核電廠控制棒驅(qū)動(dòng)組件耐壓殼檢驗(yàn)技術(shù)研究

陳勝宇 王萬國 李瑞峰 陳川

摘 要

控制棒驅(qū)動(dòng)組件耐壓殼屬于一回路壓力邊界，其失效將直接導(dǎo)致一回路冷卻劑的喪失。2010年9月，國外某核電站6號(hào)機(jī)組大修期間，發(fā)現(xiàn)控制棒驅(qū)動(dòng)組件耐壓殼頭部密封區(qū)域存在裂紋顯示。為確定同類型國內(nèi)某核電機(jī)組是否存在類似缺陷，組織開展了無損檢驗(yàn)方法研究。本文著重介紹了針對(duì)控制棒驅(qū)動(dòng)組件耐壓殼渦流檢驗(yàn)方法研究，并確定具體的無損檢驗(yàn)方法和技術(shù)。

關(guān)鍵詞

耐壓殼;裂紋;渦流檢驗(yàn);控制棒驅(qū)動(dòng)組件

中圖分類號(hào)： TL351.5 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 08 . 07

Abstract

Control rod drive mechanism （CRDM） upper canopy belongs to primary loop pressure boundary， its failure will directly result in the loss of primary coolant. September 2010， during the 6th outage of one foreign nuclear power plant， found cracks on upper canopy seal area of the CRDM. To determine whether the domestic NPP， as the same type unit， have similar defects， the team is commissioned to research and develop nondestructive inspection technique. This paper highlights the research of eddy current inspection for CRDM upper canopy of nuclear NPP.

Key words

Canopy; Cracks; Eddy current inspection; CRDM

0 前言

2010年9月18日，國外某核電站6號(hào)機(jī)組實(shí)施大修，實(shí)施了反應(yīng)堆壓力容器頂蓋、控制棒驅(qū)動(dòng)組件及其他相關(guān)部件實(shí)施的檢查，對(duì)全部61組控制棒驅(qū)動(dòng)組件耐壓殼實(shí)施了無損檢驗(yàn)，共發(fā)現(xiàn)32根存在裂紋顯示。

作為經(jīng)驗(yàn)反饋，針對(duì)國內(nèi)同堆型的兩臺(tái)機(jī)組，需要對(duì)控制棒驅(qū)動(dòng)組件耐壓殼相似部位實(shí)施無損檢驗(yàn)，以確定是否存在類似缺陷。

1 國外核電站控制棒驅(qū)動(dòng)組件結(jié)構(gòu)及缺陷描述

國外核電站采用的控制棒驅(qū)動(dòng)組件結(jié)構(gòu)是俄羅斯水壓機(jī)設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)制造的ShEM-3型結(jié)構(gòu)。由螺栓、襯套、推力環(huán)、密封墊片、位置指示器和耐壓殼組成，其中位置指示器和耐壓殼采用一道密封。如圖1所示。

耐壓殼由三段焊接組成，分別為套管段（上部）、直管段（中部）和法蘭段（下部）。套管段材料為ХН35ВТ-ВД合金，直管段和法蘭段的材料為08X18H10T不銹鋼。

國外此核電站6號(hào)機(jī)組使用渦流、超聲和滲透檢驗(yàn)方法發(fā)現(xiàn)的缺陷產(chǎn)生在耐壓殼頭部?jī)?nèi)側(cè)從？諂107mm到？諂97mm R=0.4mm的變徑區(qū)域（圖2）。該部位在一回路壓力邊界以內(nèi)，它的失效導(dǎo)致的后果是一回路冷卻劑外泄。

2 國內(nèi)核電站耐壓殼檢驗(yàn)區(qū)域的確定

為了實(shí)施國內(nèi)同堆型核電站控制棒驅(qū)動(dòng)組件耐壓殼的檢驗(yàn)，需要科學(xué)合理地選擇無損檢驗(yàn)方法和實(shí)施方案。主要需考慮的檢驗(yàn)方法對(duì)缺陷有足夠的檢出靈敏度，以確保所有缺陷都能夠被發(fā)現(xiàn)，同時(shí)還要結(jié)合檢驗(yàn)方法的可實(shí)施性、人員輻射最優(yōu)化原則和檢驗(yàn)工期等因素，盡量減少檢驗(yàn)實(shí)施對(duì)大修工期的影響。

國內(nèi)核電站控制棒驅(qū)動(dòng)組件采用的是改進(jìn)型ShEM-3型控制棒驅(qū)動(dòng)組件，在結(jié)構(gòu)上與國外核電站6號(hào)機(jī)組所使用的有所區(qū)別，主要是將原設(shè)計(jì)型結(jié)構(gòu)中的一道密封改為兩道密封，耐壓殼的結(jié)構(gòu)尺寸也由原設(shè)計(jì)型的兩段式內(nèi)徑尺寸（？諂107、？諂97）改為三段式（？諂107、？諂101、？諂97）。耐壓殼材料不變。

