核電站蒸汽發(fā)生器用690鎳基合金傳熱管制造過(guò)程中的渦流檢測(cè)

朱 鎮(zhèn)，江 華

(浙江久立特材科技股份有限公司，湖州 313028)

蒸汽發(fā)生器用690鎳基合金傳熱管是核電站一回路壓力邊界的關(guān)鍵部件，屬于核安全一級(jí)部件，傳熱管的質(zhì)量對(duì)核電站的安全性有重要影響。通常傳熱管設(shè)計(jì)使用壽命為60 a，且在高溫、高壓、強(qiáng)輻射、腐蝕、潮濕的環(huán)境下運(yùn)行，因此為了提高反應(yīng)堆的可靠性和安全性，在制造過(guò)程中需多次進(jìn)行渦流檢測(cè)來(lái)保證傳熱管的質(zhì)量，同時(shí)采集信號(hào)為后續(xù)在役檢測(cè)提供數(shù)據(jù)支撐。筆者對(duì)3次渦流檢測(cè)的時(shí)機(jī)、目的、參數(shù)設(shè)置、信號(hào)分析和驗(yàn)收評(píng)定結(jié)果進(jìn)行分析，并研究了整體消應(yīng)力熱處理對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，以期為蒸汽發(fā)生器傳熱管制造過(guò)程中的渦流檢測(cè)提供參考。

1 渦流檢測(cè)的時(shí)機(jī)和目的

所檢測(cè)的690鎳基合金傳熱管(見(jiàn)圖1)規(guī)格為17.48 mm×1.01 mm(直徑×壁厚)。傳熱管的制造工藝復(fù)雜，先由鋼錠經(jīng)過(guò)擠壓變形成為荒管管坯，再經(jīng)過(guò)反復(fù)多道軋制、矯直、固溶熱處理、酸洗、拋光等工序，最終變?yōu)樾枰某善罚善冯A段還需經(jīng)過(guò)各種檢測(cè)、試驗(yàn)、時(shí)效熱處理、消應(yīng)力熱處理、定尺等工序，最終合格才交付給客戶。

圖1 蒸汽發(fā)生器用690鎳基合金傳熱管實(shí)物

在整個(gè)制造過(guò)程中，應(yīng)分別使用外穿式和內(nèi)穿式線圈，采用單頻、多頻、絕對(duì)式、差動(dòng)式渦流檢測(cè)技術(shù)，對(duì)熱管至少進(jìn)行3次渦流檢測(cè)。

首次渦流檢測(cè)是在最終矯直及帶式拋光之后進(jìn)行超聲渦流聯(lián)合檢測(cè)，此時(shí)可稱(chēng)為直管外渦流檢測(cè)，其主要目的是檢測(cè)鋼管外壁缺陷。此時(shí)應(yīng)注意由于端部效應(yīng)，傳熱管兩端存在一定的盲區(qū)，應(yīng)在最終成品上切除。

第二次渦流檢測(cè)是在直管時(shí)效熱處理后、彎管前進(jìn)行，此時(shí)可稱(chēng)為直管內(nèi)渦流檢測(cè)，主要目的是控制信噪比，為提高和保證傳熱管在使用壽命中實(shí)施在役檢測(cè)的可行性。此時(shí)應(yīng)注意除盲區(qū)外，應(yīng)確保全長(zhǎng)范圍內(nèi)渦流噪聲水平數(shù)據(jù)采集的完整性。

第三次渦流檢測(cè)是在彎管、消應(yīng)力熱處理、水壓后進(jìn)行，此時(shí)可稱(chēng)為彎管內(nèi)渦流檢測(cè)，主要目的是檢測(cè)壁厚減薄、磨損、凹痕等缺陷信號(hào)。其中第1～17排，R(彎管半徑)<300 mm 的U形管通常要求在完成 U 形彎曲并進(jìn)行消應(yīng)力處理后進(jìn)行檢測(cè)，其余R≥300 mm 的U形管應(yīng)在完成U形彎曲后進(jìn)行檢測(cè)。

2 直管外渦流檢測(cè)

