,

(中核武漢核電運行技術(shù)股份有限公司，武漢 430223)

1 核電廠渦流檢測技術(shù)的主要特點

核電廠有各種熱交換器和承壓設(shè)備，這些核安全設(shè)備在投入運行前及正式運行后都必須按照相應(yīng)規(guī)范進(jìn)行無損檢測，即役前檢查(PSI)和在役檢查(ISI)。由于核電廠自身的特點，這些設(shè)備有的在放射性條件下運行，有的承受高溫高壓，因此對這些設(shè)備進(jìn)行定期檢測的周期較頻繁，其檢測規(guī)范和其他相關(guān)要求也更加嚴(yán)格。

渦流檢測技術(shù)在核電廠主要被應(yīng)用在蒸汽發(fā)生器傳熱管、冷凝器鈦管、高壓加熱器、低壓加熱器、設(shè)備冷卻水熱交換器和汽水分離再熱器換熱管等，以及反應(yīng)堆中子通量測量指套管、反應(yīng)堆壓力容器接管焊縫內(nèi)表面及近表面、反應(yīng)堆壓力容器主螺栓/主螺母、反應(yīng)堆壓力容器頂部貫穿件、控制棒束組件(RCCA)、底封頭貫穿件、控制棒驅(qū)動機構(gòu)(CRDM)密封焊縫等組件的檢測中。

核電廠設(shè)備及部件的渦流檢驗技術(shù)主要有以下一些特點：

(1) 采用多頻率渦流檢測技術(shù)。根據(jù)被檢對象的實際情況，通常會使用兩種或多種檢測頻率，各種頻率都有其定位或檢測方面的用途。在常見蒸汽發(fā)生器傳熱管的渦流檢測中，一般采用5種頻率，共10個檢測通道進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。在數(shù)據(jù)分析過程中，還將對不同頻率(通道)的信號加以綜合處理，用于某些特定的用途。

(2) 要求對缺陷進(jìn)行定位、定性和定量檢測。常規(guī)的渦流檢測對檢測出的缺陷只做“合格”、“不合格”判別，而民用核安全設(shè)備的渦流檢測必須對所報告的所有信號顯示進(jìn)行定性判定，即明確指出該顯示所處的位置和性質(zhì)，如果屬于材料損失性質(zhì)的缺陷信號，還應(yīng)給出某種當(dāng)量信息用以描述材料的損失量。

(3) 可用于蒸汽發(fā)生器二次側(cè)泥渣高度、外來物及管子之間接近距離的探測。對于核電廠的渦流檢測(尤其是核電廠蒸汽發(fā)生器傳熱管的渦流檢測)，會要求檢測一些“非缺陷類”的參數(shù)，如泥渣沉積高度測量、外來物檢測和接近管檢測等。由于渦流檢測具有非接觸性和快速的特點，在檢測這些“非缺陷類”參數(shù)時具有很大的優(yōu)勢，但這終究屬于間接測量方法，其測量的精確性仍然無法比擬傳統(tǒng)的直接測量方法。

(4) 核電廠渦流檢測處于放射性工作環(huán)境。顯而易見，放射性工作環(huán)境對從事渦流檢測工作的人員及設(shè)備的要求都很高，對于重復(fù)使用的設(shè)備或部件，還存在清洗去污、安全運輸及儲存的特殊工藝要求。

(5) 遠(yuǎn)程控制的自動渦流檢測。以蒸汽發(fā)生器傳熱管檢查為例，傳熱管屬于一回路壓力邊界，并處于非常高的放射性環(huán)境，具有20～30 m的長度和U型或異型結(jié)構(gòu)，并且管子支承結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一般采用遠(yuǎn)程操控自動化設(shè)備對渦流探頭進(jìn)行定位和輸送，并同時配合多頻渦流檢測儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

圖1 堆芯中子通量測量導(dǎo)向管及指套管布置示意

2 核電廠渦流檢測應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 反應(yīng)堆堆芯中子通量測量指套管檢測

除第三代核電外，反應(yīng)堆堆芯中子通量測量探頭是通過穿過反應(yīng)堆壓力容器底部的內(nèi)嵌有指套管的導(dǎo)向管伸入堆芯中進(jìn)行測量的(見圖1)。指套管的材料一般為316不銹鋼，根據(jù)核電廠堆型的不同，其數(shù)量和尺寸有所不同，一般內(nèi)徑約為5.2 mm，數(shù)量約幾十根,指套管全長范圍一般為14～17 m。在運行期間，一回路流體誘發(fā)振動，使指套管與導(dǎo)向管管口之間產(chǎn)生摩擦，進(jìn)而發(fā)生磨損乃至破損。目前對指套管磨損狀態(tài)監(jiān)督的有效方法是停堆期間(中子通量測量器抽出后)的內(nèi)穿式渦流檢測，檢測時通常選用A.188-T Bobbin探頭(外徑為4.775 mm，長度為31.75 m)，其填充系數(shù)可達(dá)84.3%，采用單邊磨損標(biāo)定管，對指套管磨損深度的分析方法為幅值判傷法(見圖2)。

