李 杰，汪 濤，江小勇，許俊龍，李 庚

(中廣核檢測(cè)技術(shù)有限公司, 江蘇 蘇州 215021)

0 引言

核能作為主要清潔能源之一，已在一些國(guó)家規(guī)模應(yīng)用，它在帶來(lái)高效能源的同時(shí)，也具有其自身的原始危險(xiǎn)屬性。從1979年的三哩島核事故到1986年的切爾諾貝利事故再到已經(jīng)發(fā)生十多年但至今仍對(duì)我國(guó)核電發(fā)展進(jìn)程產(chǎn)生重要影響的福島核事故[1-3]，無(wú)一不提醒著廣大核電從業(yè)者，核安全應(yīng)擺在核電發(fā)展中最重要的位置。1987年美國(guó)的Farley核電站以及1988年比利時(shí)的Tihange核電站均出現(xiàn)由于核電廠安全注入系統(tǒng)(safety injection system，RIS)的隔離閥泄漏，化學(xué)與容積控制系統(tǒng)上充管線的低溫水通過(guò)反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)(reactor coolant system，RCP)主逆止閥進(jìn)入一回路，產(chǎn)生了冷熱水混流，在RCP逆止閥的下游管段相繼出現(xiàn)泄漏性熱疲勞裂紋，即Farleytihange現(xiàn)象，此后，同類(lèi)現(xiàn)象陸續(xù)在國(guó)內(nèi)外多個(gè)運(yùn)行的核電廠出現(xiàn)[4]。

國(guó)內(nèi)某核電廠自首臺(tái)機(jī)組投入商用以來(lái)已運(yùn)行20余年[5]，一回路輔助管道熱疲勞敏感部位存在發(fā)生疲勞裂紋甚至破裂的風(fēng)險(xiǎn)，使電廠安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)加大。當(dāng)前熱疲勞裂紋運(yùn)行監(jiān)督采用的目視、常規(guī)超聲和射線三種無(wú)損檢測(cè)方法存在效率低、缺陷檢出率低和定位定量困難等不足。相控陣超聲具有聲束角度控制靈活、信號(hào)圖像化處理、多角度檢測(cè)降低漏檢等優(yōu)點(diǎn)[6]，給核電廠輔助管道熱疲勞裂紋監(jiān)督檢測(cè)提供了新思路，但輔助管道現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，管道規(guī)格較多，設(shè)計(jì)成套專(zhuān)用掃查裝置從而準(zhǔn)確可靠地完成掃查工作具有非常重要的價(jià)值。下面旨在開(kāi)發(fā)一套覆蓋輔助管道全部7種規(guī)格直管、彎頭和環(huán)焊縫位置的檢測(cè)裝置，可搭載相控陣超聲探頭對(duì)疲勞裂紋進(jìn)行檢測(cè)。

1 總體方案設(shè)計(jì)

1.1 管道掃查方式確定

國(guó)內(nèi)某核電廠1、2號(hào)機(jī)組一回路受湍流、冷熱混流以及死管段等引起的熱疲勞敏感區(qū)域，主要包含在高壓安注注入部分、冷端管線注入部分、冷端注入管線和余熱系統(tǒng)部分、余熱排出系統(tǒng)T型管段、穩(wěn)壓器波動(dòng)管等位置，經(jīng)統(tǒng)計(jì)匯總，被檢對(duì)象管道涵蓋外徑2～14 in (1 in≈2.54 cm)共7種尺寸的直管、彎頭和環(huán)焊縫，材質(zhì)為鍛造奧氏體不銹鋼，詳細(xì)信息如表1所示。

表1 檢驗(yàn)對(duì)象詳細(xì)信息

熱疲勞管道涵蓋的管徑尺寸范圍為2～14 in，其中包含管道直管、彎管和環(huán)焊縫等區(qū)域的檢測(cè)需求，因此下面從管徑和被檢區(qū)域兩個(gè)角度對(duì)其進(jìn)行分類(lèi)。

