jù)分析時(shí)，根據(jù)相位進(jìn)行分析評判，準(zhǔn)確對熱交換管進(jìn)行評估，保證高價(jià)加熱器的運(yùn)行安全。

3.4 在冷凝器等換熱器的應(yīng)用

冷凝器換熱管在常規(guī)火電廠和核能電廠中都是蒸汽側(cè)與冷卻水側(cè)的分水嶺，主要用于已完成發(fā)電的殘余熱量與海水進(jìn)行熱交換，使蒸汽凝結(jié)成水后重新進(jìn)入循環(huán)。根據(jù)各核電站發(fā)電機(jī)組功率大小及設(shè)計(jì)的不同，凝汽器換熱管的數(shù)量和尺寸也各不相同，壁厚0.6-0.7mm左右，長度約16m，數(shù)量約數(shù)千根。

換熱管處于蒸汽側(cè)與冷卻水側(cè)之間，為了有效地將蒸汽中的熱量帶走，必須在滿足工況的條件下盡可能采用薄壁管， 同時(shí)根據(jù)所采用冷卻水情況選擇不同材質(zhì)的管材，在核電廠一般選用鈦管。由于換熱管本身比較薄，經(jīng)歷一段時(shí)間運(yùn)行后，換熱管會出現(xiàn)壁厚減薄、磨損、凹陷等各種形式引起的泄漏現(xiàn)象。一旦出現(xiàn)泄漏，電廠一般都被迫降低功率停用堵管以免影響蒸汽側(cè)水的品質(zhì)。

根據(jù)凝汽器鈦管的特點(diǎn)，其在役檢查一般采用多頻渦流技術(shù)，使用內(nèi)插式探頭進(jìn)行檢查。一般從進(jìn)水側(cè)水室由人工對鈦管進(jìn)行定位并拉拔探頭，在探頭拉出的過程中完成數(shù)據(jù)采集，然后由數(shù)據(jù)分析工作站遠(yuǎn)程調(diào)用采集好的渦流數(shù)據(jù)完成數(shù)據(jù)分析。

冷凝器換熱管使用渦流檢測技術(shù)進(jìn)行檢驗(yàn)，可以檢測出換熱管的凹陷、裂紋、沖蝕的凹坑、壁厚減薄等缺陷，切實(shí)保證換熱管的安全使用。

3.5 在螺栓螺母的應(yīng)用

反應(yīng)堆壓力容器主螺栓/主螺母是固定反應(yīng)堆壓力容器本體和頂蓋的承力部件，長期在高溫高壓輻照環(huán)境下運(yùn)行，使用條件十分惡劣，是核動力裝置中重要的承壓易損部件，屬檢驗(yàn)規(guī)范規(guī)定的必檢部件。

主螺栓一般為雙頭螺栓，上部有供螺栓安裝和拆卸用的拉伸螺紋。其規(guī)格從M90到M160不等，長度大約1至2米，材料一般為碳鋼，屬于鐵磁性材料。一般有兩段緊固螺紋和一段拉伸用螺紋。在役運(yùn)行中的螺栓/螺母螺紋區(qū)的主要缺陷形式有應(yīng)力裂紋、氧化腐蝕、材料移位、變形（沖擊、敲擊）、磨損、過厚、加工缺陷、材料缺損、本底噪聲等。

渦流探頭為帶螺紋的楔型點(diǎn)式探頭，能較好的適應(yīng)螺紋區(qū)的形狀，使探頭對螺紋根部的裂紋具有較高的檢測能力，以滿足規(guī)范要求的檢測靈敏度。因此通過嚴(yán)格的質(zhì)量控制和定期檢測，確保其高效安全的運(yùn)行。

4 結(jié)論

渦流檢測在核電站不僅在上述設(shè)備中運(yùn)用，還應(yīng)用于反應(yīng)堆中子通量測量指形套管、設(shè)備冷卻水熱交換器、汽水分離再熱器、反應(yīng)堆壓力容器堆焊層、反應(yīng)堆壓力容器頂部貫穿件、控制棒束組件（RCCA）、底封頭貫穿件、CRDM密封焊縫、主泵主軸等。

隨著核電機(jī)組的增加，渦流檢測技術(shù)也在快速進(jìn)步發(fā)展，比如陣列檢測技術(shù)、脈沖渦流檢測技術(shù)等的研究。隨著渦流檢測技術(shù)的研究，在檢測靈敏度、定量等各方面都會有一定的提高，其應(yīng)用也會越來越廣泛。

【參考文獻(xiàn)】

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