姚傳黨，夏清友，王家建，肖鎮(zhèn)官

(中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)股份有限公司，武漢 430223)

蒸汽發(fā)生器是一種將一回路冷卻劑從反應(yīng)堆中獲得的熱能傳給二回路熱交換介質(zhì)使其變?yōu)檎羝臒峤粨Q設(shè)備，其中最關(guān)鍵的U形管束又稱傳熱管，對(duì)核電站安全運(yùn)行特別重要，傳熱管在制造過程中需要經(jīng)過冷拉、彎管、應(yīng)力消除、穿管、脹管、清洗養(yǎng)護(hù)等處理，在運(yùn)行前需經(jīng)壓力試驗(yàn)測(cè)試，在運(yùn)行后更是需要長(zhǎng)期承受300 ℃高溫、15.5 MPa的流體壓力、6.8 MPa的外壁壓力差、隨運(yùn)行時(shí)間增加而增加的輻照劑量、管束振動(dòng)等惡劣工況，因此可能產(chǎn)生多種類型的缺陷信號(hào)。在這些信號(hào)中，凹痕信號(hào)屬于常見的非降質(zhì)型信號(hào)(非缺陷信號(hào)),其主要由制造安裝過程中的碰撞產(chǎn)生，此外運(yùn)行過程中泥渣長(zhǎng)時(shí)間的堆積壓碰也可能產(chǎn)生傳熱管疲勞拉力。凹痕主要產(chǎn)生于傳熱管支撐板處、泥渣堆積區(qū)、自由段等位置。一般情況下，凹痕不作為缺陷處理，但是由于凹痕處存在應(yīng)力，有可能導(dǎo)致降質(zhì)失效，同時(shí)傳熱管束內(nèi)流體受阻也可能導(dǎo)致降質(zhì)裂紋。因此，在傳熱管檢測(cè)過程中應(yīng)對(duì)其予以足夠關(guān)注并進(jìn)行跟蹤檢測(cè)。例如，Seabrook核電站和Braidwood核電站2號(hào)機(jī)在起初檢查時(shí)并沒有發(fā)現(xiàn)凹痕處的類裂紋缺陷[1]，而后證實(shí)在熱處理的鎳基合金600傳熱管凹痕處發(fā)現(xiàn)裂紋。國(guó)內(nèi)某核電站亦發(fā)現(xiàn)了支撐結(jié)構(gòu)傾斜造成傳熱管雙側(cè)凹痕的情況，但是否存在裂紋等缺陷應(yīng)在運(yùn)行后進(jìn)一步觀察。

1 檢測(cè)異常信號(hào)

對(duì)國(guó)內(nèi)某核電站蒸汽發(fā)生器進(jìn)行渦流檢測(cè)時(shí)，在一根傳熱管上發(fā)現(xiàn)了異常信號(hào)，該顯示位于傳熱管的AVB3-51 mm位置處。經(jīng)差分式磁飽和渦流探頭進(jìn)行多次復(fù)查分析，確定該顯示為外壁復(fù)合信號(hào)顯示，且其幅值、深度均超過了驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)(驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)為幅值0.55 V，深度不大于傳熱管壁厚的60%)，該異常信號(hào)測(cè)量結(jié)果如表1所示。

表1 某核電站蒸汽發(fā)生器傳熱管異常信號(hào)測(cè)量結(jié)果

該傳熱管實(shí)際渦流檢測(cè)信號(hào)如圖1所示，可以看出，圖中主頻(200 kHz)差分通道及絕對(duì)通道中的利薩如圖形顯示均已變形。使用峰-峰值(Vpp)方法測(cè)量該顯示，其幅值為7.27 V，相位為174°，深度為0；而使用最大斜率(Vmax)方法測(cè)量該顯示，其幅值為7.27 V，191°，深度為0；兩種方法的測(cè)量結(jié)果差異不大。

圖1 傳熱管實(shí)際渦流檢測(cè)信號(hào)

僅從以上結(jié)果判斷，該顯示與一般凹痕的測(cè)量結(jié)果相似，但該顯示信號(hào)走勢(shì)規(guī)律與凹痕信號(hào)有著明顯區(qū)別(一般凹痕信號(hào)相位角為180°左右，且“8”字形較為明顯且尖銳，但該傳熱管信號(hào)不能形成標(biāo)準(zhǔn)“8”字形且檢測(cè)圖像明顯可分解成2個(gè)圖形，見圖2)。與附近的傳熱管信號(hào)進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，同樣的位置并未發(fā)現(xiàn)類似信號(hào)，且該信號(hào)距離最近的支撐結(jié)構(gòu)約51 mm，超出了差分式探頭的磁場(chǎng)范圍，因此可以排除其為結(jié)構(gòu)信號(hào)和受結(jié)構(gòu)信號(hào)干擾的可能性。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)該信號(hào)顯示存在兩個(gè)明顯的變化走向，即為接近水平方向的A信號(hào)和明顯與水平方向成一定夾角的B信號(hào)，實(shí)際信號(hào)分解結(jié)果如圖2所示。