圖2 指套管中磨損的渦流檢測信號

由流體誘發(fā)振動引起的指套管磨損，多發(fā)生在其外部導(dǎo)向管的內(nèi)徑產(chǎn)生變化處，具體部位有堆芯下柵格板、堆芯支撐板、儀表導(dǎo)管固定板和反應(yīng)堆壓力容器底封頭貫穿件等。

檢測實踐表明，指套管的磨損現(xiàn)象普遍存在，不同的核電廠其磨損程度有所不同。通常要求，如果磨損深度達(dá)到了50%T(T為壁厚)，需要進(jìn)行拔管移位處理；如果超過了65%T，則需要堵管或換管。

2.2 控制棒束組件的檢測

核電廠反應(yīng)堆控制棒束組件(Rod Cluster Control Assembly，以下簡稱RCCA)是控制核反應(yīng)堆功率的重要裝置之一。RCCA在長期運行的工況下，會產(chǎn)生腫脹、磨損及裂紋等缺陷。RCCA種類較多，如17×17型RCCA(見圖3)，但結(jié)構(gòu)大體相似?？刂瓢舻臋z測主要是針對不銹鋼包殼采用的渦流和超聲檢測。以17×17型RCCA為例，包殼的材料為AISI 316L 不銹鋼(滲氮)，其外徑為9.7 mm，內(nèi)徑為8.75 mm，壁厚為0.475 mm。渦流檢測方法能有效檢測出控制棒包殼的外表面裂紋和腫脹，可測量出裂紋軸向長度和位置。渦流檢測采用外穿式探頭，利用幅值分析方法判定裂紋顯示(見圖4)，通過數(shù)據(jù)的點數(shù)測量出裂紋的軸向長度，可通過相位角度來判定是否產(chǎn)生腫脹。

圖3 17×17型RCCA外觀

圖4 典型RCCA裂紋缺陷顯示渦流信號

2.3 蒸汽發(fā)生器傳熱管的渦流檢測

在壓水堆核電廠中，蒸汽發(fā)生器傳熱管是反應(yīng)堆冷卻劑(一回路)系統(tǒng)的壓力邊界，其面積占一回路壓力邊界的70%以上，是防止放射性裂變產(chǎn)物逸出的第三道安全屏障。核電機組堆型不同，蒸汽發(fā)生器傳熱管的材料、尺寸和數(shù)量也不盡相同(見表1)。

表1 不同核電廠蒸汽發(fā)生器傳熱管的主要參數(shù)

蒸汽發(fā)生器傳熱管的降質(zhì)主要發(fā)生在彎管區(qū)、脹管過渡區(qū)和支撐板處，以及傳熱管與防振條的微振磨損處等(見表2)。在渦流檢測中，對于防振條上的微振磨損類缺陷，一般選用磨損標(biāo)定管，并采用幅值分析法進(jìn)行檢測(見圖5)；對于類似點蝕的缺陷選用ASME(美國機械工程師協(xié)會)或RSE-M規(guī)范的標(biāo)定管(帶通孔和平底孔)，并采用相位分析法進(jìn)行檢測(見圖6)。

表2 蒸汽發(fā)生器傳熱管的缺陷類型和位置

圖5 防振條上的微振磨損渦流信號

圖6 支撐板上的應(yīng)力腐蝕裂紋渦流信號

在核電廠蒸汽發(fā)生器傳熱管的檢測實踐中，通常采用Bobbin 探頭對傳熱管進(jìn)行全長檢驗，然后對所發(fā)現(xiàn)的缺陷顯示采用旋轉(zhuǎn)探頭(MRPC)對存在異常的不確定顯示進(jìn)行補充檢驗，以實現(xiàn)對缺陷顯示的定性。渦流檢測不僅可以對傳熱管缺陷進(jìn)行分析，還可以對傳熱管進(jìn)行脹管輪廓測量、二次側(cè)泥渣高度測量等。在Bobbin 探頭信號的分析中，對脹管過渡段缺陷的分析存在一定的困難，可采用陣列探頭(Array)獲得較理想的分析結(jié)果。

檢測實踐中發(fā)現(xiàn)，少量蒸汽發(fā)生器傳熱管有接近堵管或達(dá)到堵管準(zhǔn)則的缺陷顯示。堵管的主要原因有：① 在防振條位置上產(chǎn)生了微振磨損，磨損深度接近堵管準(zhǔn)則；② 在支撐板位置上發(fā)生了應(yīng)力腐蝕，缺陷深度達(dá)到堵管準(zhǔn)則；③ 在管板上方(約50 mm位置上)產(chǎn)生了撞擊坑(運行過程中，二次側(cè)異物反復(fù)撞擊傳熱管)，坑的深度接近堵管準(zhǔn)則；④ 存在探頭不能通過的管子也進(jìn)行了堵管。

