劉偉

摘 要

壓水堆核電站在運行過程中，承壓機械部件容易受到溫度和應力等因素的影響，部件材料的性能逐漸惡化，各類形式的裂紋產(chǎn)生，進而影響機械部件的正常運行與核安全生產(chǎn)?；诖耍疚囊詿o損檢測技術(shù)作為研究對象，將該技術(shù)用于壓水堆核電站的在役檢查中，通過超聲檢測技術(shù)、射線技術(shù)與渦流檢測技術(shù)提高壓水堆核電站的無損檢測技術(shù)水平。

關鍵詞

壓水堆核電站;在役檢查;無損檢測技術(shù)

中圖分類號： TM623 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 17 . 67

0 引言

在壓水堆核電站的服役期間，相關人員應定期進行部分零部件的在役檢查，其中無損檢測技術(shù)指的是在不破壞核部件的前提下，采用物理或者化學手段，應用先進的信息技術(shù)對部件內(nèi)部與結(jié)構(gòu)表面進行狀態(tài)檢測，以此保證壓水堆核電站的安全運行。眾多無損檢測技術(shù)中，滲透檢測與磁粉檢測技術(shù)是表面檢測方法，超聲檢測技術(shù)和射線檢測術(shù)語體積檢測方法。

1 壓水堆核電站在役檢查用無損檢測的基本要求

1.1 核電設備材料與結(jié)構(gòu)特點

由于壓水堆核電站一直處于特殊的工作環(huán)境，高溫高壓且強烈腐蝕狀態(tài)下，核電站對設備材料提出了較高的安全運行要求。選用核電材料是應考慮其強度、塑性以及韌性等力學性能，還要考慮材料的鍛造、焊接等工藝性能，并時刻觀察因輻照引起的材料性能變化。壓水堆核電站的回路系統(tǒng)內(nèi)包含反應堆與壓力容器、冷卻劑主泵、蒸汽發(fā)生器、穩(wěn)壓器等，按照具體部件的位置與功能，選擇合適的材料十分必要。燃料包殼需要在高溫高壓、中子輻射的環(huán)境中工作，受冷卻劑循環(huán)力與燃料腫脹的作用影響，首選鋯合金材料。壓水堆核電站的堆內(nèi)構(gòu)件可選擇奧氏體不銹鋼與鎳基合金材料，管道使用奧氏體不銹鋼，反應堆壓力容器使用低碳合金與內(nèi)部堆焊不銹鋼材料。經(jīng)總結(jié)發(fā)現(xiàn)，壓水堆核電站的回路系統(tǒng)中采用了大量耐高溫高壓、抗腐蝕性、抗輻射性較強的材料[1]。

1.2 無損檢測的基本要求

無損檢測是一種用于產(chǎn)品質(zhì)量控制或生產(chǎn)過程控制的手段，壓水堆核電站中的無損檢測應將材料與部件自身特征相結(jié)合，選擇合適的檢測方法，確定合理的檢測流程，應用相應的檢測工具，從而保證無損檢測時不會對部件產(chǎn)生危害。壓水堆核電站回路系統(tǒng)中具有較強放射性物質(zhì)，設備在高劑量輻照環(huán)境內(nèi)工作，為保證壓水堆核電站正常運行，應對設備制造與安裝過程進行無損檢測。在設備的設計階段，應編制出科學合理且適應性較強的技術(shù)規(guī)范，明確檢測流程，以保證檢測方法的實效性。在設備的制造階段，應檢查其原材料與零部件，確保設備符合使用要求。在設備的安裝過程，應對安裝現(xiàn)場的應用性材料展開狀態(tài)檢測。壓水堆核電站的在役檢查具有一定危險性，要求相關人員盡可能在規(guī)定時間內(nèi)完成檢測工作。

在檢查標準和規(guī)范方面，我國不同的壓水堆核電站采用了不同的檢查標準。比如秦山一期核電站采用了美國ASME檢查標準，秦山二期核電站采用了法國RSE-M檢查規(guī)范，秦山三期核電站采用了加拿大標準，大亞灣核電站、嶺東核電站、臺山核電站均采用的是法國RSE-M檢查規(guī)范。我國壓水堆核電站采用的在役檢查標準與規(guī)范具有復雜性與多樣性，核電站會直接采購NDT通用設備，安排具有國家核工業(yè)無損檢查資質(zhì)的人員進行這項工作。