圖2 傳熱管實(shí)際檢測(cè)信號(hào)分解結(jié)果

分別對(duì)A、B信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，其結(jié)果如表2所示。

表2 傳熱管A、B信號(hào)測(cè)量結(jié)果

2 問題分析

從以上結(jié)果看出，信號(hào)A符合凹痕信號(hào)規(guī)律，信號(hào)B符合外壁缺陷信號(hào)規(guī)律，且凹痕信號(hào)幅值明顯大于缺陷信號(hào)幅值。為了進(jìn)一步對(duì)信號(hào)B進(jìn)行確認(rèn)，分別對(duì)信號(hào)B的差分主頻通道(200 kHz)和輔頻通道進(jìn)行分析，B信號(hào)測(cè)量結(jié)果如表3所示。

表3 傳熱管B信號(hào)分析測(cè)量結(jié)果

從表3的結(jié)果可以看出，盡管不同檢測(cè)方法得到的相位與深度存在差異，但其變化趨勢(shì)均滿足隨頻率降低相位角度變小的外壁缺陷相位變化規(guī)律。經(jīng)分析判斷，該顯示疑似為凹痕和外壁缺陷顯示組成的復(fù)合缺陷顯示。鑒于該復(fù)合信號(hào)中2個(gè)顯示并未完全重疊，且未造成無法分辨的情況，基于對(duì)此信號(hào)的解析，筆者設(shè)計(jì)了對(duì)比試驗(yàn)，模擬當(dāng)常規(guī)渦流方法不能有效分辨復(fù)合信號(hào)時(shí)，如何進(jìn)行分析和檢測(cè)，并為該類型復(fù)合缺陷的檢測(cè)提供了一種有效的分析方法。

3 試驗(yàn)過程與數(shù)據(jù)分析

選取一根尺寸為19.05 mm×1.09 mm(直徑×壁厚)的鎳基合金管材進(jìn)行模擬試驗(yàn)，在同一模擬試驗(yàn)管上不同位置采用不同力度人工制作了5個(gè)“凹痕”，模擬試驗(yàn)管a、b、c三處凹痕加工力度相同，d處凹痕加工力度較小，e處凹痕加工力度較大；為便于控制人工刻傷大小，在其中a、b、c三處各加工了1個(gè)直徑為1 mm的通孔，其中通孔a位于凹痕軸向中心處，通孔b位于凹痕軸向一側(cè)，通孔c位于凹痕周向中心處，模擬試驗(yàn)管實(shí)物如圖3所示。

圖3 模擬試驗(yàn)管實(shí)物(從左至右分別為試驗(yàn)管a,b,c,d,e)

3.1 使用軸繞式差分探頭進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及分析

使用軸繞式差分探頭對(duì)不同試驗(yàn)樣管進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及分析，不同模擬缺陷的測(cè)量結(jié)果如表4所示。

表4 不同模擬缺陷的軸繞式差分探頭測(cè)量結(jié)果

從表4可以看出，上述試件中5個(gè)模擬缺陷測(cè)量的相位角均在166°～179°之間，深度均為0，若簡(jiǎn)單通過軸繞式差分探頭檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，檢測(cè)人員很容易將其當(dāng)做凹痕信號(hào)來處理。而事實(shí)并非如此，從試驗(yàn)管渦流信號(hào)圖中的凹痕信號(hào)和復(fù)合信號(hào)的信號(hào)圖(兩者的對(duì)比見圖3)中可以看出兩種信號(hào)存在明顯差異，在長(zhǎng)條圖垂直分量上，復(fù)合信號(hào)反饋會(huì)比較大；復(fù)合信號(hào)利薩如圖上，“8”字形信號(hào)會(huì)發(fā)生變形，稍顯圓潤(rùn)，而凹痕信號(hào)則稍顯尖銳[1]。由圖4還可以看出，模擬的凹痕與缺陷的復(fù)合信號(hào)與實(shí)際檢測(cè)到的信號(hào)有較大的相似性，表現(xiàn)為上部為水平走向，下部左側(cè)出現(xiàn)缺陷顯示走向，說明該模擬信號(hào)與實(shí)際缺陷信號(hào)在表現(xiàn)上有較高的一致性。

