楊崇安

(1.核動力運行研究所，武漢 430223；2.中核武漢核電運行技術(shù)股份有限公司，武漢 430223)

蒸汽發(fā)生器傳熱管旋轉(zhuǎn)探頭與陣列探頭渦流檢測技術(shù)對比

楊崇安1,2

(1.核動力運行研究所，武漢 430223；2.中核武漢核電運行技術(shù)股份有限公司，武漢 430223)

造成壓水堆核電站蒸汽發(fā)生器降質(zhì)的主要原因有晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕裂紋、減薄、凹痕、機械磨損、疲勞等。為了可靠地檢測出傳熱管的運行缺陷，分析了旋轉(zhuǎn)探頭與陣列探頭的特性，對兩種探頭的缺陷識別以及檢測能力進行了比較試驗，確定了傳熱管渦流檢測中使用旋轉(zhuǎn)探頭及陣列探頭的技術(shù)特點。

渦流檢測；旋轉(zhuǎn)探頭；陣列探頭

蒸汽發(fā)生器傳熱管出現(xiàn)降質(zhì)時，會給蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性帶來挑戰(zhàn)。壓水堆核電站蒸汽發(fā)生器的降質(zhì)主要由腐蝕和機械磨損引起，造成傳熱管降質(zhì)的主要原因有晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕裂紋、減薄、凹痕、機械磨損、疲勞等[1]。

一般采用軸繞式探頭(Bobbin)對蒸汽發(fā)生器傳熱管實施全管的渦流檢測。軸繞式探頭能快速對傳熱管的降質(zhì)進行檢測并確定缺陷深度。但是，當(dāng)裂紋和點蝕等顯示在同一區(qū)域時，Bobbin線圈無法區(qū)分；在脹管過渡段會有一定的檢測盲區(qū)，因此國際上目前采用旋轉(zhuǎn)探頭(MRPC)或陣列探頭(ARRAY)對缺陷進行定性，再對傳熱管脹管過渡段進行補充檢測的方法。

國內(nèi)在壓水堆核電站的傳熱管檢測中已經(jīng)部分使用過這些檢測技術(shù)，但還缺乏相應(yīng)的基礎(chǔ)性研究作為技術(shù)支撐，僅根據(jù)國外檢測經(jīng)驗開展檢測工作。筆者分析了旋轉(zhuǎn)探頭(MRPC)與陣列探頭(ARRAY)在此區(qū)域?qū)τ谌毕莸臋z測能力。

1 探頭線圈特性分析

旋轉(zhuǎn)探頭的工作原理是：自發(fā)自收渦流檢測單元在壓緊彈簧作用下貼合在傳熱管內(nèi)壁，并通過機械裝置傳動在傳熱管內(nèi)部做螺旋掃查，通過渦流儀及軟件對信號進行采集和處理后進行分析;同時，借由觸發(fā)裝置將每一周掃查的信號處理后再形成直觀C掃(C-Scan)三維圖。由于探頭貼合在管內(nèi)壁，該探頭的填充因子接近于100%，故檢測靈敏度非常高。

旋轉(zhuǎn)探頭的響應(yīng)取決于缺陷的取向和結(jié)構(gòu)。其一般由三個線圈組成：一個屏蔽扁平式線圈和兩個定向線圈(正交線圈)。扁平式線圈能量集中，對于裂紋的檢測較靈敏。正交線圈是一種將兩個方向的線圈按差分方式連接的線圈，其一個線圈沿軸向繞制，另一個沿周向繞制。繞制時應(yīng)使兩個線圈的磁場方向盡量與被檢材料中的缺陷方向相互垂直，從而增強確定缺陷方向和缺陷類型特征及其發(fā)展趨勢的能力。不同的排列旨在抑制線圈的提離效應(yīng)和幾何尺寸變化所造成的影響。由于是差分連接，它可以抑制緩慢變化的干擾信號，如脹管過渡段的直徑變化等。旋轉(zhuǎn)探頭結(jié)構(gòu)示意見圖1。

圖1 渦流旋轉(zhuǎn)探頭(MRPC)結(jié)構(gòu)示意

陣列渦流探頭的各陣元呈周向密布排列，并按照設(shè)計的時序模式交替運行，最終達到磁場及渦流場旋轉(zhuǎn)的目的，其效果等同于旋轉(zhuǎn)探頭的機械旋轉(zhuǎn)，同時接收線圈接收到的信號經(jīng)過電路放大后傳輸給渦流儀及軟件進行處理并呈現(xiàn)出來。并且，其將每個接收線圈的信號按照其物理周向排列位置組合起來后可形成直觀C-Scan三維圖。該探頭無需貼合傳熱管，且由于信號經(jīng)過了放大，抑制了提離效應(yīng)，故探頭檢測靈敏度接近旋轉(zhuǎn)探頭。陣列探頭結(jié)構(gòu)示意見圖2。