2 壓水堆核電站在役檢查用無損檢測技術(shù)發(fā)展

2.1 滲透檢測與磁粉檢查

在使用滲透檢測和磁粉檢測技術(shù)之前，起初人們會選用目視檢測方法，從而直觀找出設備或零部件表面的缺陷問題。當檢測人員接近被檢測部位時，有時可以用肉眼進行設備檢測，如果無法直接接近部件，可利用光學儀器與輔助設備完成檢測。目視檢測是壓水堆核電站常用的無損檢測方法之一，可觀察負水壓試驗期間被檢測部件是否有泄露或變形等缺陷問題。針對壓水堆核電站的常規(guī)島在役檢查，目測檢測主要涉及汽輪機與發(fā)電機設備相關部件、壓力管道外部、壓力容器、輔助蒸汽鍋爐等部分，對于壓水堆核電站的在役檢查，應對主回路系統(tǒng)、蒸汽發(fā)生器內(nèi)部不銹鋼堆焊層、穩(wěn)壓器堆焊層等部位進行目視檢測。

壓水堆核電站的滲透檢測與磁粉檢測屬于兩種常見的設備表面檢測方法。其中滲透檢測以毛細管原理為基礎，檢測非金屬材料與非多孔性金屬材料的承壓設備在安裝使用過程中是否存在表面缺陷問題，這種無損檢測方法結(jié)合滲透劑與滲透劑去除方式的不同，其檢測也有著不同類型。在壓水堆核電站在役檢查中，人們常使用溶劑去除型著色滲透檢測方法，用于存在泄漏閥體或焊縫表面的檢測。對于焊縫的檢測范圍，具體如下：首先，被檢測區(qū)域應包含焊縫熔敷金屬與焊補熔敷部位，兩側(cè)與焊縫邊緣之間的距離應保持15mm上的熱影響區(qū)。其次，密封焊縫與焊縫邊緣之間的距離應保持10mm以上的熱影響區(qū)。最后，支撐與容器、管道的連接焊縫，被檢測區(qū)域應包含熔敷金屬與焊縫兩側(cè)10mm區(qū)域的可達部分。如果壓水堆核電站設備工作表面已經(jīng)發(fā)生磁化，應在其上面施加磁粉，磁漏部位吸附磁粉的過程就是磁粉檢測方法，這一無損檢測方法適合用于鐵磁性材料的承壓設備焊接位置或零部件表面檢測，不適合用在奧氏體不銹鋼材料的檢測，常見的磁粉檢測方法主要有熒光磁粉檢測與非熒光磁粉檢測兩種。壓水堆核電站中采用了大量碳鋼材料和鐵磁性材料，使用磁粉檢測技術(shù)可以檢測出設備表面或開口處是否有缺陷，這一技術(shù)的檢測靈敏度比滲透檢測要高。當前人們主要將磁粉檢測技術(shù)用于壓水堆核電站鐵磁性焊縫工作表面的檢測[2]。

2.2 超聲檢測技術(shù)

2.2.1 超聲相陣控技術(shù)

超聲檢測指的是應用超聲波檢測與表征材料的缺陷、組織結(jié)構(gòu)，對材料性能展開專業(yè)評估的一種技術(shù)。該技術(shù)檢測靈敏性較強，成本較低，容易幫助壓水堆核電站實現(xiàn)自動化操作，而且超聲波檢測技術(shù)在應用過程中不會對設備產(chǎn)生輻射或化學污染。在壓水堆核電站中，超聲檢測技術(shù)也是無損檢測的一種，常用于壓力容器對接焊縫以及角接焊縫部位的體積檢查，或用于壓力管道焊縫的表面檢查、汽機部件與鍛件內(nèi)部檢查。超聲檢測技術(shù)在使用時存在相應缺陷，比如測試時對耦合劑過度依賴，探頭較大導致可達性下降，為彌補傳統(tǒng)超聲檢測技術(shù)的缺陷，并滿足壓水堆核電站無損檢測技術(shù)的應用要求，隨著超聲檢測技術(shù)的發(fā)展，人們開始應用超聲相陣控技術(shù)，通過對超聲列陣換能器內(nèi)各個陣元進行控制，使陣元發(fā)射的超聲波偏轉(zhuǎn)聚焦，保持相位與幅度統(tǒng)一，在調(diào)節(jié)聚焦點的同時檢測壓水堆核電站設備復雜工件，最大限度上提升檢測的靈敏度。

隨著人們對超聲相陣控技術(shù)研究的深入，測試系統(tǒng)日益完善，最初該技術(shù)用于醫(yī)學領域，計算機技術(shù)的發(fā)展使超聲相陣控技術(shù)開始用工業(yè)領域，比如航天航空與核工業(yè)。這是一種無損檢測技術(shù)，圍繞檢測成果成像進行目標定位好復雜結(jié)構(gòu)的檢測，超聲相陣控技術(shù)在壓水堆核電站中發(fā)揮著重要的作用，汽輪發(fā)電機葉片結(jié)構(gòu)復雜，需要在特殊環(huán)境中工作，應用超聲相陣控技術(shù)可以提高檢測精度，防止汽輪發(fā)電機葉片在拆卸時出現(xiàn)損傷。當前，超聲相控陣技術(shù)、數(shù)字信號處理技術(shù)、成像技術(shù)的結(jié)合已成為壓水堆核電站在役檢查設備無損檢測的重要發(fā)展方向[3]。

