核電廠輔助管道相控陣超聲檢測裝置研制

李 杰，汪 濤，江小勇，許俊龍，李 庚

(中廣核檢測技術(shù)有限公司, 江蘇 蘇州 215021)

0 引言

核能作為主要清潔能源之一，已在一些國家規(guī)模應(yīng)用，它在帶來高效能源的同時，也具有其自身的原始危險屬性。從1979年的三哩島核事故到1986年的切爾諾貝利事故再到已經(jīng)發(fā)生十多年但至今仍對我國核電發(fā)展進(jìn)程產(chǎn)生重要影響的福島核事故[1-3]，無一不提醒著廣大核電從業(yè)者，核安全應(yīng)擺在核電發(fā)展中最重要的位置。1987年美國的Farley核電站以及1988年比利時的Tihange核電站均出現(xiàn)由于核電廠安全注入系統(tǒng)(safety injection system，RIS)的隔離閥泄漏，化學(xué)與容積控制系統(tǒng)上充管線的低溫水通過反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)(reactor coolant system，RCP)主逆止閥進(jìn)入一回路，產(chǎn)生了冷熱水混流，在RCP逆止閥的下游管段相繼出現(xiàn)泄漏性熱疲勞裂紋，即Farleytihange現(xiàn)象，此后，同類現(xiàn)象陸續(xù)在國內(nèi)外多個運(yùn)行的核電廠出現(xiàn)[4]。

國內(nèi)某核電廠自首臺機(jī)組投入商用以來已運(yùn)行20余年[5]，一回路輔助管道熱疲勞敏感部位存在發(fā)生疲勞裂紋甚至破裂的風(fēng)險，使電廠安全運(yùn)行風(fēng)險加大。當(dāng)前熱疲勞裂紋運(yùn)行監(jiān)督采用的目視、常規(guī)超聲和射線三種無損檢測方法存在效率低、缺陷檢出率低和定位定量困難等不足。相控陣超聲具有聲束角度控制靈活、信號圖像化處理、多角度檢測降低漏檢等優(yōu)點(diǎn)[6]，給核電廠輔助管道熱疲勞裂紋監(jiān)督檢測提供了新思路，但輔助管道現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，管道規(guī)格較多，設(shè)計成套專用掃查裝置從而準(zhǔn)確可靠地完成掃查工作具有非常重要的價值。下面旨在開發(fā)一套覆蓋輔助管道全部7種規(guī)格直管、彎頭和環(huán)焊縫位置的檢測裝置，可搭載相控陣超聲探頭對疲勞裂紋進(jìn)行檢測。

1 總體方案設(shè)計

1.1 管道掃查方式確定

國內(nèi)某核電廠1、2號機(jī)組一回路受湍流、冷熱混流以及死管段等引起的熱疲勞敏感區(qū)域，主要包含在高壓安注注入部分、冷端管線注入部分、冷端注入管線和余熱系統(tǒng)部分、余熱排出系統(tǒng)T型管段、穩(wěn)壓器波動管等位置，經(jīng)統(tǒng)計匯總，被檢對象管道涵蓋外徑2～14 in (1 in≈2.54 cm)共7種尺寸的直管、彎頭和環(huán)焊縫，材質(zhì)為鍛造奧氏體不銹鋼，詳細(xì)信息如表1所示。

表1 檢驗(yàn)對象詳細(xì)信息

熱疲勞管道涵蓋的管徑尺寸范圍為2～14 in，其中包含管道直管、彎管和環(huán)焊縫等區(qū)域的檢測需求，因此下面從管徑和被檢區(qū)域兩個角度對其進(jìn)行分類。

熱疲勞管道的管徑范圍覆蓋太廣，最小與最大管徑之間存在6倍多的差距，設(shè)計的管道掃查系統(tǒng)無法通過使用單一的工裝覆蓋所有被檢管道，根據(jù)管徑大小將被檢管道分為兩類，2～4 in劃分為中小管徑，6 in及以上劃分為大管徑。小管徑管道分布廣泛，環(huán)境復(fù)雜，所以檢驗(yàn)方式以手動為主，重要的檢查部位(如焊縫)可使用半自動掃查裝置進(jìn)行檢測。對大管徑管道可以實(shí)行自動檢測或半自動檢測。

