壓水堆核電站在役檢查用無損檢測技術(shù)發(fā)展概況

劉偉

摘 要

壓水堆核電站在運(yùn)行過程中，承壓機(jī)械部件容易受到溫度和應(yīng)力等因素的影響，部件材料的性能逐漸惡化，各類形式的裂紋產(chǎn)生，進(jìn)而影響機(jī)械部件的正常運(yùn)行與核安全生產(chǎn)?；诖?，本文以無損檢測技術(shù)作為研究對象，將該技術(shù)用于壓水堆核電站的在役檢查中，通過超聲檢測技術(shù)、射線技術(shù)與渦流檢測技術(shù)提高壓水堆核電站的無損檢測技術(shù)水平。

關(guān)鍵詞

壓水堆核電站;在役檢查;無損檢測技術(shù)

中圖分類號： TM623 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 17 . 67

0 引言

在壓水堆核電站的服役期間，相關(guān)人員應(yīng)定期進(jìn)行部分零部件的在役檢查，其中無損檢測技術(shù)指的是在不破壞核部件的前提下，采用物理或者化學(xué)手段，應(yīng)用先進(jìn)的信息技術(shù)對部件內(nèi)部與結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行狀態(tài)檢測，以此保證壓水堆核電站的安全運(yùn)行。眾多無損檢測技術(shù)中，滲透檢測與磁粉檢測技術(shù)是表面檢測方法，超聲檢測技術(shù)和射線檢測術(shù)語體積檢測方法。

1 壓水堆核電站在役檢查用無損檢測的基本要求

1.1 核電設(shè)備材料與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

由于壓水堆核電站一直處于特殊的工作環(huán)境，高溫高壓且強(qiáng)烈腐蝕狀態(tài)下，核電站對設(shè)備材料提出了較高的安全運(yùn)行要求。選用核電材料是應(yīng)考慮其強(qiáng)度、塑性以及韌性等力學(xué)性能，還要考慮材料的鍛造、焊接等工藝性能，并時(shí)刻觀察因輻照引起的材料性能變化。壓水堆核電站的回路系統(tǒng)內(nèi)包含反應(yīng)堆與壓力容器、冷卻劑主泵、蒸汽發(fā)生器、穩(wěn)壓器等，按照具體部件的位置與功能，選擇合適的材料十分必要。燃料包殼需要在高溫高壓、中子輻射的環(huán)境中工作，受冷卻劑循環(huán)力與燃料腫脹的作用影響，首選鋯合金材料。壓水堆核電站的堆內(nèi)構(gòu)件可選擇奧氏體不銹鋼與鎳基合金材料，管道使用奧氏體不銹鋼，反應(yīng)堆壓力容器使用低碳合金與內(nèi)部堆焊不銹鋼材料。經(jīng)總結(jié)發(fā)現(xiàn)，壓水堆核電站的回路系統(tǒng)中采用了大量耐高溫高壓、抗腐蝕性、抗輻射性較強(qiáng)的材料[1]。

1.2 無損檢測的基本要求

無損檢測是一種用于產(chǎn)品質(zhì)量控制或生產(chǎn)過程控制的手段，壓水堆核電站中的無損檢測應(yīng)將材料與部件自身特征相結(jié)合，選擇合適的檢測方法，確定合理的檢測流程，應(yīng)用相應(yīng)的檢測工具，從而保證無損檢測時(shí)不會(huì)對部件產(chǎn)生危害。壓水堆核電站回路系統(tǒng)中具有較強(qiáng)放射性物質(zhì)，設(shè)備在高劑量輻照環(huán)境內(nèi)工作，為保證壓水堆核電站正常運(yùn)行，應(yīng)對設(shè)備制造與安裝過程進(jìn)行無損檢測。在設(shè)備的設(shè)計(jì)階段，應(yīng)編制出科學(xué)合理且適應(yīng)性較強(qiáng)的技術(shù)規(guī)范，明確檢測流程，以保證檢測方法的實(shí)效性。在設(shè)備的制造階段，應(yīng)檢查其原材料與零部件，確保設(shè)備符合使用要求。在設(shè)備的安裝過程，應(yīng)對安裝現(xiàn)場的應(yīng)用性材料展開狀態(tài)檢測。壓水堆核電站的在役檢查具有一定危險(xiǎn)性，要求相關(guān)人員盡可能在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成檢測工作。

