CPR1000核電機(jī)組凝汽器傳熱管渦流檢測策略對比與優(yōu)化

陳艷慧，梁鵬飛

(蘇州熱工研究院有限公司，蘇州 215004)

凝汽器是核電廠熱力循環(huán)系統(tǒng)的重要設(shè)備之一，其傳熱管數(shù)量較多，且運(yùn)行條件較為惡劣，在振動、磨損、沖刷等因素影響下，存在傳熱管泄漏的風(fēng)險。一旦傳熱管失效泄漏，會引起二回路水質(zhì)和化學(xué)性能指標(biāo)不佳，甚至?xí)?dǎo)致機(jī)組被迫停機(jī)停堆，直接影響到機(jī)組運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性[1-3]。

目前，對于CPR1000核電機(jī)組，檢測凝汽器傳熱管中缺陷及其擴(kuò)展趨勢的常規(guī)方法為渦流檢測法，通常安排在每次換料大修期間執(zhí)行傳熱管全檢或抽檢。通過對不同機(jī)組渦流檢測過程中檢測探頭、檢測計劃和檢測結(jié)果3個方面的對比分析，提出了渦流檢測的優(yōu)化策略，對后續(xù)其他機(jī)組檢測策略的制定，具有一定的指導(dǎo)作用。

1 各機(jī)組凝汽器傳熱管渦流檢測探頭對比

作為核電廠二回路上的關(guān)鍵設(shè)備，國內(nèi)CPR1000核電機(jī)組的凝汽器傳熱管材料通常為鈦管，其一般采用多頻渦流技術(shù)進(jìn)行檢測，使用內(nèi)穿式軸繞式探頭進(jìn)行管子的渦流檢測。

以某CPR1000核電機(jī)組A、B、C電站為例，其中，A、B電站每臺機(jī)組凝汽器有4個水室，C電站每臺機(jī)組凝汽器有6個水室，3個電站的傳熱管均有兩種尺寸，分別為外圍管束壁厚0.7 mm，內(nèi)部管束壁厚0.5 mm，具體檢測參數(shù)見表1。

從表1可知，3個電站機(jī)組均使用軸繞式探頭來實施凝汽器鈦管全長度的渦流檢測。對于相同壁厚管子，其外徑不同，所選用的探頭直徑不同，但是均可滿足渦流檢測填充系數(shù)的要求。另外，對于B、C電站，在探頭直徑相同的情況下，其0.7 mm壁厚鈦管的采集頻率設(shè)置相同，而0.5 mm壁厚鈦管的采集頻率不相同，這是因為頻率不僅與采用的儀器、探頭、所檢管材等有關(guān)，還需要根據(jù)對比試樣上不同深度人工缺陷的渦流響應(yīng)情況，多次調(diào)試后才能得到最佳檢測頻率。

表1 不同機(jī)組凝汽器參數(shù)列表

2 各機(jī)組凝汽器傳熱管渦流檢測計劃對比

2.1 A電站檢測計劃

每次大修采用“定檢+滿天星”的檢測方式，定檢指4個水室均固定對外圈壁厚為0.7 mm的正面受乏蒸汽中水滴沖蝕的傳熱管進(jìn)行檢測，具體見圖1中外圈紅點。滿天星抽查(圖1中內(nèi)部紅點)指每次大修時根據(jù)計劃安排更換一個水室做檢查。待4個水室全做完滿天星檢查后，增加一行進(jìn)行抽查。待4個水室滿天星抽查循環(huán)一次后，行號再進(jìn)行第二次循環(huán)，不過列號需與第一次循環(huán)檢測的管子錯開，如此下去，覆蓋水室內(nèi)部的傳熱管。

圖1 A電站凝汽器檢測計劃

2.2 B電站檢測計劃

B電站凝汽器水室內(nèi)鈦管分布及具體的抽檢計劃如圖2所示。每次大修時，對外圈受蒸汽直接沖刷的0.7 mm壁厚鈦管進(jìn)行全檢(圖2中外圈紅點)，0.5 mm壁厚鈦管每15排抽取一排進(jìn)行檢測(圖2中內(nèi)部紅點)，每次檢測的抽取排號較上一次檢測的下移一排，4個水室抽檢計劃相同，總體抽檢比例在13%左右。

圖2 B電站凝汽器檢測計劃

2.3 C電站檢測計劃

在第二次大修之前，C電站的抽檢策略與B電站相同。從第三次大修開始，在總結(jié)該電廠之前的檢驗結(jié)果和經(jīng)驗，以及綜合外部電廠經(jīng)驗反饋的基礎(chǔ)上，對該檢測計劃進(jìn)行了相應(yīng)的調(diào)整和修改，修改后的檢測計劃為：0.7 mm壁厚鈦管全檢(圖3中外圈綠點)，左右兩側(cè)前三個指縫內(nèi)外圈0.5 mm壁厚鈦管全檢(圖3中藍(lán)點)，其余0.5 mm壁厚鈦管由每15排抽取一排改為每12排抽取一排，且每個水室的起始抽取排號較前一個水室的下移兩排，每次檢測抽取的起始排號較上一次大修的下移一排，單次抽檢比例約為18%。單個凝汽器水室內(nèi)鈦管分布及具體的抽檢計劃如圖3所示。