圖2 渦流陣列探頭(ARRAY)結(jié)構(gòu)示意

由于ARRAY探頭的收發(fā)式線圈是以時序控制的，不需要電機驅(qū)動線圈進行機械旋轉(zhuǎn)，因此較MRPC探頭渦流檢測，其檢測速度更快；檢查傳熱管時，可以從一側(cè)一次實施，實現(xiàn)全管檢查，即從一側(cè)就可完成冷熱兩側(cè)的脹管過渡段的檢測，大大地提高了檢測效率[2]。

2 試驗制備

2.1 試驗設(shè)備及數(shù)據(jù)采集、分析軟件

通過計算機控制多頻渦流儀和探頭推拔器對試驗樣管進行數(shù)據(jù)的采集和存儲，再用分析軟件調(diào)用試驗數(shù)據(jù)進行分析，從而得到試驗結(jié)果。

使用OMNI 200R渦流儀實現(xiàn)MRPC數(shù)據(jù)采集；使用TC7700渦流儀實現(xiàn)ARRAY數(shù)據(jù)采集；使用與渦流儀配套的軟件CEddy ANA-N和EV-1.6B，完成渦流數(shù)據(jù)采集和分析工作。

2.2 人工傷試驗管設(shè)計及制作

2.2.1 自由段不同類型缺陷試驗管

針孔試驗管：加工φ0.1～3 mm，深度為100%壁厚的貫穿性缺陷。

裂縫試驗管：加工深度為30%，40%，50%壁厚的軸向、周向槽缺陷。

平底孔試驗管：加工φ1.3,φ1.7 mm，深度為100%壁厚的通孔；φ2.0 mm，深度為82.9%壁厚的平底孔；φ4.8 mm，深度為42.4%壁厚的平底孔；φ4.8 mm,深度為19.4%壁厚的平底孔。

2.2.2 脹管過渡段不同類型缺陷試驗管

平底孔試驗管：加工φ1 mm，深度分別為100%，80%，60%，40 %，20%壁厚的平底孔；加工φ4.8 mm，深度為30%壁厚的平底孔。

裂縫試驗管：加工深度分別為100%， 80% ，60% ，40 % ，30% ，20% 壁厚且寬度為0.1 mm的電火花槽。

2.3 探頭頻率測試

首先基于試驗管的材料和尺寸進行了兩種探頭的參數(shù)測試，確定各類檢測探頭的頻率如下：

(1) MRPC探頭檢測頻率

MRPC探頭渦流檢測采用550,300,150,20 kHz作為檢測頻率。其中，300 kHz是檢測缺陷的主檢測頻率，550,150 kHz 是輔助檢測頻率，20 kHz是用于顯示定位的頻率；采樣率為1 200點·s-1，推拔器采集速度調(diào)至3 mm·s-1(回拉速度)。

(2) ARRAY探頭檢測頻率

陣列探頭渦流檢測采用550,300,150,20 kHz作為檢測頻率；采樣率為1 500點·s-1，推拔器采集速度調(diào)至500 mm·s-1(回拉速度)。

3 試驗過程

分別使用MRPC探頭，ARRAY探頭將直管段試驗管、脹管過渡段試驗管分別放入管板模擬試件中并固定，然后進行數(shù)據(jù)采集。

利用渦流分析軟件對上述兩種探頭采集的渦流數(shù)據(jù)進行分析得到測量數(shù)值。

(1) 使用MRPC探頭

直管段試驗管：點線圈和正交線圈都能檢測到的最小缺陷是φ0.2 mm以上的貫穿性缺陷；能夠較好地檢測出深30%壁厚以上裂縫試驗管、19.4%壁厚平底孔試驗管缺陷。檢測信號響應(yīng)如圖3所示。

圖3 MRPC探頭對直管段試驗管上缺陷的檢測信號響應(yīng)

脹管過渡段試驗管：可檢出的最小缺陷是深20%壁厚φ1 mm的平底孔，軸向最小缺陷是20%壁厚槽；正交線圈的探測能力優(yōu)于點線圈。檢測信號響應(yīng)如圖4所示。