在檢查標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范方面，我國不同的壓水堆核電站采用了不同的檢查標(biāo)準(zhǔn)。比如秦山一期核電站采用了美國ASME檢查標(biāo)準(zhǔn)，秦山二期核電站采用了法國RSE-M檢查規(guī)范，秦山三期核電站采用了加拿大標(biāo)準(zhǔn)，大亞灣核電站、嶺東核電站、臺山核電站均采用的是法國RSE-M檢查規(guī)范。我國壓水堆核電站采用的在役檢查標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范具有復(fù)雜性與多樣性，核電站會(huì)直接采購NDT通用設(shè)備，安排具有國家核工業(yè)無損檢查資質(zhì)的人員進(jìn)行這項(xiàng)工作。

2 壓水堆核電站在役檢查用無損檢測技術(shù)發(fā)展

2.1 滲透檢測與磁粉檢查

在使用滲透檢測和磁粉檢測技術(shù)之前，起初人們會(huì)選用目視檢測方法，從而直觀找出設(shè)備或零部件表面的缺陷問題。當(dāng)檢測人員接近被檢測部位時(shí)，有時(shí)可以用肉眼進(jìn)行設(shè)備檢測，如果無法直接接近部件，可利用光學(xué)儀器與輔助設(shè)備完成檢測。目視檢測是壓水堆核電站常用的無損檢測方法之一，可觀察負(fù)水壓試驗(yàn)期間被檢測部件是否有泄露或變形等缺陷問題。針對壓水堆核電站的常規(guī)島在役檢查，目測檢測主要涉及汽輪機(jī)與發(fā)電機(jī)設(shè)備相關(guān)部件、壓力管道外部、壓力容器、輔助蒸汽鍋爐等部分，對于壓水堆核電站的在役檢查，應(yīng)對主回路系統(tǒng)、蒸汽發(fā)生器內(nèi)部不銹鋼堆焊層、穩(wěn)壓器堆焊層等部位進(jìn)行目視檢測。

壓水堆核電站的滲透檢測與磁粉檢測屬于兩種常見的設(shè)備表面檢測方法。其中滲透檢測以毛細(xì)管原理為基礎(chǔ)，檢測非金屬材料與非多孔性金屬材料的承壓設(shè)備在安裝使用過程中是否存在表面缺陷問題，這種無損檢測方法結(jié)合滲透劑與滲透劑去除方式的不同，其檢測也有著不同類型。在壓水堆核電站在役檢查中，人們常使用溶劑去除型著色滲透檢測方法，用于存在泄漏閥體或焊縫表面的檢測。對于焊縫的檢測范圍，具體如下：首先，被檢測區(qū)域應(yīng)包含焊縫熔敷金屬與焊補(bǔ)熔敷部位，兩側(cè)與焊縫邊緣之間的距離應(yīng)保持15mm上的熱影響區(qū)。其次，密封焊縫與焊縫邊緣之間的距離應(yīng)保持10mm以上的熱影響區(qū)。最后，支撐與容器、管道的連接焊縫，被檢測區(qū)域應(yīng)包含熔敷金屬與焊縫兩側(cè)10mm區(qū)域的可達(dá)部分。如果壓水堆核電站設(shè)備工作表面已經(jīng)發(fā)生磁化，應(yīng)在其上面施加磁粉，磁漏部位吸附磁粉的過程就是磁粉檢測方法，這一無損檢測方法適合用于鐵磁性材料的承壓設(shè)備焊接位置或零部件表面檢測，不適合用在奧氏體不銹鋼材料的檢測，常見的磁粉檢測方法主要有熒光磁粉檢測與非熒光磁粉檢測兩種。壓水堆核電站中采用了大量碳鋼材料和鐵磁性材料，使用磁粉檢測技術(shù)可以檢測出設(shè)備表面或開口處是否有缺陷，這一技術(shù)的檢測靈敏度比滲透檢測要高。當(dāng)前人們主要將磁粉檢測技術(shù)用于壓水堆核電站鐵磁性焊縫工作表面的檢測[2]。

