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(中廣核檢測技術(shù)有限公司，蘇州 215026)

中子通量測量系統(tǒng)是核電廠重要的核級儀控系統(tǒng)，用于反應(yīng)堆堆芯中子通量密度測量的探頭導(dǎo)向管簡稱指套管。CPR1000堆型指套管是長約17 000 mm,走向近似“L”型的316不銹鋼管，其直徑為8.6 mm，壁厚為1.7 mm。反應(yīng)堆正常運(yùn)行期間，指套管固定在導(dǎo)向管里，導(dǎo)向管焊接在壓力容器底封頭貫穿件上，并貫穿二次澆灌混凝土生物屏蔽構(gòu)筑物，延伸到堆芯儀表間里的密封段。換料期間，將指套管從給定的堆芯高度抽出到堆芯底部，以避免干擾燃料組件吊裝。如果指套管變形凹陷，會影響其正常堆芯中子通量的測量，同時指套管又是一回路壓力邊界，需要定期使用渦流檢測方法對指套管進(jìn)行監(jiān)督檢查。筆者對主要影響測量結(jié)果的線圈響應(yīng)范圍進(jìn)行了分析和計算，結(jié)果表明：精確的外壁磨損長度測量結(jié)果為電站對指套管的設(shè)計和后期跟蹤維護(hù)提供了重要參考。

1 微振磨損機(jī)理概述

指套管在堆芯內(nèi)部會穿過多處不同類型的保護(hù)支撐結(jié)構(gòu)，其中一部分指套管與一回路介質(zhì)直接接觸。截至目前，世界上已有多起關(guān)于指套管泄漏的事件發(fā)生。對泄漏指套管的實測和分析表明，導(dǎo)向管嘴處指套管外壁磨損是引起泄漏的原因。處于導(dǎo)向管嘴位置的指套管因流體(一回路介質(zhì))的擾動而誘發(fā)振動，使指套管外壁與導(dǎo)向管嘴之間產(chǎn)生磨損，即微振磨損。該類磨損一般發(fā)生在導(dǎo)向管內(nèi)徑改變處，特別是在堆芯下柵格板和燃料組件通量測量導(dǎo)管之間[1]。

國外在20世紀(jì)80年代就發(fā)現(xiàn)了由于支撐處振動產(chǎn)生的指套管外壁磨損缺陷。我國各核電站也多次發(fā)現(xiàn)微振磨損缺陷，個別機(jī)組甚至在首次大修指套管的渦流檢測過程中發(fā)現(xiàn)了較大深度當(dāng)量的微振磨損。解決指套管支撐處微振磨損的方法是根據(jù)渦流檢測結(jié)果對缺陷深度較大的指套管進(jìn)行更換或拔管移位(避開磨損區(qū))，根據(jù)EDF(法國電力集團(tuán))經(jīng)驗反饋，同一指套管抽取長度一般不超過兩次。了解指套管磨損長度對抽取指套管工作具有參考作用，同時對磨損長度進(jìn)行精確測量對指套管支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計及安裝工藝的改進(jìn)有重要意義。由于指套管外壁磨損的直接測量工作很難實施，筆者使用渦流方法對指套管外壁微振磨損長度的精確測量進(jìn)行了研究。

2 指套管磨損的渦流檢測

2.1 檢測探頭

指套管渦流檢測時選用的探頭為差動內(nèi)穿過式探頭，以下簡稱“Bobbin”探頭，線圈直徑為4.8 mm(見圖1)。

圖1 指套管Bobbin探頭外觀

2.2 標(biāo)準(zhǔn)樣管

根據(jù)指套管運(yùn)行工況下最常見的微振磨損缺陷類型，制作了渦流檢測標(biāo)準(zhǔn)樣管，該標(biāo)準(zhǔn)樣管由通孔(A)和不同深度的外壁周向90°楔形人工缺陷組成。深度分別為(壁厚)70%(B)、50%(C)、40%(D)、30%(E)、20%(F)的人工缺陷長25.4 mm，深度為10%的人工缺陷(G)長12.7 mm，各人工缺陷間距35 mm。指套管標(biāo)準(zhǔn)樣管結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

圖2 指套管標(biāo)準(zhǔn)樣管結(jié)構(gòu)示意

2.3 檢測頻率

根據(jù)渦流集膚效應(yīng)的特點，檢測頻率的設(shè)置應(yīng)該足夠低，才能保證渦流在整個檢測區(qū)域內(nèi)流動。理論上，可選用的檢測頻率應(yīng)使被檢材料的最大厚度大致等于一個標(biāo)準(zhǔn)滲透深度。頻率越低，滲透深度越大，但會使靈敏度降低，以致難以區(qū)別內(nèi)外壁缺陷。過高的頻率則無法測出外壁缺陷,工作頻率的選擇可參考經(jīng)驗公式

f=3ρ/t2

(1)