熱疲勞管道的管徑范圍覆蓋太廣，最小與最大管徑之間存在6倍多的差距，設(shè)計(jì)的管道掃查系統(tǒng)無(wú)法通過(guò)使用單一的工裝覆蓋所有被檢管道，根據(jù)管徑大小將被檢管道分為兩類(lèi)，2～4 in劃分為中小管徑，6 in及以上劃分為大管徑。小管徑管道分布廣泛，環(huán)境復(fù)雜，所以檢驗(yàn)方式以手動(dòng)為主，重要的檢查部位(如焊縫)可使用半自動(dòng)掃查裝置進(jìn)行檢測(cè)。對(duì)大管徑管道可以實(shí)行自動(dòng)檢測(cè)或半自動(dòng)檢測(cè)。

熱疲勞管道上的被檢區(qū)域存在3種檢查類(lèi)型的檢驗(yàn)對(duì)象(見(jiàn)圖1)，分別為直管母材區(qū)域、環(huán)焊縫區(qū)域和彎管母材區(qū)域。直管母材區(qū)域適合使用操作安裝簡(jiǎn)便的自動(dòng)化設(shè)備，減少檢驗(yàn)人員在輻射環(huán)境中的受照劑量，除此之外對(duì)于管線非常長(zhǎng)的的直管，也有必要采用輕便的半自動(dòng)掃查裝置進(jìn)行檢查；環(huán)焊縫區(qū)域的空間形狀相對(duì)簡(jiǎn)單，可以使用自動(dòng)或半自動(dòng)掃查裝置進(jìn)行檢查；彎管母材區(qū)域在熱疲勞管線中既受到熱分層的沖擊，又受到轉(zhuǎn)彎湍流的影響，屬于易產(chǎn)生疲勞裂紋的區(qū)域[7]。由于彎管曲率的不斷變化，實(shí)現(xiàn)彎管自動(dòng)掃查時(shí)會(huì)出現(xiàn)自動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、安裝適應(yīng)性差的情況，對(duì)大管徑彎管需要設(shè)計(jì)使用半自動(dòng)化掃查裝置進(jìn)行檢查，對(duì)中小管徑的直管和彎管，由于其尺寸較小，檢驗(yàn)覆蓋面小很多，建議使用手動(dòng)檢查。

圖1 熱疲勞管道的3種檢驗(yàn)區(qū)域

根據(jù)以上分析對(duì)熱疲勞管道相控陣超聲檢測(cè)的掃查方式進(jìn)行分類(lèi)，中小管徑管道環(huán)焊縫開(kāi)發(fā)半自動(dòng)的掃查裝置，其他采用傳統(tǒng)手動(dòng)無(wú)坐標(biāo)掃查，大管徑管道直管母材區(qū)域和環(huán)焊縫區(qū)域可以依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境選擇自動(dòng)掃查或半自動(dòng)掃查，彎管母材區(qū)域采用半自動(dòng)掃查，詳見(jiàn)表2。

表2 管道被檢對(duì)象的掃查方式

1.2 總體布置方案

根據(jù)表2確定的被檢對(duì)象掃查方式，給出自動(dòng)掃查和半自動(dòng)掃查檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)布置方案(見(jiàn)圖2)，根據(jù)管道管徑和檢查對(duì)象特點(diǎn)選擇合適的自動(dòng)掃查裝置或半自動(dòng)掃查裝置。

圖2 檢查系統(tǒng)掃查裝置總體布置方案示意

對(duì)管道進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，先將耦合劑涂在被檢管道上，然后將掃查裝置本體放置于管道上并裝夾，調(diào)整好超聲儀設(shè)置，掃查裝置初始定位完成后，開(kāi)始按掃查計(jì)劃自動(dòng)或半自動(dòng)檢測(cè)，超聲儀接收探頭的超聲信號(hào)信息和掃查裝置探頭位置信息合成完整的檢測(cè)信息，直至完成計(jì)劃的采集內(nèi)容，最后終端計(jì)算機(jī)完成相控陣超聲信號(hào)的分析、缺陷定位和圖像處理，將檢驗(yàn)結(jié)果展示出來(lái)。