直管外渦流檢測(cè)采用的是在線自動(dòng)渦流檢測(cè)技術(shù)，一般和超聲檢測(cè)同時(shí)進(jìn)行。渦流檢測(cè)使用外穿過(guò)式差分線圈，渦流檢測(cè)線圈的尺寸應(yīng)與被檢管的尺寸相匹配，且填充系數(shù)大于0.7。一般采用內(nèi)徑為20 mm的線圈，推薦頻率為60 kHz，該頻率可以使得對(duì)比樣管上的標(biāo)準(zhǔn)人工缺陷信號(hào)幅值相近。直管外渦流檢測(cè)對(duì)比樣管結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 直管外渦流檢測(cè)對(duì)比樣管結(jié)構(gòu)

通常對(duì)比樣管需包含以下標(biāo)準(zhǔn)人工缺陷。

(1) 內(nèi)外表面均應(yīng)刻有最大長(zhǎng)度為12.7 mm，最大深度為0.08 mm，最大寬度為1.00 mm的周向槽。

(2) 3個(gè)在同一軸向位置沿周向間隔120°分布，最大直徑為0.78 mm，最大深度為0.78 mm的外壁平底孔。

(3)一個(gè)直徑為1.57 mm的貫穿單側(cè)管壁的通孔。

(4) 3個(gè)最大直徑為0.78 mm的通孔，其沿周向120°分布且在軸向方向分散分布，以避免相互干擾。

采用對(duì)比樣管上的標(biāo)準(zhǔn)人工缺陷調(diào)整靈敏度，使標(biāo)準(zhǔn)人工缺陷的最小信號(hào)幅值達(dá)到顯示屏滿屏高度的60%左右。檢測(cè)時(shí)在基準(zhǔn)靈敏度上提高2～3 dB作為掃查靈敏度。樣管的直管外渦流檢測(cè)結(jié)果如圖3所示，可見(jiàn)內(nèi)壁人工缺陷的信號(hào)幅度最小，只有保證了線圈內(nèi)壁人工缺陷的靈敏度，才可以保證整個(gè)管壁的檢測(cè)靈敏度。

圖3 樣管的直管外渦流檢測(cè)結(jié)果

傳熱管在進(jìn)行直管外渦流檢測(cè)時(shí)的驗(yàn)收評(píng)定較為簡(jiǎn)單，即通過(guò)幅值的大小來(lái)判定合格與否，只要渦流信號(hào)不超過(guò)閘門(mén)即判定為合格，產(chǎn)品的直管外渦流檢測(cè)結(jié)果如圖4所示。

圖4 產(chǎn)品的直管外渦流檢測(cè)結(jié)果

應(yīng)注意超過(guò)閘門(mén)的信號(hào)不應(yīng)都立即判定為不合格，且應(yīng)目視查看缺陷打標(biāo)處是否有明顯的缺陷，如無(wú)明顯缺陷，應(yīng)重新進(jìn)行渦流檢測(cè)復(fù)驗(yàn)。

同時(shí)，應(yīng)注意所有管子兩端均存在盲區(qū)，可通過(guò)對(duì)比樣管確定其盲區(qū)，盲區(qū)一般不大于200 mm，應(yīng)在報(bào)告中記錄并在最終成品時(shí)將盲區(qū)切除。

3 直管內(nèi)渦流檢測(cè)

直管內(nèi)渦流檢測(cè)信噪比的測(cè)量主要依靠數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析軟件。檢測(cè)探頭采用渦流內(nèi)穿過(guò)式差分線圈，要求填充系數(shù)不小于0.8，且不大于0.88，通常采用外徑為14.2 mm的線圈，線圈寬度為1.5 mm，線圈間距為1.5 mm；一般采用的頻率為630 kHz。

直管內(nèi)渦流檢測(cè)對(duì)比樣管結(jié)構(gòu)如圖5所示。對(duì)比樣管的尺寸、材料、熱處理工藝及表面狀態(tài)應(yīng)與被檢管的相同。用于信噪比檢測(cè)的對(duì)比樣管應(yīng)包含4個(gè)在同一軸向位置沿周向間隔90°分布，直徑為0.66±0.05 mm的通孔。