式中：f為工作頻率；ρ為電阻率；t為管子壁厚。

實際檢查時，在滿足檢測深度的要求下，檢測頻率應(yīng)盡可能高，以滿足達(dá)到較高的檢測靈敏度。為了使渦流滲透深度和檢測靈敏度取得平衡，指套管的檢測頻率分別設(shè)置為160，80，40，20 kHz。

3 磨損長度的測量

3.1 測長基本原理

Bobbin檢測線圈一般采用差分連接方式，這有利于檢出電導(dǎo)率快速變化的短缺陷。對于緩慢變化的長缺陷，如指套管外壁磨損，通常采用的方式是配合使用同長度、同類型的帶參考樣管的參考探頭以絕對模式進(jìn)行測量。通電檢測線圈接近導(dǎo)體時，導(dǎo)體中會感應(yīng)產(chǎn)生渦流，同時導(dǎo)體中渦流產(chǎn)生的磁場阻礙了檢測線圈磁場的變化，進(jìn)而使線圈內(nèi)的電流發(fā)生變化。當(dāng)檢測線圈處于指套管完好位置時，檢測線圈和參考線圈(參考管中)輸出的感應(yīng)電動勢處于平衡狀態(tài)，即沒有渦流輸出信號。當(dāng)檢測線圈感生磁場開始接觸到材料不連續(xù)時，該位置發(fā)生畸變的渦流產(chǎn)生的磁場導(dǎo)致檢測線圈與參考線圈電動勢的差值打破平衡狀態(tài)，即開始輸出渦流信號；當(dāng)檢測線圈完全處于外壁磨損正中間位置時，兩線圈的電動勢差值達(dá)到最大。隨著探頭的繼續(xù)推進(jìn)，當(dāng)指套管外壁磨損離開檢測線圈磁場作用范圍時，兩線圈的感應(yīng)電動勢差值逐漸減小直至再次回到平衡位置。

在采樣率一定的情況下，當(dāng)探頭在指套管內(nèi)勻速采集信號時，采樣點在指套管上同樣均勻分布，這就使采集的渦流信號與實際尺寸呈現(xiàn)線性關(guān)系，進(jìn)而通過數(shù)據(jù)分析即可間接計算出指套管外壁的磨損長度。為了保證這種線性關(guān)系，一般采用自動勻速回拉探頭的方式采集渦流信號。文中采用T-PU2型探頭推拔器，該類型推拔器采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動外加氣動壓緊的方式工作，很好地保證了采集過程中探頭的勻速運(yùn)動。若精確測量指套管外壁磨損長度，則必須使探頭在指套管和標(biāo)定管中的回拉速度保持一致。文中使用的數(shù)據(jù)推拔器回拉速度設(shè)置為250 mm·s-1。

3.2 測量通道

因微振磨損發(fā)生在支撐處，所以要精確測量磨損前首先應(yīng)建立混頻通道，用以消除結(jié)構(gòu)信號的影響。試驗表明，80 kHz和40 kHz的混頻效果最好，即建立混頻通道M1。信號標(biāo)定時將所有絕對通道噪聲調(diào)為水平，通孔向上，通孔Span(跨度)值設(shè)為100%。

3.3 單位采樣點

單位采樣點即單位長度上采樣點的數(shù)量，單位采樣點的理論計算公式為

St=X/V

(2)

式中：St為理論單位采樣點；X為采樣率；V為探頭回拉速度。

指套管數(shù)據(jù)采集的采樣率X設(shè)置為1 600 s-1，探頭回拉速度為250 mm·s-1,根據(jù)上述公式可得St=6.4 mm-1，即指套管軸向長度每毫米有6.4個采樣點分布，但是理論單位采樣點與實際渦流信號采樣點的分布略有差距，引入實際單位采樣點Sr，其計算公式為

相機(jī)采用500萬CMOS工業(yè)相機(jī)，搭配環(huán)形光源，通過對挺住和后殼的裝配圖拍攝并進(jìn)行圖像處理以識別裝配情況。相機(jī)通過USB口與開發(fā)板相連。

Sr=|Sa-Sb|/L

(3)

式中：Sa，Sb分別為渦流信號a點，b點處的采樣點值；L為Sa～Sb的實際長度。

以標(biāo)定管深度為70%和50%的磨損信號為例，其中Sa-Sb是深度為70%與50%磨損信號采樣點的差值455(見圖3)。由圖2可知，L=60.4 mm，由此可得Sr=7.53 mm-1。