2.2 超聲檢測技術(shù)

2.2.1 超聲相陣控技術(shù)

超聲檢測指的是應(yīng)用超聲波檢測與表征材料的缺陷、組織結(jié)構(gòu)，對材料性能展開專業(yè)評估的一種技術(shù)。該技術(shù)檢測靈敏性較強(qiáng)，成本較低，容易幫助壓水堆核電站實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作，而且超聲波檢測技術(shù)在應(yīng)用過程中不會(huì)對設(shè)備產(chǎn)生輻射或化學(xué)污染。在壓水堆核電站中，超聲檢測技術(shù)也是無損檢測的一種，常用于壓力容器對接焊縫以及角接焊縫部位的體積檢查，或用于壓力管道焊縫的表面檢查、汽機(jī)部件與鍛件內(nèi)部檢查。超聲檢測技術(shù)在使用時(shí)存在相應(yīng)缺陷，比如測試時(shí)對耦合劑過度依賴，探頭較大導(dǎo)致可達(dá)性下降，為彌補(bǔ)傳統(tǒng)超聲檢測技術(shù)的缺陷，并滿足壓水堆核電站無損檢測技術(shù)的應(yīng)用要求，隨著超聲檢測技術(shù)的發(fā)展，人們開始應(yīng)用超聲相陣控技術(shù)，通過對超聲列陣換能器內(nèi)各個(gè)陣元進(jìn)行控制，使陣元發(fā)射的超聲波偏轉(zhuǎn)聚焦，保持相位與幅度統(tǒng)一，在調(diào)節(jié)聚焦點(diǎn)的同時(shí)檢測壓水堆核電站設(shè)備復(fù)雜工件，最大限度上提升檢測的靈敏度。

隨著人們對超聲相陣控技術(shù)研究的深入，測試系統(tǒng)日益完善，最初該技術(shù)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展使超聲相陣控技術(shù)開始用工業(yè)領(lǐng)域，比如航天航空與核工業(yè)。這是一種無損檢測技術(shù)，圍繞檢測成果成像進(jìn)行目標(biāo)定位好復(fù)雜結(jié)構(gòu)的檢測，超聲相陣控技術(shù)在壓水堆核電站中發(fā)揮著重要的作用，汽輪發(fā)電機(jī)葉片結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要在特殊環(huán)境中工作，應(yīng)用超聲相陣控技術(shù)可以提高檢測精度，防止汽輪發(fā)電機(jī)葉片在拆卸時(shí)出現(xiàn)損傷。當(dāng)前，超聲相控陣技術(shù)、數(shù)字信號處理技術(shù)、成像技術(shù)的結(jié)合已成為壓水堆核電站在役檢查設(shè)備無損檢測的重要發(fā)展方向[3]。

2.2.2 激光超聲技術(shù)

高能量激光脈沖和物質(zhì)表面發(fā)生作用的過程中容易產(chǎn)生熱特性區(qū)，熱量擴(kuò)散引發(fā)熱應(yīng)力作用，因此產(chǎn)生超聲波。檢測超聲波可以達(dá)到檢測壓水堆核電站設(shè)備材料的效果，這就是激光超聲技術(shù)。與傳統(tǒng)的超聲檢測技術(shù)相比，激光超聲技術(shù)在應(yīng)用時(shí)不需要用到耦合劑，檢測速度快且精度高。隨著我國技術(shù)的發(fā)展，激光超聲技術(shù)對薄膜材料的檢測保持著高精度，該技術(shù)可以對曲面結(jié)構(gòu)、多層結(jié)構(gòu)等復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢查。同時(shí)，激光超聲技術(shù)可以用在高溫、高輻射以及腐蝕環(huán)境下，當(dāng)前壓水堆核電站沒有將激光檢測技術(shù)完全引入，人們還需要根據(jù)激光超聲技術(shù)定位的實(shí)際情況，結(jié)合壓水堆核電站復(fù)雜的工況對技術(shù)加以改進(jìn)[3]。