圖4 試驗(yàn)管的凹痕信號(hào)與復(fù)合信號(hào)對(duì)比

針對(duì)這種現(xiàn)象，筆者嘗試使用混頻方式來消除凹痕信號(hào)對(duì)分析的影響，選擇幅值接近的凹痕信號(hào)進(jìn)行差分通道混頻處理，然后再分析其數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)缺陷信號(hào)形狀和標(biāo)定管通孔的形狀十分相似，且a、b、c三處信號(hào)相位角在33°～37°之間，說明該缺陷的深度接近于貫穿壁厚?；祛l后的信號(hào)比較清楚，混頻后的模擬缺陷測(cè)量結(jié)果表5所示。

表5 混頻后的模擬缺陷測(cè)量結(jié)果

3.2 使用旋轉(zhuǎn)探頭進(jìn)行驗(yàn)證

為了增加對(duì)典型信號(hào)的檢測(cè)手段，彌補(bǔ)BOBBIN探頭對(duì)該類型復(fù)合信號(hào)的檢測(cè)局限性，使用旋轉(zhuǎn)探頭對(duì)上述缺陷進(jìn)行了檢測(cè)，試驗(yàn)管不同模擬缺陷的旋轉(zhuǎn)探頭檢測(cè)結(jié)果如圖5所示。

從圖5中編號(hào)a、b、c的C掃信號(hào)圖中可知復(fù)合信號(hào)有“峰-谷”出現(xiàn)，而編號(hào)d、e的C掃圖信號(hào)只有“波峰”信號(hào)出現(xiàn)。因此，試驗(yàn)管不同模擬缺陷復(fù)合信號(hào)比較容易區(qū)分出來，并不會(huì)受凹痕信號(hào)的影響。

圖5 不同模擬缺陷的旋轉(zhuǎn)探頭檢測(cè)結(jié)果

3.3 使用陣列探頭進(jìn)行驗(yàn)證

為進(jìn)一步進(jìn)行驗(yàn)證，筆者采用陣列探頭對(duì)上述試驗(yàn)管進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集及分析，復(fù)合信號(hào)陣列C掃描結(jié)果如圖6所示。

圖6 試驗(yàn)管的復(fù)合信號(hào)陣列C掃描結(jié)果

由圖6可知，陣列探頭比較容易區(qū)分編號(hào)a、b、c的復(fù)合缺陷，軸向通道和周向通道均有“波峰”顯示，不會(huì)受凹痕信號(hào)的影響,編號(hào)d、e處的凹痕并未出現(xiàn)“波峰”顯示，因此從C掃描結(jié)果上比較容易觀察出此類復(fù)合信號(hào)特征。

綜上所述，對(duì)于復(fù)合信號(hào)，常規(guī)檢測(cè)方法對(duì)準(zhǔn)確判斷缺陷顯示性質(zhì)有較高難度，但經(jīng)過筆者的一系列試驗(yàn)豐富了檢測(cè)手段，可通過使用軸繞探頭、旋轉(zhuǎn)探頭或陣列探頭對(duì)不同模擬缺陷的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，進(jìn)而準(zhǔn)確判斷此類復(fù)合信號(hào)的缺陷類型和性質(zhì)。

此類復(fù)合信號(hào)亦可通過混頻的方式對(duì)干擾信號(hào)(凹痕信號(hào))進(jìn)行消除，進(jìn)而測(cè)量復(fù)合信號(hào)中缺陷的深度。

4 結(jié)語

(1) 該核電站蒸汽發(fā)生器傳熱管顯示信號(hào)與試件中復(fù)合信號(hào)特征相似，該信號(hào)并非單純的凹痕信號(hào)，而是凹陷與缺陷的復(fù)合信號(hào)。

(2) 利用軸繞式差分探頭對(duì)此類缺陷進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，渦流信號(hào)會(huì)發(fā)生明顯變形。利用旋轉(zhuǎn)探頭或者陣列探頭進(jìn)行復(fù)驗(yàn)時(shí)，可明顯區(qū)分出此類信號(hào)為復(fù)合缺陷信號(hào)。

(3) 對(duì)于類似復(fù)合信號(hào)，可通過混頻方式對(duì)其中干擾變量進(jìn)行消除，從而達(dá)到區(qū)分和定量的目的。

(4) 當(dāng)運(yùn)行期間新增凹痕顯示以及原有凹痕顯示在運(yùn)行后有較大幅值或相位變化時(shí)，有必要增加檢測(cè)手段，以確保傳熱管安全。