圖5 直管內(nèi)渦流檢測(cè)對(duì)比樣管結(jié)構(gòu)示意

在630 kHz差分通道下，將對(duì)比樣管上4個(gè)直徑為0.66 mm的通孔信號(hào)的相位設(shè)置為 40°，幅值(峰-峰值)設(shè)置為10 V，將信號(hào)調(diào)至為滿屏高度的80%。在一個(gè)標(biāo)定組開(kāi)始時(shí)采集對(duì)比樣管數(shù)據(jù)，連續(xù)采集3次作為起始標(biāo)定；在一個(gè)標(biāo)定組結(jié)束時(shí)采集對(duì)比樣管數(shù)據(jù)，連續(xù)采集3次作為結(jié)束標(biāo)定。直管內(nèi)渦流檢測(cè)樣管標(biāo)定結(jié)果如圖6所示。

圖6 直管內(nèi)渦流檢測(cè)樣管標(biāo)定結(jié)果

信噪比測(cè)量由軟件自動(dòng)完成，應(yīng)測(cè)量每根被檢管每個(gè)測(cè)量段的平均噪聲值，取最大平均噪聲作為被檢管的評(píng)價(jià)依據(jù)[2]。任意0.5 m長(zhǎng)直管段上信噪比平均值小于20的管子應(yīng)判定為不合格。產(chǎn)品的直管內(nèi)渦流檢測(cè)結(jié)果如圖7所示，紅色標(biāo)識(shí)即為低于20的超標(biāo)數(shù)值。

圖7 產(chǎn)品的直管內(nèi)渦流檢測(cè)結(jié)果

此時(shí)應(yīng)注意每個(gè)測(cè)量段重疊不低于6 mm。在結(jié)束標(biāo)定時(shí)，應(yīng)使用標(biāo)定數(shù)據(jù)對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行校驗(yàn)。如果4個(gè)直徑為0.66 mm的通孔信號(hào)幅值不超過(guò)(10±1) V，同時(shí)相位不超過(guò)(40±2)°，則系統(tǒng)校驗(yàn)合格。系統(tǒng)校驗(yàn)時(shí)若發(fā)現(xiàn)不合格，則應(yīng)重新建立數(shù)據(jù)采集標(biāo)定組，自上次校驗(yàn)以來(lái)的所有被檢管子應(yīng)在系統(tǒng)重新校準(zhǔn)后重新檢測(cè)。

另外注意此處信噪比要求在0.5 m長(zhǎng)度上的平均值不低于20，雖然較RCC-M標(biāo)準(zhǔn)(要求信噪比整體不低于7，局部不低于6)更為嚴(yán)格，但是可能會(huì)存在局部噪聲較大的問(wèn)題，而給在役檢查帶來(lái)較大困擾，因此信噪比接近20的區(qū)域應(yīng)特別關(guān)注局部噪聲。

4 彎管內(nèi)渦流檢測(cè)

彎管內(nèi)渦流檢測(cè)的難點(diǎn)主要是對(duì)采集的渦流信號(hào)進(jìn)行分析。探頭采用內(nèi)穿過(guò)式線圈[3]，要求填充系數(shù)應(yīng)不小于0.8，且不大于0.88，通常采用外徑為14.2 mm的線圈，線圈寬度為1.5 mm，線圈間距為1.5 mm。一般采用的頻率為630，320，160，35 kHz，分別對(duì)應(yīng)差分和絕對(duì)共8個(gè)通道。

彎管內(nèi)渦流檢測(cè)對(duì)比樣管結(jié)構(gòu)示意如圖8所示，對(duì)比樣管應(yīng)含有下列人工缺陷。

圖8 彎管內(nèi)渦流檢測(cè)對(duì)比樣管結(jié)構(gòu)示意

(1) 1 個(gè)貫穿單側(cè)管壁的通孔，其直徑為1.32 mm。

(2) 1 個(gè)直徑為2.8 mm的外壁平底孔，深度為壁厚的60%。

(3) 1 個(gè)直徑為4.8 mm的外壁平底孔，深度為壁厚的40%。

(4) 4 個(gè)直徑為4.8 mm的外壁平底孔，在同一軸向位置沿周向間隔 90°分布，深度為壁厚的20%。

在630 kHz差分通道下，將對(duì)比樣管上4個(gè)20%外壁平底孔所產(chǎn)生信號(hào)的峰-峰間幅值設(shè)置為4 V。以此為基準(zhǔn)，歸一化至其他通道。