圖3 Sa與Sb間距的采樣點差值

由上述計算可知Sr>St，這是因為探頭回拉時，阻力等因素導(dǎo)致了探頭實際速度略小于推拔器設(shè)置的理論速度，在采樣率固定的情況下，最終實際單位采樣點略大于理論單位采樣點，在對指套管外壁磨損進(jìn)行測量時，使用實際單位采樣點進(jìn)行計算會更為準(zhǔn)確可靠。

3.4 磨損測長

在Sr已知的情況下，磨損的長度Lr為

Lr=ΔS/Sr

(4)

式中：Lr為磨損長度；ΔS為磨損信號起止點差值。

因深度分別為70%，50%，40%，30%，20%人工損傷設(shè)計的長度一致，均為25.4 mm，以深度為20%的人工缺陷為例計算磨損長度(見圖4),圖4中右下角顯示深度為20%的人工缺陷在M1通道的起止點差值是267,由此可得磨損長度為35.46 mm。

圖4 深度為20%的磨損信號ΔS

上述計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)深度為20%的人工缺陷的磨損長度為35.46 mm，大于實際長度25.4 mm，且計算偏差較大。

3.5 偏差分析

根據(jù)渦流檢測基本原理可知，當(dāng)檢測線圈移動到試件的邊緣、凹坑或減薄處時，渦流場便發(fā)生畸變，這種現(xiàn)象被稱為“邊緣效應(yīng)”?！斑吘壭?yīng)”的存在是因為探頭線圈響應(yīng)的是導(dǎo)體一定范圍內(nèi)的渦流場變化，即檢測線圈存在一定的響應(yīng)范圍Dr。檢測線圈接近和離開較短缺陷時渦流信號變化較為明顯，該處以指套管通孔為例分析檢測線圈響應(yīng)范圍對通孔渦流信號的影響(見圖5)。

圖5 響應(yīng)范圍對通孔信號的影響示意

由圖5可知，當(dāng)探頭在指套管回拉過程中，探頭線圈到達(dá)Sb點時，線圈磁場已響應(yīng)到通孔引起的渦流場畸變，即開始輸出渦流信號；當(dāng)檢測線圈到達(dá)通孔正下方時，通孔信號幅值達(dá)到最大；當(dāng)檢測線圈離開通孔位置一段距離后，檢測線圈無法再感應(yīng)到通孔導(dǎo)致的渦流場變化，此時線圈位置對應(yīng)渦流信號Sa點。

由上述分析得出，ΔS選取時未考慮檢測線圈Dr是導(dǎo)致Lr計算值偏差較大的原因，線圈的響應(yīng)范圍Dr的計算公式為

(5)

式中：D0為缺陷實際尺寸。

根據(jù)式(5)計算檢測線圈在M1通道下的響應(yīng)范圍Dr，圖6中通孔ΔS=81，Sr=7.53 mm-1，D0=1 mm，將ΔS,Sr,D0代入式(5)，則Dr=9.76 mm。

圖6 通孔信號ΔS

考慮檢測線圈響應(yīng)范圍Dr的影響，指套管深度為20%人工缺陷的長度最終計算公式為

(6)

根據(jù)修正后的式(6)計算指套管深度為20%的人工缺陷長度為25.7 mm，該值已經(jīng)十分接近實際的磨損尺寸25.4 mm。由于外壁磨損信號范圍在絕對通道處為手動選取，會不可避免地存在一定的人為偏差，但通過上述計算方法得出的結(jié)果已經(jīng)十分接近外壁磨損的真實尺寸。

4 實際應(yīng)用

根據(jù)上述計算方法，對某電廠某次大修時發(fā)現(xiàn)的較大深度磨損的19號指套管進(jìn)行磨損長度測量，圖7為19號指套管Point 1 位置的磨損信號，Point 1位置(堆芯下柵格板處)磨損深度約為42%，磨損長度約為4.4 mm。

圖7 19號指套管Point 1位置的磨損

上述計算結(jié)果表明，指套管在Piont 1位置的磨損長度較小，如不考慮探頭線圈響應(yīng)范圍的影響，計算得出的結(jié)果就會出現(xiàn)較大偏差，從而也就失去了用渦流測長法評估磨損長度的意義。

5 結(jié)語

對指套管渦流數(shù)據(jù)的分析，能有效實現(xiàn)對指套管微振磨損的精確測長，同時為指套管外部支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計和指套管后期的維護(hù)以及同類型磨損的精確測長提供了參考。