馮 俊，張 偉，陳勝宇，肖鎮(zhèn)官，曾玉華，楊 帆

(核動(dòng)力運(yùn)行研究所，武漢 430223)

蒸汽發(fā)生器是核電站最大的換熱設(shè)備，承擔(dān)著一次側(cè)與二次側(cè)的熱交換任務(wù)，該設(shè)備將一回路主冷卻劑從反應(yīng)堆堆芯帶出的熱量傳給二回路給水系統(tǒng)，使之產(chǎn)生蒸汽，推動(dòng)汽輪機(jī)做功。同時(shí)蒸汽發(fā)生器為防止核泄漏的第二道屏障，屬于核安全一級(jí)設(shè)備。蒸汽發(fā)生器的制造工藝極其復(fù)雜，每一道工藝都影響其運(yùn)行安全，尤其是傳熱管與管板的脹接工藝[1]，因此必須對(duì)傳熱管與管板脹接后形成的脹管段以及過渡區(qū)進(jìn)行全范圍渦流檢測(cè)[2]，才能保證其在役期間的安全運(yùn)行。脹管段渦流檢測(cè)范圍如圖1所示。

圖1 脹管段渦流檢測(cè)范圍示意

1 脹接工藝介紹

核電站蒸汽發(fā)生器傳熱管和管板采用焊接和脹接結(jié)合的方式進(jìn)行連接，傳熱管與管板一次側(cè)堆焊層之間為密封封口焊，傳熱管與管板管孔之間為脹接固定。脹接工藝消除了傳熱管與管板管孔之間的間隙，提高了耐腐蝕性。以M310型壓水堆為例，傳熱管在管孔段受到均勻的液壓作用，隨著液壓的增大，傳熱管先發(fā)生彈性形變后再發(fā)生塑性擴(kuò)張[3]，將傳熱管緊密固定在管孔內(nèi)。脹接工藝如圖2所示。

圖2 脹接工藝示意

2 脹管段渦流檢測(cè)

2.1 脹管段渦流檢測(cè)實(shí)施方法

由于蒸汽發(fā)生器傳熱管與管板脹接的工藝特殊，無(wú)法采用目視、超聲等無(wú)損檢測(cè)方法對(duì)脹管段及過渡區(qū)進(jìn)行檢測(cè)，因此，渦流檢測(cè)成為脹管段質(zhì)量檢測(cè)的唯一可行方法，同時(shí)渦流檢測(cè)具有檢測(cè)效率高、檢測(cè)可靠等特點(diǎn)。以M310型壓水堆為例，具體實(shí)施方法及檢測(cè)難點(diǎn)如下所述。

2.1.1 實(shí)施方法

通過計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制多頻渦流儀、探頭定位器和探頭推拔器，實(shí)現(xiàn)渦流探頭在被檢傳熱管中的前進(jìn)和后退，在探頭后退的過程中完成對(duì)傳熱管渦流數(shù)據(jù)的采集，同時(shí)將采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在硬盤或光盤中。由數(shù)據(jù)分析人員利用計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程調(diào)用數(shù)據(jù)，對(duì)傳熱管渦流信號(hào)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行兩次獨(dú)立的數(shù)據(jù)分析。

檢測(cè)過程中所需設(shè)備和參數(shù)設(shè)置如下。

(1)渦流儀：型號(hào)為OMNI-200R;頻率為1 kHz～1 000 kHz;采樣率不低于2 000點(diǎn)·s-1。

(2)渦流探頭：BOBBIN探頭型號(hào)為SBBU-15.5-MH-4A/N，用于傳熱管全管檢測(cè);MRPC旋轉(zhuǎn)探頭型號(hào)為+Point-.610-MRPC，用于脹管過渡區(qū)檢測(cè)。

(3)標(biāo)定管：基于RSEM標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，用于信號(hào)基準(zhǔn)設(shè)置。

(4)檢測(cè)頻率：550 kHz(主檢測(cè)頻率)，300 kHz(低頻輔助檢測(cè)頻率)，100 kHz(消除支撐板信號(hào)的輔助頻率)，900 kHz(傳熱管脹管區(qū)輪廓曲線內(nèi)徑測(cè)量頻率)，20 kHz(顯示定位、泥渣高度測(cè)量及脹管區(qū)輪廓曲線止脹點(diǎn)位置測(cè)量頻率)。

2.1.2 檢測(cè)難點(diǎn)

對(duì)于脹管段及過渡區(qū)的檢測(cè)，渦流檢測(cè)較其他無(wú)損檢測(cè)方法具有明顯優(yōu)勢(shì)，但也存在一些技術(shù)難點(diǎn)，這些難點(diǎn)降低了該區(qū)域的缺陷檢出率，近年來(lái)，針對(duì)這些難點(diǎn)提出了一些解決措施，以下列舉了3條實(shí)際檢測(cè)過程中遇到的技術(shù)難點(diǎn)及對(duì)應(yīng)的解決措施。

(1)二次側(cè)管板邊緣信號(hào)的影響，采用旋轉(zhuǎn)探頭檢測(cè)能夠明顯區(qū)分TTS(管板頂端)信號(hào)和缺陷信號(hào)。

針對(duì)最新的轉(zhuǎn)換器接口標(biāo)準(zhǔn)JESD204B協(xié)議,采用四字節(jié)并行處理方案實(shí)現(xiàn)了接收端同步系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在完成同步控制功能的同時(shí),還將理論時(shí)鐘頻率要求由1.25 GHz降頻到312.5 MHz。通過與官方IP核的對(duì)接,證明了本方案的功能正確性。綜合結(jié)果也表明了本方案的時(shí)序正確性。本設(shè)計(jì)是一種切實(shí)可行的JESD204B協(xié)議實(shí)現(xiàn)方案,為國(guó)內(nèi)自主設(shè)計(jì)高速串行接口電路提供了參考。

