曾玉華，吳海林，韓　捷，王家建,陳　霞,陳勝宇

(中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)股份有限公司， 武漢 430223)

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臥式蒸汽發(fā)生器傳熱管渦流檢測缺陷信號的準(zhǔn)確性

曾玉華，吳海林，韓捷，王家建,陳霞,陳勝宇

(中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)股份有限公司， 武漢 430223)

摘要：分析了臥式蒸汽發(fā)生器傳熱管缺陷產(chǎn)生的原因，通過對含應(yīng)力腐蝕缺陷傳熱管的渦流檢測結(jié)果與缺陷解剖結(jié)果對比，分析了渦流檢測誤差產(chǎn)生的原因，總結(jié)出缺陷特性對測量結(jié)果的影響規(guī)律，為提高渦流檢測信號的準(zhǔn)確性提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：傳熱管;渦流檢測;誤差分析;測量準(zhǔn)確性

VVER-1000M臥式蒸汽發(fā)生器是核電站蒸汽供給系統(tǒng)中核安全的重要設(shè)備之一，是一、二回路間熱交換的樞紐，屬于一回路壓力邊界，因此對蒸汽發(fā)生器(特別是傳熱管)的在役檢查具有十分重要的意義。然而VVER-1000M蒸汽發(fā)生器在材料和結(jié)構(gòu)上具有特殊性，給蒸汽發(fā)生器傳熱管的檢測帶來許多困難。國內(nèi)某個機(jī)組蒸汽發(fā)生器傳熱管在調(diào)試過程中出現(xiàn)了大面積的氯離子應(yīng)力腐蝕，甚至出現(xiàn)了一些超標(biāo)的裂紋，盡管技術(shù)人員已對超標(biāo)的幾百根傳熱管實(shí)施了堵管，但仍有大量未超標(biāo)的傳熱管在使用中。故針對臥式蒸汽發(fā)生器傳熱管的缺陷進(jìn)行渦流檢測，對渦流檢測結(jié)果進(jìn)行分析，對減小渦流檢測的誤差具有重要意義[1-2]。

筆者通過對VVER-1000M蒸汽發(fā)生器高壓加熱器換熱管(以下簡稱高加管，其與蒸汽發(fā)生器傳熱管材料一致，尺寸非常接近)應(yīng)力腐蝕缺陷的渦流檢測與金相解剖數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，得到檢測誤差，分析了臥式蒸汽發(fā)生器傳熱管渦流檢測缺陷的準(zhǔn)確性。

1影響渦流檢測結(jié)果的因素

傳熱管有幾種不同的降質(zhì)機(jī)理，主要為一次側(cè)應(yīng)力腐蝕(PWSCC)、二次側(cè)垢下應(yīng)力腐蝕(ODSCC)、點(diǎn)蝕、微振磨損、凹陷等[3]。無論是VVER(水高能反應(yīng)堆)還是PWR(壓水反應(yīng)堆)機(jī)組，二回路水質(zhì)都是導(dǎo)致蒸汽發(fā)生器傳熱管降質(zhì)的最重要的原因，二回路水質(zhì)變劣將會使傳熱管經(jīng)歷結(jié)垢到應(yīng)力腐蝕再發(fā)展成裂紋的過程。而VVER-1000M采用臥式蒸汽發(fā)生器傳熱管，其發(fā)生應(yīng)力腐蝕缺陷的解剖圖片顯示缺陷在傳熱管上呈點(diǎn)坑和樹狀裂紋(點(diǎn)蝕+裂紋)分布，并且表面顯示有開口裂紋(見圖1及圖2)。

圖1　缺陷管應(yīng)力腐蝕缺陷金相

圖2　缺陷管表面開口裂紋

傳熱管的降質(zhì)情況是通過定期的渦流檢測進(jìn)行監(jiān)測的，目前渦流檢測是傳熱管檢測最有效的技術(shù)。然而與其他檢測技術(shù)一樣，渦流檢測也存在誤差。渦流檢測誤差包括檢測人員、檢測設(shè)備(包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和分析系統(tǒng)) 、使用的標(biāo)準(zhǔn)和檢測程序帶來的誤差，還包括缺陷的形狀(性質(zhì))、方向和尺寸大小等產(chǎn)生的誤差[4]。