從耐壓殼的結(jié)構(gòu)上可以看出，改進(jìn)型控制棒驅(qū)動(dòng)組件耐壓殼應(yīng)力最集中的位置是從？諂97mm到？諂107mm的過渡區(qū)域，對(duì)比原設(shè)計(jì)型耐壓殼結(jié)構(gòu)及缺陷產(chǎn)生部位，這也正是最容易發(fā)生缺陷的部位。因此該區(qū)域也被確定為檢驗(yàn)部位。具體檢查區(qū)域詳見圖3。

3 檢驗(yàn)方法的選擇

3.1 耐壓殼檢驗(yàn)具體渦流技術(shù)的選擇

根據(jù)國外核電站的實(shí)施經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合國內(nèi)同堆型核電廠大修策略及現(xiàn)場(chǎng)條件。確定使用機(jī)械自動(dòng)化的渦流探頭掃查方式，對(duì)耐壓殼上部?jī)?nèi)弧面區(qū)域進(jìn)行渦流檢驗(yàn)。實(shí)現(xiàn)機(jī)械自動(dòng)化的掃查方式并不困難，在此方面國內(nèi)已有較多成功開發(fā)和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，關(guān)鍵是需對(duì)渦流檢驗(yàn)方法的具體檢驗(yàn)技術(shù)細(xì)節(jié)進(jìn)行了考慮，選擇最行之有效的技術(shù)方案，下面對(duì)兩種渦流檢驗(yàn)技術(shù)分別進(jìn)行了分析。

3.1.1 多點(diǎn)線圈實(shí)施的可行性分析

渦流多點(diǎn)線圈能與耐壓殼內(nèi)表面結(jié)構(gòu)完全匹配，使多點(diǎn)線圈探頭覆蓋所有軸向被檢區(qū)域，探頭只需旋轉(zhuǎn)一周即可覆蓋所有軸向被檢區(qū)域，通過渦流儀及渦流軟件的處理，生成長(zhǎng)條圖及李沙育圖渦流信號(hào)進(jìn)行分析評(píng)定。其中，2個(gè)臺(tái)階面區(qū)域分別單獨(dú)使用單點(diǎn)線圈探頭進(jìn)行檢驗(yàn)。多點(diǎn)線圈渦流探頭結(jié)構(gòu)見示意圖4。

多點(diǎn)線圈渦流探頭的優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟，成本較低且制作簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)是受耐壓殼內(nèi)表面變徑區(qū)域（即兩個(gè)臺(tái)階區(qū)域）的渦流邊緣效益和提離效應(yīng)影響較大，邊緣及提離信號(hào)會(huì)對(duì)重點(diǎn)關(guān)注的缺陷響應(yīng)信號(hào)產(chǎn)生干擾，甚至缺陷響應(yīng)信號(hào)會(huì)淹沒在邊緣效益和提離效應(yīng)的綜合干擾信號(hào)中，導(dǎo)致無法對(duì)缺陷信號(hào)有效識(shí)別。

3.1.2 陣列探頭實(shí)施的可行性分析

渦流陣列探頭與傳統(tǒng)的渦流檢測(cè)技術(shù)相比，雖然也是多線圈的結(jié)構(gòu)，但使用線圈的絕對(duì)數(shù)量更多，可多達(dá)三十多個(gè)。這些線圈分兩組縱向分布，在多路復(fù)用器控制下實(shí)現(xiàn)周向和軸向缺陷收發(fā)式檢查內(nèi)表面變徑區(qū)域（包括兩個(gè)臺(tái)階區(qū)域）。探頭只需旋轉(zhuǎn)一周即可覆蓋所有軸向被檢區(qū)域，通過渦流儀及渦流軟件的處理，生成C-SCAN三維信號(hào)進(jìn)行分析評(píng)定。渦流陣列探頭結(jié)構(gòu)見示意圖5。

渦流陣列技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是激勵(lì)（又稱發(fā)射）與檢測(cè)（又稱接收）線圈之間形成兩種方向交互垂直的電磁場(chǎng)傳遞方式。線圈的這種排布方式，有利于發(fā)現(xiàn)取向不同的線形缺陷，還具有容易克服和消除邊緣效應(yīng)和提離效應(yīng)影響的優(yōu)勢(shì)。缺點(diǎn)是開發(fā)和制作難度較大，成本相對(duì)較高[1]。

國內(nèi)核級(jí)部件在役檢查已用到渦流陣列技術(shù)的案例不多，對(duì)于檢驗(yàn)對(duì)象是平面或弧面的檢驗(yàn)對(duì)象尚未有經(jīng)驗(yàn)可循。但借鑒外國同行及國內(nèi)其他行業(yè)，比如航空、石油行業(yè)等行業(yè)，渦流陣列技術(shù)實(shí)施表面及弧面對(duì)象檢驗(yàn)已有大量成功應(yīng)用案例。

