蔡金宋，梅 蘭，汪 植，古朋輝，翁佳豪，黃 超

(中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300)

秦山三期CANDU-6反應堆為臥式管道型重水堆，共有380個水平燃料通道，反應堆兩側各設計有2個反應堆進口集管和出口集管，每個集管連接95根主熱傳輸支管(以下簡稱Feeder管)。隨著機組運行時間的推進，F(xiàn)eeder管會不斷遭受腐蝕從而導致管壁減薄。技術支持處采用超聲波測厚技術，在大修期間檢測其壁厚，并分析其管壁減薄速率，評估Feeder管的使用壽命是否滿足要求。而104、204大修期間使用的手動超聲檢查技術已無法滿足CSA法規(guī)對檢驗精度的要求，故需研究開發(fā)新的半自動超聲測厚檢查技術以滿足法規(guī)要求。

1 Feeder管檢查難點

1.1 輕水滴落風險

進行超聲檢驗時，需在探頭與工件表面使用水充當耦合劑。使用的檢測設備不存在回收耦合劑的功能，故檢測過程中產(chǎn)生的水有滴落的風險。假如不進行處理，輕水會流入核島廠房的地坑內(nèi)，最后進入到重水回收系統(tǒng)中，會使重水回收系統(tǒng)的重水降級，影響反應堆的安全運行。

1.2 檢查空間受限

Feeder管位于燃料通道之間，空間位置狹小，變化復雜，大部分第二彎頭區(qū)域檢查設備無法直接安裝，設備定位控制困難。

1.3 現(xiàn)場輻射劑量

秦山三期CANDU-6反應堆堆芯布置于R-107和R-108之間的區(qū)域，堆芯周圍用輕水、鋼球和混凝土屏蔽。在進行檢查時操作人員需要在反應堆A、C端面將手伸進壓力管之間對Feeder管進行超聲測厚檢測，現(xiàn)場環(huán)境劑量高。

2 Feeder管超聲檢查技術開發(fā)

為滿足Feeder管現(xiàn)場檢驗要求，解決面臨的檢查難點，技術支持處開發(fā)并完善對Feeder管超聲檢查技術，研發(fā)相應的超聲測厚設備，并對設備進行相關測試，驗證其滿足Feeder管現(xiàn)場檢驗要求。

2.1 Feeder管超聲檢查方案設計

對每個Feeder管實施檢查之前，認真確定受檢Feeder管的位置。其方法根據(jù)Feeder管所在反應堆端面的行號和列號組合來確定，如A12、G21、K1等。在靠近堆端面可接近的部位由人工實施掃查，這些地方一般是第一彎頭或反向第二彎頭，掃查器安裝時由人肉眼定位來確定某一基準，一般以外彎脊背線為基礎，安裝完成后，由人工推動在Feeder管彎頭軸線方向上運動進行測厚，軸線方向運動時掃查裝置上帶有軸向運動的編碼器。為全面覆蓋整個彎頭，一般需做4次掃查，最后分析整理數(shù)據(jù)，以整個區(qū)域的壁厚數(shù)據(jù)為基礎描繪出厚度變化圖像，并且不同部位的特征規(guī)律在數(shù)據(jù)圖像上能很清楚區(qū)分。

2.2 超聲測厚檢測裝置

超聲測厚檢測裝置由掃查裝置部分、超聲儀、耦合裝置部分、數(shù)據(jù)通訊部分等組成。掃查裝置中探頭由14個探頭呈大半個圓周分布，探頭與工件表面由水進行耦合。水是去離子水，在衛(wèi)生出入口外面的分析室提取。為防止輕水在檢測過程中滴落至地面，使用專用的輕水回收裝置回收使用過程中的輕水，并且在燃料通道下部懸掛雨布，回收落下來的輕水，防止輕水流入核島廠房內(nèi)的地坑。

Feeder管半自動測厚系統(tǒng)中的掃查器分為用于彎頭區(qū)域測厚的METAR V2掃查器(如圖1所示)和用于GRAYLOC區(qū)域測厚的GRAVIS掃查器(如圖2所示)，它們由加拿大ZETEC公司研發(fā)生產(chǎn)，設計巧妙，結構緊湊小巧，部件制作工藝精細，并且已經(jīng)進行過多次的改進升級，相關技術指標能滿足現(xiàn)場檢查要求。

圖2 GRAVIS掃查器Fig.2 The GRAVIS ultrasonic scanner

整個測厚系統(tǒng)對掃查裝置的要求非常高，在現(xiàn)場安裝時要求快速、準確，因此掃查器都比較小巧精細，由一只手能將其安裝到彎頭上，拆卸時由一只手也能快速完成。在人工掃查時人手的推動速度必須要多次訓練才能達到較好的效果。

在利用掃查器進行檢測的過程中，操作人員需要在反應堆端面進行作業(yè)。為減少工作人員的受照劑量，利用屏蔽鉛房對現(xiàn)場作業(yè)進行屏蔽來有效保護工作人員。使用半自動檢查設備時，將檢查設備和輕水回收裝置布置在屏蔽房內(nèi)。檢查時，屏蔽房在堆端面移動，靠近檢查位置。人員在屏蔽房內(nèi)部實施檢查工作。

2.3 檢驗設備測試

為確保開發(fā)的超聲測厚設備能滿足Feeder管的檢測要求，先后進行了編碼器測試、試塊標定測試以及現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集。