(2)采用三混頻(通道1-5-9)技術(shù)能夠有效抑制脹管過渡區(qū)信號(hào)[4]。

(3)脹管輪廓曲線的測(cè)量采樣率應(yīng)至少為5點(diǎn)·mm-1，否則測(cè)量結(jié)果會(huì)出現(xiàn)較大偏差。

2.2 脹管段缺陷

2.2.1 腫脹

腫脹發(fā)生在傳熱管脹管區(qū)域，形成原因?yàn)椋孩?管板在鉆孔時(shí)產(chǎn)生加工誤差，使管孔孔徑發(fā)生局部變化，脹管時(shí)造成傳熱管出現(xiàn)向外凸出的現(xiàn)象；② 脹管工藝不當(dāng)，局部壓力過大導(dǎo)致脹管局部直徑超過設(shè)計(jì)要求，造成腫脹。一般在主檢測(cè)頻率差分通道可明顯分辨；由于腫脹缺陷沿傳熱管內(nèi)部周向向外凸出，與DNT(向內(nèi)凹陷，相位角一般為180°左右)缺陷的形成原因正好相反，且類似于內(nèi)環(huán)槽的缺陷信號(hào)，所以形成相位角接近0°或者為內(nèi)壁顯示角度的渦流信號(hào)[5]。腫脹結(jié)構(gòu)及其渦流信號(hào)如圖3所示。

圖3 腫脹結(jié)構(gòu)及其渦流信號(hào)

2.2.2 漏脹

漏脹發(fā)生在蒸汽發(fā)生器制造期間，其產(chǎn)生原因是傳熱管和管板管孔之間未進(jìn)行脹接。漏脹渦流信號(hào)特征與正常脹管信號(hào)比較長(zhǎng)條圖無(wú)明顯“臺(tái)階”；且分量圖無(wú)明顯內(nèi)徑突變信號(hào)。漏脹檢測(cè)基于渦流提離效應(yīng)，正常脹管段檢測(cè)時(shí)，探頭在脹管區(qū)和非脹管區(qū)的運(yùn)動(dòng)過程中，由于內(nèi)徑突變將產(chǎn)生提離效應(yīng)，但無(wú)脹管的傳熱管不會(huì)產(chǎn)生提離效應(yīng)，就不會(huì)形成內(nèi)徑突變信號(hào)，利用提離原理能夠?qū)β┟泴?shí)施有效檢測(cè)。漏脹結(jié)構(gòu)及其渦流信號(hào)如圖4所示。

圖4 漏脹結(jié)構(gòu)及其渦流信號(hào)

2.2.3 超脹和欠脹

圖5 止脹點(diǎn)與管板二次側(cè)距離示意

鑒于止脹點(diǎn)和管板二次側(cè)之間間隙距離x的重要性，脹接工藝完成后必須對(duì)其進(jìn)行精確測(cè)量。目前通用的測(cè)量方法為渦流輪廓曲線檢測(cè)技術(shù)，其與人工機(jī)械測(cè)量相比具有更高的靈敏度，且檢測(cè)效率高。輪廓曲線檢測(cè)原理為渦流的提離效應(yīng)，檢測(cè)信號(hào)與線圈和被檢測(cè)對(duì)象距離的平方成反比，該方法可以精確檢測(cè)出傳熱管內(nèi)徑變化量，同時(shí)能夠精確確定止脹點(diǎn)位置。渦流輪廓曲線測(cè)量結(jié)果如圖6所示。

圖6 渦流輪廓曲線測(cè)量結(jié)果

2.2.4 脹管過渡區(qū)內(nèi)壁缺陷

傳熱管與管板采用液壓脹接工藝之前，通用的脹接工藝為機(jī)械脹，由于機(jī)械脹工具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在脹接時(shí)脹管工具易對(duì)傳熱管內(nèi)壁造成損傷，形成周向缺陷，該缺陷渦流信號(hào)幅值一般較大，在主檢測(cè)頻率差分通道可明顯分辨，且相位角小于40°呈內(nèi)壁角度(大于40°呈外壁角度)。典型脹管過渡區(qū)內(nèi)壁缺陷目視檢測(cè)結(jié)果及其渦流信號(hào)如圖7所示。

圖7 典型脹管過渡區(qū)內(nèi)壁缺陷檢測(cè)結(jié)果及其渦流信號(hào)

3 結(jié)語(yǔ)

(1)機(jī)械加工可使傳熱管與管板脹接時(shí)形成腫脹，該缺陷渦流信號(hào)特征為：一般在主檢測(cè)頻率差分通道可明顯分辨；相位角接近0°或者為內(nèi)壁顯示角度。

(2)傳熱管和管板脹接時(shí)，施工人員的疏忽可導(dǎo)致漏脹發(fā)生，該缺陷渦流信號(hào)特征為：與正常脹管信號(hào)比較，長(zhǎng)條圖無(wú)明顯“臺(tái)階”；分量圖無(wú)明顯內(nèi)徑突變信號(hào)。

(3)傳熱管與管板脹接時(shí)誤差可導(dǎo)致未脹接間隙深度偏離設(shè)計(jì)范圍，從而形成超脹或欠脹，此類缺陷需通過渦流輪廓曲線檢測(cè)技術(shù)來(lái)進(jìn)行測(cè)量。

(4)機(jī)械脹工藝易造成脹管過渡區(qū)內(nèi)壁周向缺陷，該缺陷渦流信號(hào)特征為：幅值一般較大，在主檢測(cè)頻率差分通道可明顯分辨;相位角小于40°,呈內(nèi)壁角度。