綜上所述，考慮到耐壓殼內(nèi)表面徑變區(qū)域的復(fù)雜情況，會(huì)造成多點(diǎn)線圈渦流探頭較多的干擾信號(hào)，而采用陣列渦流探頭進(jìn)行耐壓殼內(nèi)表面的檢驗(yàn)有利于抑制這些干擾信號(hào)，從而保證對(duì)徑邊區(qū)域的缺陷信號(hào)有較高的識(shí)別能力。針對(duì)耐壓殼檢驗(yàn)區(qū)域的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，渦流陣列技術(shù)是更好的選擇，但仍需對(duì)渦流陣列技術(shù)應(yīng)用到耐壓殼徑變區(qū)域?qū)嵤z驗(yàn)的可行性進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

4 陣列探頭可行性驗(yàn)證試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)試塊人工缺陷的確定

首先選取材料電磁特性較為接近的奧氏體不銹鋼制作一比一尺寸的試塊。

參照ASME Section V 2013版中Article 8 Appendix VI《表面渦流探頭檢測(cè)非磁性金屬表面缺陷》[2]，對(duì)非磁性金屬平板及弧面檢驗(yàn)對(duì)象的表面檢驗(yàn)靈敏度要求能檢出6mm長(zhǎng)×0.25mm寬，深度最小為0.25mm的槽型人工缺陷。針對(duì)耐壓殼上部的檢驗(yàn)區(qū)域結(jié)構(gòu)特征，需加工如下要求的人工缺陷，以驗(yàn)證渦流陣列探頭對(duì)耐壓殼內(nèi)表面徑變區(qū)缺陷的檢出靈敏度。具體人工缺陷類型要求如下：

A：一個(gè)內(nèi)表面上覆蓋整個(gè)檢驗(yàn)區(qū)域的縱向EDM槽，12.7mm寬×1mm深;

B：一個(gè)內(nèi)表面上與縱向呈45°夾角的螺旋EDM槽覆蓋整個(gè)檢驗(yàn)區(qū)域，4.8mm寬×1mm深;

C、D和E：三組內(nèi)表面上不同深度的軸向線性EDM槽，均為6mm長(zhǎng)×0.25mm寬，深度最小一組為0.25mm;

F、G和H：三組內(nèi)表面上不同深度的周向線性EDM槽，均為6mm長(zhǎng)×0.25mm寬，深度最小一組為0.25mm;

Ⅰ：在上部臺(tái)階的根部，一組不同深度的周向線性EDM槽，6mm長(zhǎng)×0.25mm寬，最小深度為0.25mm;

Ⅱ：在下部臺(tái)階的根部，一組不同深度的周向線性EDM槽，6mm長(zhǎng)×0.25mm寬，最小深度為0.25mm。

若渦流陣列檢驗(yàn)探頭能發(fā)現(xiàn)徑變區(qū)域根部的最小人工缺陷（即兩臺(tái)階根部6mm長(zhǎng)×0.25mm寬×0.25mm深的槽型缺陷），便能夠確認(rèn)該技術(shù)檢驗(yàn)?zāi)蛪簹さ目尚行?。?yàn)證試塊及人工缺陷見圖6和圖7。

4.2 試驗(yàn)采用的渦流系統(tǒng)選擇

線圈類型：32線圈渦流陣列式探頭（耐壓殼內(nèi)表面仿形結(jié)構(gòu)）

渦流儀：Ectane-2多頻多通道數(shù)字化渦流儀

數(shù)據(jù)采集及分析軟件：Magnifi 3.5R6

工作站：DELL臺(tái)式工作站

掃查方式：編碼反饋周向自動(dòng)掃查

4.3 測(cè)試結(jié)果匯總

從此次驗(yàn)證試驗(yàn)的結(jié)果來看，針對(duì)國內(nèi)核電站控制棒驅(qū)動(dòng)組件耐壓殼內(nèi)表面徑變區(qū)域而設(shè)計(jì)的渦流陣列探頭組，在耐壓殼一比一試驗(yàn)試塊上已進(jìn)行的測(cè)試項(xiàng)目中呈現(xiàn)結(jié)果匯總見表2，渦流信號(hào)見圖8、9。

5 結(jié)論

針對(duì)國內(nèi)某核電站控制棒驅(qū)動(dòng)組件耐壓殼的無損檢驗(yàn)研究，確定使用近年渦流無損檢驗(yàn)領(lǐng)域最新技術(shù)成果—陣列渦流技術(shù)，對(duì)耐壓殼實(shí)施無損檢驗(yàn)。

渦流陣列技術(shù)試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果顯示，設(shè)計(jì)和研制的控制棒驅(qū)動(dòng)組件耐壓殼檢驗(yàn)專用陣列探頭的檢測(cè)能力，滿足ASME Section V 2013版中Article 8 Appendix VI《表面渦流探頭檢測(cè)非磁性金屬表面缺陷》中，對(duì)非磁性金屬平板及弧面檢驗(yàn)對(duì)象的表面檢驗(yàn)靈敏度的要求。可以認(rèn)定本文介紹的32線圈仿形渦流陣列探頭技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)對(duì)控制棒驅(qū)動(dòng)組件耐壓殼易產(chǎn)生缺陷部位的徑變區(qū)域進(jìn)行有效的無損檢驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

[1]任吉林，林俊明，徐可北.渦流檢測(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

[2]ASME Boiler & Pressure Vessel Code， 2013 Edition.