(1)編碼器測試

METAR V2和GRAVIS掃查器上的編碼器為單軸編碼，根據(jù)程序要求，METAR V2編碼器精度要求為250 mm范圍內(nèi)誤差±3 mm，2″規(guī)格的GRAVIS掃查器編碼器精度要求為189 mm范圍內(nèi)誤差±3 mm，2.5″掃查器規(guī)格的GRAVIS掃查器編碼器精度要求為229 mm范圍內(nèi)誤差±3 mm。測試采取測量三次取平均值，數(shù)據(jù)見表1。經(jīng)測試，掃查器編碼器的精度滿足程序要求。

表1 編碼器測試表Table 1 Encoder test

(2)試塊標定測試

由于測量方法的分辨率和試塊的機械精度限制，測量的數(shù)據(jù)和試塊實際厚度會有一定的誤差，根據(jù)程序要求，這個誤差應該在±0.03 mm以內(nèi)。

使用METAR V2掃查器掃查2″彎頭標定試塊，采集的數(shù)據(jù)見表2。使用GRAVIS掃查器掃查2.5″ GRAYLOC區(qū)標定試塊，采集的數(shù)據(jù)見表3。經(jīng)過對數(shù)據(jù)文件的分析，實際標定測試中，測得的厚度誤差范圍在±0.03 mm以內(nèi)，標定數(shù)據(jù)有效，該系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)滿足程序要求。

表2 2″彎頭試塊標定數(shù)據(jù)Table 2 Calibration data of 2″ elbow test block

表3 2.5″彎頭試塊標定數(shù)據(jù)Table 3 The calibration data of 2.5″ elbow test block

(3)現(xiàn)場彎頭數(shù)據(jù)采集

使用NETAR V2掃查器采集2.5″彎頭厚度數(shù)據(jù)，采集的數(shù)據(jù)質(zhì)量較好，沒有明顯的掉線，C掃圖像中能明顯區(qū)分管壁較薄的區(qū)域，B掃和D掃圖像能明顯看出壁厚的變化趨勢。經(jīng)現(xiàn)場測試，進一步確定該超聲測厚系統(tǒng)滿足工作要求。

3 Feeder管超聲檢查實施效果

3.1 檢查實施效果

自檢查技術開發(fā)完成以來，已在206、207、107、110、210大修期間，均對1、2號機組A、C端面的部分Feeder管執(zhí)行了半自動超聲測厚檢驗，經(jīng)技術人員核實，檢驗數(shù)據(jù)均符合電廠流體加速腐蝕(FAC)理論減薄規(guī)律。

3.2 檢查數(shù)據(jù)分析和壽命評估

Feeder管的材料和運行條件滿足FAC理論，壁厚減薄速率和管內(nèi)冷卻劑流速呈一定相關性。故可以采用以下數(shù)理統(tǒng)計方法分析評估Feeder管的最大減薄速率：

(1)利用在役檢查測量數(shù)據(jù)與制造廠家壁厚原始數(shù)據(jù)計算在役檢查測量的Feeder管從出廠至今的平均壁厚減薄速率；

(2)根據(jù)計算所得的平均壁厚減薄速率和管內(nèi)冷卻劑流速，擬合線性回歸方程，加上兩倍標準正偏差，得到Feeder管的最大可能減薄速率；

(3)利用第(2)步中計算得到的數(shù)據(jù)估算其壽命，評估Feeder管的壁厚減薄速率是否滿足預計壽命要求。

以Q3-OT210大修為例，根據(jù)Feeder管的尺寸和管內(nèi)冷卻劑名義流速計算Feeder管內(nèi)冷卻劑修正后流速，與大修期間在役檢查數(shù)據(jù)形成對比，如表4所示。繪制散點圖并擬合線性回歸方程：y=1.5903x-7.2678(μm/EFPY)，如圖3所示。

表4 Feeder管內(nèi)冷卻劑流速和壁厚減薄速率[3,4]Table 4 The wall thickness thinning rate and coolant flow rate in the feeder pipes[3,4]

圖3 Feeder管壁厚減薄速率-冷卻劑流速的散點圖Fig.3 The scatter plot of the wall thickness thinning rate and the coolant flow rate in the feeder pipes

分析Q3-OT210大修實測數(shù)據(jù)，2英寸Feeder管最小實測壁厚為4.92 mm，2.5英寸Feeder管最小實測壁厚為5.99 mm，F(xiàn)eeder管的最高流速為16.28 m/s，對應的理論最大減薄速率為28.09 μm/EFPY。

技術規(guī)格書規(guī)定秦山三期2英寸和2.5英寸Feeder管的名義壁厚、允許壁厚減薄量如表5所示。

表5 Feeder管預計壽命Table 5 The expected life of the feeder pipes

根據(jù)實測減薄數(shù)據(jù)計算，預測秦山三期2號機組2英寸Feeder管壽命為81 EFPY，2.5英寸Feeder管壽命為101 EFPY，滿足預計壽命使用要求。

實驗室驗證階段使用樣品Cr含量(重量)為0.24%，三期Feeder管的實際Cr含量(重量)為0.32%～0.33%。碳鋼中Cr含量增加會降低材料FAC腐蝕速率，F(xiàn)eeder管的實際腐蝕速率要比驗證階段腐蝕速率低，所以評估得到比設計壽命更長的使用壽命是合理的。

4 結 論

Feeder管是CANDU重水堆的壓力邊界，加拿大法規(guī)CSA285.4-05版要求CANDU電站定期對Feeder管進行目視檢查、壁厚測量、體積檢查(裂紋檢查)。目視檢查和壁厚測量是強制性要求，體積檢查是非強制性要求。經(jīng)1、2號機組5次大修實施驗證，現(xiàn)如今使用的半自動超聲測厚技術較曾經(jīng)的手動超聲測厚技術，有著更準確的檢測數(shù)據(jù)，更大的可達區(qū)域。該技術在對于管道使用壽命評估上有很大的應用前景。