然后，在一個(gè)標(biāo)定組開(kāi)始時(shí)采集對(duì)比樣管數(shù)據(jù)，連續(xù)采集3次作為起始標(biāo)定；在一個(gè)標(biāo)定組結(jié)束時(shí)采集對(duì)比樣管數(shù)據(jù)，連續(xù)采集3次作為結(jié)束標(biāo)定。彎管內(nèi)渦流檢測(cè)樣管人工缺陷對(duì)應(yīng)信號(hào)如圖9所示。

圖9 彎管內(nèi)渦流檢測(cè)樣管人工缺陷對(duì)應(yīng)信號(hào)

在渦流檢測(cè)過(guò)程中，傳熱管制造廠常發(fā)現(xiàn)的渦流信號(hào)類(lèi)型有皮爾格漂移(PDS)、差分自由段顯示(DFI)、磨損(MBM)、凹痕(DNG)、壁厚減薄(TWD)、彎管處正切信號(hào)(TAS)等。筆者對(duì)常見(jiàn)信號(hào)產(chǎn)生的原因和特征進(jìn)行了分析。

(1) 皮爾格漂移信號(hào)通常是由于軋機(jī)在連續(xù)軋制過(guò)程中發(fā)生卡頓而產(chǎn)生的，其在6號(hào)絕對(duì)通道上的信息較為明顯，垂直分量信號(hào)為有尖角的、開(kāi)口較大的山峰形狀，經(jīng)驗(yàn)證，6號(hào)通道垂直分量信號(hào)山峰向左表示壁厚變厚，山峰向右表示壁厚變薄，皮爾格漂移信號(hào)如圖10所示。

圖10 皮爾格漂移信號(hào)

(2) 差分自由段顯示通常由真空爐熱處理時(shí)，傳熱管受熱膨脹，管與管之間相互摩擦產(chǎn)生，信號(hào)主要在3，6號(hào)通道上顯示，表現(xiàn)為不規(guī)則的8字形，角度變化不規(guī)律，6號(hào)通道垂直分量需放大才會(huì)開(kāi)口，差分自由段顯示信號(hào)如圖11所示。

圖11 差分自由段顯示信號(hào)

(3) 磨損信號(hào)通常由表面修磨時(shí)產(chǎn)生的不連續(xù)引起。一般在6號(hào)低頻160 kHz絕對(duì)通道垂直分量上顯示[4]，開(kāi)口閉合，需放大才會(huì)開(kāi)口，不呈8字形顯示，磨損信號(hào)如圖12所示。

圖12 磨損信號(hào)

(4) 凹痕信號(hào)主要是由工件內(nèi)表面或外表面因軋制或碰撞產(chǎn)生的凹坑引起。通常在主頻率630 kHz差分通道上顯示，信號(hào)基本在水平方向[5]，形成8字形信號(hào)。內(nèi)表面凹痕相位在0°附近，深度越大，相位越大；外表面凹痕相位在180°附近，深度越大，相位越小。凹痕信號(hào)如圖13，14所示。

圖14 外表面凹痕信號(hào)

(5) 壁厚減薄信號(hào)主要是軋制過(guò)程中芯棒偏移導(dǎo)致厚度不均勻面引起。信號(hào)類(lèi)似于8字形，在1、3、5通道上顯示，相位隨頻率減小逐漸增大，且增大的更快。一般在之前的直管自動(dòng)超聲測(cè)厚工序中即會(huì)被發(fā)現(xiàn)并去除。壁厚減薄信號(hào)如圖15所示。

圖15 壁厚減薄信號(hào)

(6) 折疊信號(hào)一般是軋制時(shí)產(chǎn)生的裂紋、扎傷或擦傷在后續(xù)的冷軋中被疊壓在鋼管表面上又未熔合成牢固的金屬重疊而引起的。信號(hào)為扁平的8字形，通常在1、3、5通道上水平分量較大，相位通常為12°左右，根據(jù)折疊深度而略有變化。通常在之前直管內(nèi)渦流檢測(cè)工序時(shí)就會(huì)發(fā)現(xiàn)并去除。折疊信號(hào)如圖16所示。