2 掃查裝置設(shè)計(jì)

根據(jù)各規(guī)格管道和被檢對(duì)象類(lèi)型，結(jié)合調(diào)研的各式掃查裝置結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可規(guī)劃出各式掃查裝置的結(jié)構(gòu)形式，并形成掃查裝置設(shè)計(jì)方案。主要有大管徑直管自動(dòng)掃查裝置、大管徑直彎管兩用掃查裝置和中小管徑環(huán)焊縫掃查裝置三種類(lèi)型。

2.1 大管徑直管自動(dòng)掃查裝置

目前應(yīng)用于直管的自動(dòng)、半自動(dòng)掃查裝置結(jié)構(gòu)有很多，總體可分為三類(lèi)：鏈?zhǔn)脚佬薪Y(jié)構(gòu)、磁吸附小車(chē)結(jié)構(gòu)和固定導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及應(yīng)用案例見(jiàn)表3。

表3 直管掃查裝置結(jié)構(gòu)對(duì)比

核電廠輔助管道現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，管道為奧氏體不銹鋼材料，無(wú)法使用磁吸附結(jié)構(gòu)，因此需要受力結(jié)構(gòu)好、重量輕且安裝簡(jiǎn)便的掃查裝置。經(jīng)過(guò)以上對(duì)比分析，現(xiàn)有的自動(dòng)掃查器結(jié)構(gòu)無(wú)法滿足現(xiàn)場(chǎng)安裝便捷、結(jié)構(gòu)可靠穩(wěn)定的需求。下面提出一種開(kāi)口齒環(huán)式的大管徑自動(dòng)掃查器，采用開(kāi)口齒環(huán)運(yùn)載架搭載探頭的結(jié)構(gòu)，開(kāi)口的齒環(huán)可以穿過(guò)管道，兩側(cè)支腳將設(shè)備固定在管道上，使得設(shè)備整體架裝在管道上，避免懸臂情況存在，提高掃查器剛度，同時(shí)其重量較輕，擁有快卸裝置使得現(xiàn)場(chǎng)安裝更加便捷。全新的開(kāi)口齒環(huán)結(jié)構(gòu)的大管徑直管自動(dòng)掃查裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型見(jiàn)圖3。

圖3 大管徑直管自動(dòng)掃查裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型

2.2 大管徑直彎管兩用掃查裝置

目前公開(kāi)文獻(xiàn)中對(duì)用于彎管檢測(cè)的掃查裝置研究不多，調(diào)研到的彎管檢測(cè)掃查裝置只有浮動(dòng)隨動(dòng)輪結(jié)構(gòu)、磁吸附小車(chē)結(jié)構(gòu)和彎曲導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及應(yīng)用案例見(jiàn)表4。

表4 常用彎頭檢測(cè)結(jié)構(gòu)對(duì)比

核電廠輔助管道的材質(zhì)是奧氏體不銹鋼，無(wú)鐵磁性，而且管道現(xiàn)場(chǎng)需要裝置安裝操作方便，因此彎頭掃查裝置結(jié)構(gòu)無(wú)法應(yīng)用于上述檢測(cè)對(duì)象中。下面提出一種全新結(jié)構(gòu)的掃查裝置，利用彈性壓緊導(dǎo)向輪固定的環(huán)狀半自動(dòng)掃查裝置，導(dǎo)軌上的周向模塊可以帶動(dòng)探頭組件和編碼器周向運(yùn)動(dòng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)管道彎管的周向步進(jìn)軸向掃查，同時(shí)該裝置不受彎管或直管結(jié)構(gòu)限制，可進(jìn)一步適應(yīng)直管管道母材區(qū)域和環(huán)焊縫的掃查功能，設(shè)備操作簡(jiǎn)單，適應(yīng)范圍廣。全新結(jié)構(gòu)的直彎管兩用掃查裝置詳細(xì)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖4。