圖3 C電站凝汽器檢測計劃

對比A、B、C電站凝汽器的檢測計劃可知，在制定檢測計劃時，易發(fā)生損傷的0.7 mm壁厚鈦管均已覆蓋檢測。但是，對于0.5 mm壁厚的外圈薄壁管和內(nèi)部管束的選取范圍，3個電站各不相同，具體對比如表2所示。

表2 不同機(jī)組凝汽器檢測計劃對比

(1) A電站覆蓋了易發(fā)生損傷的外圈厚壁鈦管，且每次選擇1個水室進(jìn)行滿天星檢測。對于實施滿天星檢測的水室，提高抽檢比例能增強(qiáng)發(fā)現(xiàn)缺陷的能力，特別對于內(nèi)部鈦管，可以獲得相對完整的缺陷分布信息。但是，由于檢測管子數(shù)量多，單個水室工期較長，且對鈦管的定位要求高，容易采錯管(接受檢測的管號與實際需要檢測的管號不一致)，存在潛在人為失誤風(fēng)險。同時，該檢測計劃僅覆蓋外圈厚壁鈦管，對外圈薄壁鈦管未進(jìn)行檢測。另外，單個水室實施滿天星檢測，即其他水室要在一個循環(huán)后才能重復(fù)檢測，該過程中存在內(nèi)部鈦管缺陷未及時跟蹤的風(fēng)險。

(2) B電站同樣覆蓋了外圈易發(fā)生損傷的壁厚0.7 mm的鈦管，同時每個水室固定內(nèi)部鈦管每15排抽一排，因此檢測計劃便于編制，且對于內(nèi)部區(qū)域鈦管的上一次檢測時間，比較便于識別。同時，每個水室內(nèi)部檢測計劃相同，有利于現(xiàn)場探頭的定位，大幅降低人為失誤致使管子采錯的可能性。但是，此檢測計劃，和A機(jī)組一樣，未能有效覆蓋外圈壁厚為0.5 mm的薄壁鈦管，且針對內(nèi)部0.5 mm壁厚鈦管，每15排抽取一排的檢測計劃，使得整個檢測范圍的覆蓋密度較低，因此對于一定范圍內(nèi)出現(xiàn)的缺陷管的發(fā)現(xiàn)能力不足。

(3) C電站除易發(fā)生損傷的外圈0.7 mm壁厚鈦管全檢外，增加了左右兩側(cè)前三個指縫外圈0.5 mm壁厚管線的鈦管檢測，提高了敏感區(qū)域的檢測覆蓋率。同時，與B電站不同，每個水室固定內(nèi)部鈦管由每15排抽一排改為每12排抽一排，抽檢比例有所提高。在各個水室內(nèi)缺陷的發(fā)生和分布較為一致的情況下，C電站的缺陷檢測能力高于A和B電站的，但是對單個水室小范圍缺陷管覆蓋密度依然不是很高，且發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重缺陷后，需要對其他水室相應(yīng)位置進(jìn)行擴(kuò)檢，對分析結(jié)果的反饋時效以及現(xiàn)場的響應(yīng)能力要求較高。

3 各機(jī)組凝汽器傳熱管渦流檢測結(jié)果對比

對冷凝器傳熱管實施渦流檢測，能夠有效地發(fā)現(xiàn)傳熱管大部分區(qū)域的常見缺陷，如凹陷、不通管、內(nèi)外傷和穿錯管等，且對于不同電站，每個冷凝器水室都應(yīng)根據(jù)歷次大修的缺陷情況，對部分缺陷管進(jìn)行跟蹤檢查，具體如表3所示。根據(jù)表3的電站檢查結(jié)果對缺陷進(jìn)行跟蹤對比可知，對于凹陷及內(nèi)外傷信號，均需要進(jìn)行跟蹤檢查，其中A、C電站基本相同，而B電站與A、C電站區(qū)別明顯，將凹陷跟蹤幅值提高到20 V，僅對于傷深≥20%壁厚，每個循環(huán)抽查一次。這樣雖會減少管子抽查數(shù)量，節(jié)約大修工期，但是對于凹陷幅值在10 -20 V之間以及10%壁厚≤傷深<20%壁厚的管子，在缺陷增長較快的情況下，會出現(xiàn)未及時跟蹤的風(fēng)險。

表3 不同電站的缺陷跟蹤及堵管標(biāo)準(zhǔn)

對于堵管要求，A、B、C電站標(biāo)準(zhǔn)明確，內(nèi)外傷在傷深>40%壁厚的鈦管需要堵管，以免泄漏并造成周圍附近管束出現(xiàn)損傷。另外，C電站額外明確了凹陷較多以及整體減薄區(qū)存在針孔狀外傷時需要堵管的要求，該要求與該電站冬季運(yùn)行時的特殊溫度工況有關(guān)。