圖16 折疊信號(hào)

(7) 停機(jī)信號(hào)主要是因?yàn)檐垯C(jī)突然停機(jī)而產(chǎn)生，一般發(fā)生在端部，在1、3、5通道水平分量上顯示較大信號(hào)。停機(jī)信號(hào)如圖17所示。

圖17 停機(jī)信號(hào)

(8) 彎管處正切信號(hào)是因?yàn)閺澒鼙诤褡兓a(chǎn)生，在直管和彎管連接的兩端都產(chǎn)生了較大的水平分量信號(hào)。對(duì)于記錄彎管處正切信號(hào)的管子，可采用目視或者接觸檢測(cè)的方法檢查有無(wú)異常，并將結(jié)果記入電子分析報(bào)告。彎管處正切信號(hào)如圖18所示。

圖18 彎管處正切信號(hào)

制造廠皮爾格軋制管的驗(yàn)收要求如表1所示。另外，實(shí)施彎管內(nèi)渦流檢測(cè)時(shí)還應(yīng)注意如下事項(xiàng)。

表1 皮爾格軋制管的驗(yàn)收要求

(1) 通常數(shù)據(jù)分析由3種分析人員實(shí)施，分別為一次分析人員、二次分析人員和決議分析人員。所有的數(shù)據(jù)必須在一次分析和二次分析后，由決議人員審核并決議出最終的分析結(jié)果。

(2) 應(yīng)控制采樣率和采集速度，一般要求每英寸(25.4 mm)不少于 30個(gè)采樣點(diǎn)。探頭采集數(shù)據(jù)的速度應(yīng)盡量保持均勻，并采用回拉的方式，這種方式受阻力變化較小，速度也較為穩(wěn)定。

(3) 對(duì)于小彎管渦流數(shù)據(jù)采集，應(yīng)至少分兩次進(jìn)行。第一次采集彎管區(qū)和標(biāo)識(shí)端直管段處數(shù)據(jù)，起始點(diǎn)應(yīng)包括彎管非標(biāo)識(shí)端切向過(guò)渡點(diǎn)，在探頭回拉時(shí)進(jìn)行采集，至管子標(biāo)識(shí)端結(jié)束；第二次采集彎管區(qū)和非標(biāo)識(shí)直管段處數(shù)據(jù)，起始點(diǎn)應(yīng)包括彎管標(biāo)識(shí)端切向過(guò)渡點(diǎn)，探頭回拉時(shí)記錄采集數(shù)據(jù)，至管子非標(biāo)識(shí)端結(jié)束。

5 整體消應(yīng)力熱處理對(duì)內(nèi)渦流檢測(cè)信號(hào)的影響

傳熱管在制造過(guò)程中，R<300 mm U形管，如第1～17排U形傳熱管，在冷彎時(shí)如果變形量過(guò)大，可能產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，因此需要進(jìn)行整體消應(yīng)力熱處理(RST)，而其余R≥300 mm 的U形管則不需要消應(yīng)力熱處理。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，采用電極加熱的局部熱處理方法對(duì)彎管段進(jìn)行消應(yīng)力熱處理時(shí)，在熱處理過(guò)渡區(qū)存在工藝加工信號(hào)[6]。針對(duì)整體消應(yīng)力熱處理是否產(chǎn)生新的工藝信號(hào)，是否對(duì)原有內(nèi)渦流信號(hào)有影響以及內(nèi)渦流檢測(cè)時(shí)機(jī)是選擇在消應(yīng)力熱處理之前還是之后的問(wèn)題，筆者通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行了研究。