2.4 反應(yīng)堆壓力容器主螺栓或主螺母檢測

核電廠較大直徑的承壓螺栓主要包括核反應(yīng)堆壓力容器主螺栓和主泵主螺栓等，一般為雙頭螺栓，其直徑為90～160 mm,長度范圍為1～2 m。渦流檢測范圍是螺紋區(qū)的表面和近表面區(qū)域，在螺栓或螺母螺紋區(qū)的檢測中，渦流檢測具有靈敏度高，重復(fù)性好，檢測速度快等優(yōu)點，其目的是為了發(fā)現(xiàn)螺紋區(qū)的材料缺損(如腐蝕)和螺紋根部的裂紋。

圖7 標(biāo)定螺栓渦流信號

標(biāo)定螺栓或螺母上刻有深度分別為0.5，1.0，2.0 mm的3種不同的人工切槽。其中，深度為1.0 mm的人工切槽的渦流信號用于對反應(yīng)堆壓力容器主螺栓或主螺母的渦流檢測系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定；深度為0.5 mm的人工切槽的渦流信號用于設(shè)置檢驗記錄標(biāo)準(zhǔn)(見圖7)。采用差分連接頻率約為300 kHz的筆式渦流點探頭，并采用單頻幅值分析法對螺栓或螺母進(jìn)行渦流檢測。

由于渦流檢測的局限性，對于缺陷的定性和定量比較困難，可根據(jù)需要，采用其他檢測方法進(jìn)行補充與驗證。在檢測實踐中，螺栓或螺母上的缺齒、齒面磨損等顯示，需要通過目視檢測進(jìn)行補充檢測。

2.5 其他設(shè)備的渦流檢測

其他設(shè)備的渦流檢測主要有內(nèi)穿式渦流檢測和表面陣列渦流檢測，如余熱排出熱交換器、凝汽器換熱管、蒸汽發(fā)生器排污冷卻器、高壓加熱器、低壓加熱器、設(shè)備冷卻水熱交換器、汽水分離再熱器、工業(yè)水冷卻器等的傳熱管均采用內(nèi)穿式渦流檢測技術(shù)；反應(yīng)堆頂蓋貫穿件內(nèi)外表面、控制棒驅(qū)動機構(gòu)耐壓殼耐壓管的內(nèi)表面等均采用表面陣列渦流檢測技術(shù)。

3 核電廠渦流檢測技術(shù)發(fā)展展望

3.1 拓展應(yīng)用范圍

由于渦流檢測具有檢測速度快、不需要耦合劑和易實現(xiàn)自動化、可進(jìn)行表面和近表面檢測的特點，其在表面檢測上有了較大的應(yīng)用空間，如壓力容器內(nèi)表面、管道焊縫的外表面和法蘭密封面等。為了達(dá)到一定的覆蓋面積，表面檢測需要采用柔性陣列渦流檢測技術(shù)，同時借助探頭提離干擾的抑制技術(shù)，以適應(yīng)被檢對象的表面形狀?，F(xiàn)在陣列渦流儀已進(jìn)入實用階段，但柔性陣列渦流探頭技術(shù)仍未大幅度應(yīng)用在表面檢測上。

3.2 進(jìn)一步提高檢測靈敏度

為了提高核電廠換熱管的可達(dá)性，通常需要在換熱管的小彎管區(qū)采用柔性較好的專用Bobbin探頭，但是該種探頭的填充系數(shù)較小，檢測靈敏度相對較低，同時Bobbin探頭比旋轉(zhuǎn)探頭或陣列探頭的檢測靈敏度低。

旋轉(zhuǎn)探頭的檢測速度慢，實用性較差，而陣列探頭不僅檢測靈敏度高，而且可對缺陷進(jìn)行定性檢測，因此在進(jìn)一步提高陣列探頭的可靠性后，陣列檢測技術(shù)將有良好的應(yīng)用前景。

3.3 自動化分析和可視化3D顯示

在數(shù)據(jù)分析方面，目前還需要持有分析資質(zhì)和有一定實踐經(jīng)驗的分析人員進(jìn)行手動分析。核電廠傳熱管數(shù)量多，檢測工期長，而自動分析可減少人員數(shù)量，給檢測工作提供極大的便利，同時可縮短檢測工期。

借助于小波變換技術(shù)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、大數(shù)據(jù)和信息化技術(shù)等，可視化3D顯示將給缺陷的直觀識別帶來極大的便利。

3.4 渦流檢測新技術(shù)

隨著現(xiàn)代化步伐的加快，對檢測技術(shù)的要求越來越高。在物理、機械、電子、材料學(xué)科和計算機技術(shù)、換能器技術(shù)、信號處理技術(shù)、缺陷識別技術(shù)的發(fā)展與融入等方面，渦流檢測技術(shù)正在不斷得到新的發(fā)展、新的應(yīng)用，這大大促進(jìn)了現(xiàn)代檢測技術(shù)的發(fā)展，也必將使核電廠檢測技術(shù)水平不斷提高。