熱疲勞管道上的被檢區(qū)域存在3種檢查類型的檢驗(yàn)對象(見圖1)，分別為直管母材區(qū)域、環(huán)焊縫區(qū)域和彎管母材區(qū)域。直管母材區(qū)域適合使用操作安裝簡便的自動化設(shè)備，減少檢驗(yàn)人員在輻射環(huán)境中的受照劑量，除此之外對于管線非常長的的直管，也有必要采用輕便的半自動掃查裝置進(jìn)行檢查；環(huán)焊縫區(qū)域的空間形狀相對簡單，可以使用自動或半自動掃查裝置進(jìn)行檢查；彎管母材區(qū)域在熱疲勞管線中既受到熱分層的沖擊，又受到轉(zhuǎn)彎湍流的影響，屬于易產(chǎn)生疲勞裂紋的區(qū)域[7]。由于彎管曲率的不斷變化，實(shí)現(xiàn)彎管自動掃查時會出現(xiàn)自動裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、安裝適應(yīng)性差的情況，對大管徑彎管需要設(shè)計使用半自動化掃查裝置進(jìn)行檢查，對中小管徑的直管和彎管，由于其尺寸較小，檢驗(yàn)覆蓋面小很多，建議使用手動檢查。

圖1 熱疲勞管道的3種檢驗(yàn)區(qū)域

根據(jù)以上分析對熱疲勞管道相控陣超聲檢測的掃查方式進(jìn)行分類，中小管徑管道環(huán)焊縫開發(fā)半自動的掃查裝置，其他采用傳統(tǒng)手動無坐標(biāo)掃查，大管徑管道直管母材區(qū)域和環(huán)焊縫區(qū)域可以依據(jù)現(xiàn)場環(huán)境選擇自動掃查或半自動掃查，彎管母材區(qū)域采用半自動掃查，詳見表2。

表2 管道被檢對象的掃查方式

1.2 總體布置方案

根據(jù)表2確定的被檢對象掃查方式，給出自動掃查和半自動掃查檢測現(xiàn)場布置方案(見圖2)，根據(jù)管道管徑和檢查對象特點(diǎn)選擇合適的自動掃查裝置或半自動掃查裝置。

圖2 檢查系統(tǒng)掃查裝置總體布置方案示意

對管道進(jìn)行檢測時，先將耦合劑涂在被檢管道上，然后將掃查裝置本體放置于管道上并裝夾，調(diào)整好超聲儀設(shè)置，掃查裝置初始定位完成后，開始按掃查計劃自動或半自動檢測，超聲儀接收探頭的超聲信號信息和掃查裝置探頭位置信息合成完整的檢測信息，直至完成計劃的采集內(nèi)容，最后終端計算機(jī)完成相控陣超聲信號的分析、缺陷定位和圖像處理，將檢驗(yàn)結(jié)果展示出來。

2 掃查裝置設(shè)計

根據(jù)各規(guī)格管道和被檢對象類型，結(jié)合調(diào)研的各式掃查裝置結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可規(guī)劃出各式掃查裝置的結(jié)構(gòu)形式，并形成掃查裝置設(shè)計方案。主要有大管徑直管自動掃查裝置、大管徑直彎管兩用掃查裝置和中小管徑環(huán)焊縫掃查裝置三種類型。

2.1 大管徑直管自動掃查裝置

目前應(yīng)用于直管的自動、半自動掃查裝置結(jié)構(gòu)有很多，總體可分為三類：鏈?zhǔn)脚佬薪Y(jié)構(gòu)、磁吸附小車結(jié)構(gòu)和固定導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及應(yīng)用案例見表3。

表3 直管掃查裝置結(jié)構(gòu)對比

核電廠輔助管道現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，管道為奧氏體不銹鋼材料，無法使用磁吸附結(jié)構(gòu)，因此需要受力結(jié)構(gòu)好、重量輕且安裝簡便的掃查裝置。經(jīng)過以上對比分析，現(xiàn)有的自動掃查器結(jié)構(gòu)無法滿足現(xiàn)場安裝便捷、結(jié)構(gòu)可靠穩(wěn)定的需求。下面提出一種開口齒環(huán)式的大管徑自動掃查器，采用開口齒環(huán)運(yùn)載架搭載探頭的結(jié)構(gòu)，開口的齒環(huán)可以穿過管道，兩側(cè)支腳將設(shè)備固定在管道上，使得設(shè)備整體架裝在管道上，避免懸臂情況存在，提高掃查器剛度，同時其重量較輕，擁有快卸裝置使得現(xiàn)場安裝更加便捷。全新的開口齒環(huán)結(jié)構(gòu)的大管徑直管自動掃查裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計模型見圖3。

圖3 大管徑直管自動掃查裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計模型

2.2 大管徑直彎管兩用掃查裝置

目前公開文獻(xiàn)中對用于彎管檢測的掃查裝置研究不多，調(diào)研到的彎管檢測掃查裝置只有浮動隨動輪結(jié)構(gòu)、磁吸附小車結(jié)構(gòu)和彎曲導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及應(yīng)用案例見表4。