2.2.2 激光超聲技術(shù)

高能量激光脈沖和物質(zhì)表面發(fā)生作用的過程中容易產(chǎn)生熱特性區(qū)，熱量擴散引發(fā)熱應力作用，因此產(chǎn)生超聲波。檢測超聲波可以達到檢測壓水堆核電站設備材料的效果，這就是激光超聲技術(shù)。與傳統(tǒng)的超聲檢測技術(shù)相比，激光超聲技術(shù)在應用時不需要用到耦合劑，檢測速度快且精度高。隨著我國技術(shù)的發(fā)展，激光超聲技術(shù)對薄膜材料的檢測保持著高精度，該技術(shù)可以對曲面結(jié)構(gòu)、多層結(jié)構(gòu)等復雜幾何結(jié)構(gòu)進行檢查。同時，激光超聲技術(shù)可以用在高溫、高輻射以及腐蝕環(huán)境下，當前壓水堆核電站沒有將激光檢測技術(shù)完全引入，人們還需要根據(jù)激光超聲技術(shù)定位的實際情況，結(jié)合壓水堆核電站復雜的工況對技術(shù)加以改進[3]。

2.2.3 電磁超聲技術(shù)

基于洛倫茲力與磁致伸縮效應而產(chǎn)生了超聲波，這種超聲波對技術(shù)導體的檢測技術(shù)就是電磁超聲技術(shù)。與以往的檢測技術(shù)相比，電磁超聲技術(shù)不用和工件接觸，檢測時不會產(chǎn)生污染，適合用于高溫環(huán)境下的檢測。憑借著電磁超聲技術(shù)的應用優(yōu)勢，該技術(shù)可以用于石油管道與壓力容器領域內(nèi)，從而對材料缺陷進行檢測與定位，并測量出材料的厚度，這是一種無損檢測技術(shù)，可用在焊縫與鋼管材料檢測中。但電磁超聲檢測技術(shù)的靈敏度過高，容易受環(huán)境的影響，為了使其更好的用于壓水堆核電站中，有必要對技術(shù)加以改進。應進一步優(yōu)化電磁激發(fā)裝置，做好回波信號的處理工作，結(jié)合電磁超聲導波技術(shù)與激光電磁超聲波技術(shù)，以此為基礎發(fā)展新的技術(shù)，維護壓水堆核電站的正常運行與發(fā)展。

2.3 射線檢測與渦流檢測技術(shù)

射線檢測就是利用X射線、中子射線、γ射線為射線源，通過射線透照試件，查看試件內(nèi)部是否有缺陷，并結(jié)合衍射特性分析晶體結(jié)構(gòu)。在檢測鑄件時可以利用射線檢測技術(shù)了解其缺陷的形狀與大小，并確定缺陷分布范圍，射線檢測可以用在壓水堆核電站承壓設備、受壓元件安裝和使用過程中對接焊縫接頭的檢測。焊接時焊縫內(nèi)容易出現(xiàn)氣孔或夾渣等問題，射線檢測能夠較好地檢出體積型缺陷。在壓水堆核電站大修期間可以采用該技術(shù)檢測對接環(huán)焊縫。渦流檢測以電磁感應原理為基礎，通過檢測工件內(nèi)部渦流變化來進行導電材料的無損評定，渦流檢測方法適合用于承壓設備導電性技術(shù)材料、焊接接頭表面缺陷檢測。根矩試件的不同，也會用到不同形式的線圈，比如傳過式、探頭式以及插入式幾種，在壓水堆核電站中經(jīng)常用到插入式線圈進行管子內(nèi)部檢測，比如凝汽器焊接鈦管和蒸汽發(fā)生器傳熱管的渦流檢測。

3 總結(jié)

總而言之，每一種無損檢測技術(shù)都具有特定的適用范圍，對于同一零件的缺陷，不同檢測技術(shù)的靈敏度也會不同。隨著技術(shù)的發(fā)展，應根據(jù)壓水堆核電站的環(huán)境特殊性選擇相應的無損檢測技術(shù)，從而保證設備正常運行，幫助壓水堆核電站消除事故隱患。

參考文獻

[1]鮑偉偉.壓水堆核電站核儀表系統(tǒng)典型故障分析與改進[J].儀器儀表用戶，2019，26（12）：48-50+38.

[2]夏祖國.壓水堆核電站泄漏監(jiān)測原理及方案研究[J].儀器儀表用戶，2019，26（11）：83-86+93.