圖4 MRPC探頭對脹管過渡段試驗管上缺陷的檢測信號響應(yīng)

(2) 使用ARRAY探頭

直管段試驗管：可以檢測出的最小缺陷是φ0.2 mm以上的貫穿性缺陷；能夠較好地檢測出深30%壁厚以上裂縫試驗管、19.4%壁厚平底孔試驗管缺陷。檢測信號響應(yīng)如圖5所示。

圖5 ARRAY探頭對缺陷的檢測信號響應(yīng)(針孔試驗管)

脹管過渡段試驗管:可以檢出的最小缺陷是深20%壁厚φ1 mm平底孔，軸向最小檢出缺陷是20%壁厚槽。檢測信號響應(yīng)如圖6所示。

圖6ARRAY探頭對脹管過渡段試驗管上缺陷的檢測信號響應(yīng)

4 試驗分析

依據(jù)法國RSEM《核電廠核島機械設(shè)備在役檢查規(guī)則》(97版)的要求對MRPC與ARRAY探頭的采集信號進行分析，經(jīng)綜合分析比較MRPC與ARRAY探頭的檢測結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：

(1) 兩種探頭直管段缺陷檢出能力基本相當(dāng)

對于針孔類缺陷可發(fā)現(xiàn)的最小缺陷尺寸為φ0.2 mm，而φ0.1 mm的針孔不可見；對于軸向或者周向裂紋,試驗管中所有裂縫缺陷(最小深度30%壁厚) 均清晰可見。

(2) 兩種探頭脹管過渡段缺陷檢出能力基本相當(dāng)

平底孔最小檢出缺陷是深20%壁厚，φ1 mm的缺陷,軸向槽最小檢出缺陷是深20%壁厚的缺陷;MRPC探頭的正交線圈較點線圈的檢測能力好，這是由于正交線圈是差分連接，可以抑制緩慢變化的噪聲信號。

(3) 數(shù)據(jù)分析方法不同

MRPC探頭檢測時，觀察數(shù)據(jù)主要是通過觀察長條圖和李沙育(Lissayous)圖形，發(fā)現(xiàn)顯示后用C掃圖觀察，確定缺陷的取向、性質(zhì)；然后再結(jié)合長條圖和Lissyous通道對缺陷進行定位或定量。ARRAY探頭檢測時，觀察數(shù)據(jù)直接用C掃圖掃查，發(fā)現(xiàn)顯示時在C掃圖中找出相應(yīng)通道的顯示進行定位或定量。

5 結(jié)語

分析了MRPC與ARRAY兩種不同類型渦流探頭的特性，對不同渦流探頭在傳熱管直管段及脹管過渡段上的缺陷進行了檢測能力的對比試驗，獲得了相關(guān)的試驗數(shù)據(jù)，確定了兩種探頭的檢測能力及缺陷的識別方法 ，能夠進一步提高MRPC及ARRAY探頭對缺陷的準確判別能力。

[1] 丁訓(xùn)慎.核電站蒸汽發(fā)生前傳熱管的降質(zhì)及其無傷檢測技術(shù)[J].無損檢測，2008,30(1):33-33.

[2] 廖述圣,韓捷.基于數(shù)值計算的蒸汽發(fā)生器傳熱管磁區(qū)渦流信號的判別研究[J].無損檢測,2013,35(4):28-32.

Comparison of Eddy Current Testing of Heat Transfer Tube of Steam Generator by Rotating Probe and Array Probe

YANG Chong-an1,2

(1.Research Institute of Nuclear Power Operation, Wuhan 430223; 2.China Nuclear Power Operation Technology Co., Ltd., Wuhan 430223, China)

The exchange tube of steam generator is the weak point of reactor′s primary circuit. Usually the degradation of PWR nuclear power plant steam generator is mainly caused by corrosion and mechanical wear which include intergranular corrosion, stress corrosion cracking, reduction, dent, mechanical wear, fatigue and etc. In order to detect the defects of heat transfer tubes with higher efficiency and reliability, this article aims to analyze their characteristics. A series of experiments were carried out for the comparison of the defect recognition and detection ability of these two types of probes. The ability of eddy current testing with these two kinds of probes was determined as well.

Eddy current testing; MRPC probe; Array probe

2016-09-07

楊崇安(1963-)，男，主要從事核行業(yè)無損檢測技術(shù)研究及技術(shù)服務(wù)工作。

楊崇安,E-mail:yangchongan@126.com。

10.11973/wsjc201704013

TG115.28

A

1000-6656(2017)04-0064-03