表4 常用彎頭檢測結(jié)構(gòu)對比

核電廠輔助管道的材質(zhì)是奧氏體不銹鋼，無鐵磁性，而且管道現(xiàn)場需要裝置安裝操作方便，因此彎頭掃查裝置結(jié)構(gòu)無法應(yīng)用于上述檢測對象中。下面提出一種全新結(jié)構(gòu)的掃查裝置，利用彈性壓緊導(dǎo)向輪固定的環(huán)狀半自動掃查裝置，導(dǎo)軌上的周向模塊可以帶動探頭組件和編碼器周向運(yùn)動，能夠?qū)崿F(xiàn)對管道彎管的周向步進(jìn)軸向掃查，同時該裝置不受彎管或直管結(jié)構(gòu)限制，可進(jìn)一步適應(yīng)直管管道母材區(qū)域和環(huán)焊縫的掃查功能，設(shè)備操作簡單，適應(yīng)范圍廣。全新結(jié)構(gòu)的直彎管兩用掃查裝置詳細(xì)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計見圖4。

圖4 大管徑直彎管兩用掃查裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計模型

2.3 中小管徑焊縫周向半自動掃查裝置

中小管徑焊縫周向半自動掃查裝置一般采用滾輪＋鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，搭載旋轉(zhuǎn)編碼器，相控陣探頭安裝在鏈條之間，通過彈簧或卡箍將掃查器固定在被檢管道上并保持一定壓緊力，保證編碼器滾輪在周向掃查時做純滾動運(yùn)動，這是目前行業(yè)內(nèi)的通用掃查方法。鏈?zhǔn)綊卟檠b置可以根據(jù)管徑的變化通過增減鏈節(jié)的數(shù)量達(dá)到調(diào)節(jié)的目的，但隨著鏈節(jié)的增加會使掃查器剛性不足，因此對于管徑大一點(diǎn)的中型管道，設(shè)計一種抱箍式環(huán)焊縫掃查裝置，它由1個半圓圓箍和2個壓緊輪組成，2個壓緊輪通過扭簧將圓箍固定在管道上，該結(jié)構(gòu)可以解決鏈?zhǔn)綊卟槠鲃傂圆蛔愕膯栴}。依據(jù)上述思路，設(shè)計出兩種結(jié)構(gòu)的掃查裝置，其設(shè)計模型見圖5和圖6。

圖5 鏈?zhǔn)綊卟檠b置

圖6 抱箍式掃查裝置

3 實(shí)驗(yàn)性能驗(yàn)證

將設(shè)計的掃查裝置在預(yù)埋熱疲勞裂紋的模擬體上搭載相控陣超聲探頭進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證掃查性能。

經(jīng)過測試，設(shè)計的大管徑直管自動掃查裝置、大管徑直彎管兩用掃查裝置、鏈?zhǔn)綊卟檠b置和抱箍式掃查裝置均運(yùn)轉(zhuǎn)順暢，掃查功能全部實(shí)現(xiàn)。為了驗(yàn)證其機(jī)械定位精度，掃查裝置安裝后控制其運(yùn)動，對搭載的超聲探頭架組件實(shí)際軸向步進(jìn)位移和周向步進(jìn)角度進(jìn)行測量，測量結(jié)果與編碼器位置顯示對比，裝置性能試驗(yàn)結(jié)果見表5。結(jié)果表明，大管徑直管自動掃查裝置、鏈?zhǔn)綊卟檠b置和抱箍式掃查裝置定位精度高，大管徑直彎管兩用掃查裝置定位精度略差，所有掃查裝置定位精度均滿足掃查需求。

表5 掃查裝置性能試驗(yàn)結(jié)果

在模擬體管道上進(jìn)行大管徑直管自動掃查裝置、大管徑直彎管掃查裝置、鏈?zhǔn)綊卟檠b置、抱箍式掃查裝置的掃查實(shí)驗(yàn)，并得到相控陣超聲S掃、C掃、A掃和B掃信號顯示，結(jié)果表明探頭耦合良好，掃查器穩(wěn)定運(yùn)行，能夠滿足核電廠輔助管道直管、彎管和環(huán)焊縫的檢測需求。

4 結(jié)束語

以上從核電廠一回路輔助管道熱疲勞裂紋的無損檢測需求出發(fā)，根據(jù)輔助管道熱疲勞裂紋敏感區(qū)域管道特點(diǎn)設(shè)計一套多種類、系列化的管道掃查裝置，提高了輔助管道現(xiàn)場相控陣超聲檢測掃查定位的準(zhǔn)確性和可靠性，能夠完成管道環(huán)焊縫、直管和彎頭母材的掃查作業(yè)，為直管和彎頭檢測提供了一種新的成套解決方案。