在檢測實(shí)踐和試驗中發(fā)現(xiàn)：對于一個比較規(guī)則的缺陷，在不同的時間內(nèi)多次檢測或由不同的人員進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果相差不大；對于一個不規(guī)則的缺陷，不同的人員進(jìn)行檢測可能存在較大的差異，主要是缺陷顯示的不規(guī)則造成的，但對有豐富經(jīng)驗的人員，相互之間檢測的結(jié)果差異較小。因此，在正常情況下，設(shè)備及檢測人員不是檢測誤差產(chǎn)生的主要原因，而檢測方法產(chǎn)生的誤差(如實(shí)際缺陷的形狀、大小和方向與標(biāo)定管上人工缺陷的差異)是導(dǎo)致測量誤差的真正原因[5-7]。

2檢測準(zhǔn)確性分析流程

選擇退役的VVER-1000M蒸汽發(fā)生器高加管作為研究對象。由于退役的VVER-1000M蒸汽發(fā)生器高加管含有氯離子應(yīng)力腐蝕缺陷，且高加管的材料與蒸汽發(fā)生器傳熱管一致(材料皆為08X18H10T)，只在尺寸上有微小差別(蒸汽發(fā)生器傳熱管規(guī)格為φ16 mm×1.5 mm；高加管規(guī)格為φ16 mm×1.4 mm)。對于管徑不同(±0.1 mm誤差)帶來的檢測誤差問題，在此未考慮。

對高加管進(jìn)行軸繞式探頭(即Bobbin探頭)渦流數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)分析，并對已選定進(jìn)行解剖的高加管進(jìn)行旋轉(zhuǎn)探頭(即MRPC)數(shù)據(jù)復(fù)探及數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計，并通過滲透檢測方法(即PT)對渦流檢測已發(fā)現(xiàn)缺陷進(jìn)行定位及標(biāo)記。

將高加管缺陷解剖結(jié)果與渦流檢測結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)對比及分析，總結(jié)出缺陷各種特性對檢測結(jié)果的影響規(guī)律。對缺陷信號檢測準(zhǔn)確性分析流程如圖3所示。

圖3　缺陷信號檢測準(zhǔn)確性分析流程

3試驗過程

3.1高加管缺陷信號采集及分析

圖4　不同探頭對高加管的渦流檢測信號數(shù)據(jù)

采用ZETEC公司生產(chǎn)的MIZ-70渦流儀，以200 kHz作為主檢測頻率，采用型號為SBSU-11.5-LF-16M-4A/MS的Bobbin探頭進(jìn)行渦流檢測。以主頻通道下的差分通道做為主判傷通道，以標(biāo)定管上通孔缺陷在主頻通道下的信號響應(yīng)相位角為40°時的旋轉(zhuǎn)角度為基準(zhǔn)角度，幅值設(shè)置為10 V，并歸一化到其他通道，進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。再根據(jù)采集到的標(biāo)定管上缺陷響應(yīng)信號制作相位判傷曲線，依次對高加管自由段的缺陷信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采集分析及缺陷深度測量，由此獲得退役高加管上缺陷所產(chǎn)生的渦流信號數(shù)據(jù)，如圖4所示。

3.2擬解剖缺陷選擇及缺陷位置確定

為確保缺陷采樣的普遍性和針對性，按照缺陷深度分段原則，以幅值大于0.5 V,深度在管厚的30%～70%缺陷為主。共在不同的分段上選擇了41個缺陷，再利用滲透檢測方法對缺陷位置進(jìn)行標(biāo)記，以待解剖。缺陷定位及標(biāo)記示例如圖5所示。

圖5　缺陷位置確定及標(biāo)記示例

3.3高加管解剖和研磨

解剖和研磨工作內(nèi)容包括：試樣取樣、試樣制備、解剖分析、金相研磨、缺陷分析、微觀金相、缺陷檢驗、缺陷標(biāo)定等。

選取的41個試樣上均包含有渦流檢測和滲透檢測發(fā)現(xiàn)的缺陷，將含有缺陷的試樣線切割成兩段。對于PT顯示的軸向缺陷，從缺陷中間用線切割切開；對于PT顯示的“點(diǎn)狀”缺陷，從缺陷旁邊0.5 mm處用線切割切開；對于無明顯PT顯示的缺陷，從渦流檢測結(jié)果旁0.5 mm處用線切割切開，制取兩段試樣。將兩段試樣用冷鑲嵌的方式固定樣品，如圖6所示，鑲嵌好的試樣在外表面a側(cè)、b側(cè)做好標(biāo)記。從缺陷切面向兩邊研磨，每研磨0.5 mm左右，按照粗磨、細(xì)磨、拋光的方法觀察拍照，記錄缺陷的變化情況(如圖7～9所示)。