對(duì)R<300 mm 的U形管，分別在整體消應(yīng)力熱處理前后采集數(shù)據(jù)，研究整體消應(yīng)力熱處理前后內(nèi)渦流數(shù)據(jù)的差異，分析整體消應(yīng)力熱處理是否給渦流檢測(cè)信號(hào)帶來(lái)變化。在差分通道上將標(biāo)準(zhǔn)管上Φ1.32 mm通孔相位設(shè)置為40°，絕對(duì)通道上Φ1.32 mm通孔噪聲設(shè)置為水平。主頻差分通道上將4個(gè)20%平底槽幅值設(shè)置為4 V，并進(jìn)行歸一化。隨機(jī)選取1～17排中7個(gè)彎管半徑的U形傳熱管，在消應(yīng)力處理前進(jìn)行U形管內(nèi)渦流信號(hào)的采集，采集過(guò)程中按照管材標(biāo)識(shí)逐一做好記錄，消應(yīng)力處理后采用與之前相同的設(shè)備等條件重新按照管號(hào)標(biāo)識(shí)進(jìn)行彎管內(nèi)渦流數(shù)據(jù)采集。部分U形傳熱管在消應(yīng)力前后的內(nèi)渦流信號(hào)對(duì)比如圖19所示。

圖19 部分U形傳熱管在消應(yīng)力前后的內(nèi)渦流信號(hào)對(duì)比

隨機(jī)選取7個(gè)不同彎曲半徑的U形傳熱管在消應(yīng)力熱處理前后的采集數(shù)據(jù)，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和匯總，其結(jié)果如表2所示。

由表2可以看出，整體消應(yīng)力熱處理工藝對(duì)內(nèi)渦流信號(hào)基本無(wú)影響，幅值和相位的變化也都在標(biāo)準(zhǔn)偏離范圍內(nèi)，同時(shí)也沒(méi)有出現(xiàn)因熱處理而產(chǎn)生的工藝信號(hào)(按照標(biāo)準(zhǔn)NB/T 20003.6—2010 《核電廠核島機(jī)械設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第6部分 管材制品渦流檢測(cè)》規(guī)定，幅值漂移≤±10%、相位漂移≤±2°)。

表2 U形傳熱管消應(yīng)力熱處理前后渦流檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

另外利用分析軟件對(duì)這7組U形傳熱管未變形的直管段也進(jìn)行了消應(yīng)力熱處理前后的信噪比自動(dòng)測(cè)量，對(duì)比發(fā)現(xiàn)噪聲水平?jīng)]有改變，幾乎一致。

U形傳熱管中隨機(jī)抽取的試樣不管是同一位置還是直管段的同一區(qū)段，消應(yīng)力熱處理前后的內(nèi)渦流采集數(shù)據(jù)都沒(méi)有顯著變化，說(shuō)明整體消應(yīng)力處理對(duì)傳熱管內(nèi)渦流信號(hào)基本無(wú)影響，內(nèi)渦流檢測(cè)時(shí)機(jī)可以選擇在整體消應(yīng)力熱處理之前，也可以在之后。

6 結(jié)語(yǔ)

對(duì)蒸汽發(fā)生器用690鎳基合金傳熱管制造過(guò)程中的渦流檢測(cè)方法進(jìn)行介紹，并研究了整體消應(yīng)力熱處理對(duì)渦流檢測(cè)的影響，得出以下結(jié)論。

(1) 直管外渦流檢測(cè)主要檢測(cè)外壁缺陷，使用幅值鑒別法進(jìn)行缺陷判定，檢測(cè)過(guò)程中受各種因素影響，產(chǎn)生的偽缺陷較多，應(yīng)通過(guò)復(fù)檢進(jìn)行最終判定。

(2) 直管內(nèi)渦流檢測(cè)的主要目的是控制信噪比(主要通過(guò)渦流軟件獲得)，從而提高和保證傳熱管在役檢測(cè)的可實(shí)施性。

(3) 彎管內(nèi)渦流檢測(cè)主要檢測(cè)內(nèi)壁缺陷，內(nèi)渦流信號(hào)通常比較復(fù)雜，需要通過(guò)對(duì)內(nèi)渦流信號(hào)的相位、幅值、位置和走向等進(jìn)行分析，且需要有豐富經(jīng)驗(yàn)的人員，通常要經(jīng)過(guò)一次分析人員、二次分析人員和決議分析人員才能得到最終判定結(jié)果。

(4) 整體消應(yīng)力熱處理工藝對(duì)內(nèi)渦流原有信號(hào)基本無(wú)影響，內(nèi)渦流檢測(cè)時(shí)機(jī)選擇在整體消應(yīng)力熱處理之前或之后都可以。