4 凝汽器傳熱管渦流檢測策略優(yōu)化

自20102018年， CPR1000某群廠機(jī)組共發(fā)生6次凝汽器傳熱管斷裂致使機(jī)組停運(yùn)的重大事件，累計出現(xiàn)斷管18根，斷口24個。針對此類事故，在已有檢查策略上，提出如下優(yōu)化建議。

(1) 在檢查探頭的使用上，軸繞式探頭對裂紋的敏感性差，因此需要對分析中發(fā)現(xiàn)的磨損管的磨損位置及其分布情況加強(qiáng)關(guān)注，并注意分析鈦管是否有可能發(fā)生了超限振動。后續(xù)檢測中可以考慮使用內(nèi)穿式陣列渦流探頭對潛在損傷風(fēng)險較高的鈦管以及懷疑有缺陷的鈦管進(jìn)行補(bǔ)充檢查或進(jìn)行復(fù)檢，以此降低結(jié)構(gòu)信號引起的檢測誤差和漏檢率，從而為缺陷的形成機(jī)理和擴(kuò)展風(fēng)險分析提供數(shù)據(jù)支持[4-6]。

(2) 根據(jù)凝汽器鈦管渦流檢查的歷史檢查結(jié)果，結(jié)合群廠鈦管斷裂事件，發(fā)現(xiàn)凝汽器鈦管缺陷主要集中在表層管，內(nèi)層管未見斷管缺陷。例如A機(jī)組在第六次換料大修后，發(fā)現(xiàn)凝汽器側(cè)鈦管泄漏，對機(jī)組進(jìn)行停機(jī)實施氦氣查漏發(fā)現(xiàn)有2個水室共計8根鈦管發(fā)生泄漏，且泄漏管子包括外圍0.5 mm壁厚的薄壁管。目前CPR1000機(jī)組的大量檢查工作是針對斷裂風(fēng)險低的內(nèi)層管，對斷裂風(fēng)險高的表層鈦管有漏查風(fēng)險。因此，在后續(xù)制定檢查計劃時，建議以表層鈦管檢查為主，進(jìn)一步優(yōu)化布點方式，特別是應(yīng)對上部迎汽面的表層薄壁鈦管進(jìn)行全覆蓋檢查。例如，檢查計劃中加入上半部分原本不在固定檢測計劃內(nèi)的外圈非直接受蒸汽沖刷的薄壁鈦管，或是對于發(fā)生過外圈薄壁鈦管泄漏的機(jī)組，檢測計劃中加入所有的薄壁管。另外，電廠應(yīng)分析哪些區(qū)域的鈦管易發(fā)生超限振動，并將該類區(qū)域中的鈦管列入到固定檢查計劃中，使得鈦管渦流檢查范圍更加保守。

(3) 在檢查結(jié)果的處理上，對于含深度大于40%壁厚，出現(xiàn)多處凹陷且信號幅值較大的缺陷的傳熱管，需及時進(jìn)行堵管處理，以免泄漏造成附近管束的損傷。另外，對于外部其他電站的經(jīng)驗反饋，例如發(fā)生過斷管或是泄漏的傳熱管，需要對同類型機(jī)組的相同位置進(jìn)行拔管或堵管處理，避免再次發(fā)生泄漏，影響機(jī)組的運(yùn)行。

5 結(jié)語及展望

(1) 針對CRP1000核電同類型機(jī)組，凝汽器鈦

管渦流檢查計劃各不相同，在制定時均考慮了易發(fā)生損傷的外圈厚壁鈦管，但是對于外圈薄壁管和內(nèi)部管束的選取各不相同，建議后續(xù)制定檢查計劃時，將外圈薄壁管也列入檢查計劃內(nèi)，且對于內(nèi)部區(qū)域鈦管，需要根據(jù)歷史檢查結(jié)果和外部經(jīng)驗反饋，增加檢測密度，對歷史檢查出的缺陷持續(xù)跟蹤，避免再次發(fā)生泄漏。

(2) 目前國內(nèi)核電廠基本以基荷的形式運(yùn)行，后續(xù)可能會出現(xiàn)調(diào)峰或是長期臨停的負(fù)荷持續(xù)變化狀態(tài)。因此，除了在換料大修進(jìn)行凝汽器傳熱管檢查外，特別是甩負(fù)荷的非計劃停機(jī)后，可以考慮對外圈鈦管或易發(fā)生超限振動的區(qū)域中的鈦管補(bǔ)充進(jìn)行渦流檢測。同時，在傳統(tǒng)軸繞式探頭的基礎(chǔ)上，可考慮采用內(nèi)穿式陣列渦流探頭進(jìn)行補(bǔ)充檢查或是復(fù)檢，降低結(jié)構(gòu)信號引起的檢測誤差和漏檢率。

(3)在機(jī)組實際運(yùn)行過程中，引起傳熱管失效的因素較多，除了制定合理的檢查策略外，還需要結(jié)合凝汽器的設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行綜合管理，例如降低凝汽器管側(cè)水的流速，以減少沖蝕造成的鈦管磨損，必要時對凝汽器傳熱管局部換管或是預(yù)防性堵管等，以保證核電廠的安全、可靠運(yùn)行。