2.2.3 電磁超聲技術(shù)

基于洛倫茲力與磁致伸縮效應(yīng)而產(chǎn)生了超聲波，這種超聲波對技術(shù)導(dǎo)體的檢測技術(shù)就是電磁超聲技術(shù)。與以往的檢測技術(shù)相比，電磁超聲技術(shù)不用和工件接觸，檢測時(shí)不會(huì)產(chǎn)生污染，適合用于高溫環(huán)境下的檢測。憑借著電磁超聲技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢，該技術(shù)可以用于石油管道與壓力容器領(lǐng)域內(nèi)，從而對材料缺陷進(jìn)行檢測與定位，并測量出材料的厚度，這是一種無損檢測技術(shù)，可用在焊縫與鋼管材料檢測中。但電磁超聲檢測技術(shù)的靈敏度過高，容易受環(huán)境的影響，為了使其更好的用于壓水堆核電站中，有必要對技術(shù)加以改進(jìn)。應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化電磁激發(fā)裝置，做好回波信號的處理工作，結(jié)合電磁超聲導(dǎo)波技術(shù)與激光電磁超聲波技術(shù)，以此為基礎(chǔ)發(fā)展新的技術(shù)，維護(hù)壓水堆核電站的正常運(yùn)行與發(fā)展。

2.3 射線檢測與渦流檢測技術(shù)

射線檢測就是利用X射線、中子射線、γ射線為射線源，通過射線透照試件，查看試件內(nèi)部是否有缺陷，并結(jié)合衍射特性分析晶體結(jié)構(gòu)。在檢測鑄件時(shí)可以利用射線檢測技術(shù)了解其缺陷的形狀與大小，并確定缺陷分布范圍，射線檢測可以用在壓水堆核電站承壓設(shè)備、受壓元件安裝和使用過程中對接焊縫接頭的檢測。焊接時(shí)焊縫內(nèi)容易出現(xiàn)氣孔或夾渣等問題，射線檢測能夠較好地檢出體積型缺陷。在壓水堆核電站大修期間可以采用該技術(shù)檢測對接環(huán)焊縫。渦流檢測以電磁感應(yīng)原理為基礎(chǔ)，通過檢測工件內(nèi)部渦流變化來進(jìn)行導(dǎo)電材料的無損評定，渦流檢測方法適合用于承壓設(shè)備導(dǎo)電性技術(shù)材料、焊接接頭表面缺陷檢測。根矩試件的不同，也會(huì)用到不同形式的線圈，比如傳過式、探頭式以及插入式幾種，在壓水堆核電站中經(jīng)常用到插入式線圈進(jìn)行管子內(nèi)部檢測，比如凝汽器焊接鈦管和蒸汽發(fā)生器傳熱管的渦流檢測。

3 總結(jié)

總而言之，每一種無損檢測技術(shù)都具有特定的適用范圍，對于同一零件的缺陷，不同檢測技術(shù)的靈敏度也會(huì)不同。隨著技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)根據(jù)壓水堆核電站的環(huán)境特殊性選擇相應(yīng)的無損檢測技術(shù)，從而保證設(shè)備正常運(yùn)行，幫助壓水堆核電站消除事故隱患。

參考文獻(xiàn)

[1]鮑偉偉.壓水堆核電站核儀表系統(tǒng)典型故障分析與改進(jìn)[J].儀器儀表用戶，2019，26（12）：48-50+38.

[2]夏祖國.壓水堆核電站泄漏監(jiān)測原理及方案研究[J].儀器儀表用戶，2019，26（11）：83-86+93.