圖4 大管徑直彎管兩用掃查裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型

2.3 中小管徑焊縫周向半自動(dòng)掃查裝置

中小管徑焊縫周向半自動(dòng)掃查裝置一般采用滾輪＋鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，搭載旋轉(zhuǎn)編碼器，相控陣探頭安裝在鏈條之間，通過(guò)彈簧或卡箍將掃查器固定在被檢管道上并保持一定壓緊力，保證編碼器滾輪在周向掃查時(shí)做純滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)，這是目前行業(yè)內(nèi)的通用掃查方法。鏈?zhǔn)綊卟檠b置可以根據(jù)管徑的變化通過(guò)增減鏈節(jié)的數(shù)量達(dá)到調(diào)節(jié)的目的，但隨著鏈節(jié)的增加會(huì)使掃查器剛性不足，因此對(duì)于管徑大一點(diǎn)的中型管道，設(shè)計(jì)一種抱箍式環(huán)焊縫掃查裝置，它由1個(gè)半圓圓箍和2個(gè)壓緊輪組成，2個(gè)壓緊輪通過(guò)扭簧將圓箍固定在管道上，該結(jié)構(gòu)可以解決鏈?zhǔn)綊卟槠鲃傂圆蛔愕膯?wèn)題。依據(jù)上述思路，設(shè)計(jì)出兩種結(jié)構(gòu)的掃查裝置，其設(shè)計(jì)模型見(jiàn)圖5和圖6。

圖5 鏈?zhǔn)綊卟檠b置

圖6 抱箍式掃查裝置

3 實(shí)驗(yàn)性能驗(yàn)證

將設(shè)計(jì)的掃查裝置在預(yù)埋熱疲勞裂紋的模擬體上搭載相控陣超聲探頭進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證掃查性能。

經(jīng)過(guò)測(cè)試，設(shè)計(jì)的大管徑直管自動(dòng)掃查裝置、大管徑直彎管兩用掃查裝置、鏈?zhǔn)綊卟檠b置和抱箍式掃查裝置均運(yùn)轉(zhuǎn)順暢，掃查功能全部實(shí)現(xiàn)。為了驗(yàn)證其機(jī)械定位精度，掃查裝置安裝后控制其運(yùn)動(dòng)，對(duì)搭載的超聲探頭架組件實(shí)際軸向步進(jìn)位移和周向步進(jìn)角度進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果與編碼器位置顯示對(duì)比，裝置性能試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。結(jié)果表明，大管徑直管自動(dòng)掃查裝置、鏈?zhǔn)綊卟檠b置和抱箍式掃查裝置定位精度高，大管徑直彎管兩用掃查裝置定位精度略差，所有掃查裝置定位精度均滿足掃查需求。

表5 掃查裝置性能試驗(yàn)結(jié)果

在模擬體管道上進(jìn)行大管徑直管自動(dòng)掃查裝置、大管徑直彎管掃查裝置、鏈?zhǔn)綊卟檠b置、抱箍式掃查裝置的掃查實(shí)驗(yàn)，并得到相控陣超聲S掃、C掃、A掃和B掃信號(hào)顯示，結(jié)果表明探頭耦合良好，掃查器穩(wěn)定運(yùn)行，能夠滿足核電廠輔助管道直管、彎管和環(huán)焊縫的檢測(cè)需求。

4 結(jié)束語(yǔ)

以上從核電廠一回路輔助管道熱疲勞裂紋的無(wú)損檢測(cè)需求出發(fā)，根據(jù)輔助管道熱疲勞裂紋敏感區(qū)域管道特點(diǎn)設(shè)計(jì)一套多種類(lèi)、系列化的管道掃查裝置，提高了輔助管道現(xiàn)場(chǎng)相控陣超聲檢測(cè)掃查定位的準(zhǔn)確性和可靠性，能夠完成管道環(huán)焊縫、直管和彎頭母材的掃查作業(yè)，為直管和彎頭檢測(cè)提供了一種新的成套解決方案。