圖6　試樣冷鑲嵌固定示意

圖7　切割面示意

圖8　試樣取樣研磨面編號示意

圖9　缺陷擴(kuò)展原理示意

4試驗結(jié)果

4.1高加管檢測深度與解剖深度的誤差

整理解剖數(shù)據(jù)，只取幅值不小于0.5 V的樣本進(jìn)行統(tǒng)計，對高加管解剖深度與渦流檢測分析深度數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，得出缺陷解剖深度占管厚比與渦流檢測深度占管厚比的相關(guān)性圖，見圖10。

圖10　缺陷解剖深度與渦流檢測深度相關(guān)性

4.2渦流檢測方法中產(chǎn)生檢測誤差的原因分析

渦流檢測方法采用當(dāng)量對比的方法確定缺陷大小，通過繪制標(biāo)定管上人工缺陷大小和深度關(guān)系的曲線，將檢測信號相位或幅度值與標(biāo)準(zhǔn)曲線進(jìn)行對比，以此來確定缺陷的深度和大小。而實(shí)際缺陷的形狀、大小與人工缺陷的形狀、大小有所不同，有的甚至相差很大，因而檢測的準(zhǔn)確性就存在質(zhì)疑[8]。

在通常情況下，實(shí)際缺陷與標(biāo)定管上人工缺陷形狀和尺寸相近時進(jìn)行判定會較準(zhǔn)確;反之,實(shí)際缺陷與標(biāo)定管上人工缺陷形狀和尺寸差別越大，缺陷深度測量誤差就越大，誤差是由檢測方法引起的。此外,檢測探頭的直徑大小(填充系數(shù))對檢測結(jié)果也有影響，檢測探頭的直徑越大，缺陷信號幅值越大，缺陷信號相位值反而越小。

5結(jié)論

(1) 相同深度的缺陷，缺陷的大小不同，會導(dǎo)致深度檢測誤差不同。

(2) 在一定范圍內(nèi)，缺陷的深度相同，缺陷越大，則幅值越大;其相位角越小，深度檢測誤差越小；缺陷越小，則幅值越小;其相位角越大，深度檢測誤差越大。

(3) 缺陷的深度相同，大小不同時，則在一定的大小范圍內(nèi)缺陷大小與檢測的相位角成線性關(guān)系。

(4) 缺陷的深度相同，形狀不同時，即使測量幅值相同，測量深度誤差也不同，如通孔與裂紋。

(5) 檢測探頭的直徑不同，檢測的幅值和相位也不同。

(6) 就相同大小和形狀的缺陷而言,檢測探頭的直徑變大，則檢測幅值變大，且相位角變小。

參考文獻(xiàn):

[1]姚運(yùn)萍,韓捷.核電站管道缺陷渦流定量檢測的可靠性分析[J].核動力工程，2009,30(4):17-20.

[2]韓捷,廖述圣.蒸汽發(fā)生器傳熱管渦流檢驗中多缺陷信號判別的可靠性[J].無損檢測, 2010,32(12):935-939.

[3]丁訓(xùn)慎.核電站蒸汽發(fā)生器傳熱管的點(diǎn)腐蝕及其防護(hù)[J].腐蝕與防護(hù)， 2007,21(1):15-18.

[4]徐可北,周俊華.渦流檢測[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2006:21-39.

[5]JACKSON J D. Classical Electrodynamics [M] .北京:高等教育出版社, 2004:241-242.

[6]DAI X W R. Numerical simulation of pulsed eddy-current nondestructive testing phenomena[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 1990,26(6):3089-3096.

[7]MARK W C. Theory for coil impedance of a conducting half space: analytic results for eddy current analysis[J]. Journal of Applied Physics, 2001,89(4):2473-2481.

The Accuracy of Defect Measurement by Eddy Current Testing for Horizontal Steam Generator Tubes

ZENG Yu-hua, WU Hai-lin, HAN Jie, WANG Jia-jian, CHEN Xia, CHEN Sheng-yu

(China Nuclear Power Operation Technology Corporation Ltd., Wuhan 430223, China)

Abstract：The defect mechanism in horizontal steam generator tubes was analyzed, and the results of stress corrosion defects in the tube obtained by eddy current testing and metallographic analysis were compared. Furthermore, the reason of error due to eddy current testing was analyzed. The regularity of effect of different defect characters on testing results is presented.

Key words:Steam generator tube; Eddy current testing; Error analysis; Measurement accuracy

中圖分類號：TG115.28

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1000-6656(2016)01-0034-04

DOI:10.11973/wsjc201601009

作者簡介：曾玉華(1980-)，男，工程師，主要從事核設(shè)備無損檢驗技術(shù)研究和檢查工作。

收稿日期：2015-05-12