核電站死水管段不銹鋼管道裂紋超聲檢驗(yàn)

劉波　申國(guó)鋒　邱進(jìn)杰　王仕村　趙偉

【摘 要】“死水管段現(xiàn)象”是影響相關(guān)設(shè)備壽命的主要因素，給相關(guān)設(shè)備的壽命和電站的安全運(yùn)行帶來了很大的隱患。本文通過解析“死水管段”現(xiàn)象中裂紋產(chǎn)生的原理及超聲檢驗(yàn)方法，為核電站的“死水管段”區(qū)域管道維護(hù)提供依據(jù)，對(duì)預(yù)防管道失效，保證管道完整性提供有效手段。

【關(guān)鍵詞】不銹鋼管道；死水管段；裂紋；超聲檢驗(yàn)

0 前言

隨著核電站服役時(shí)間的增加，核電站的系統(tǒng)、部件會(huì)出現(xiàn)不同程度的老化和失效。“死水管段”現(xiàn)象作為核電站管道失效的一個(gè)主要原因，影響到核電站管道的完整性，直接影響到核電站的安全和能力因子，越來越引起相關(guān)國(guó)家和機(jī)構(gòu)的廣泛關(guān)注。

目前國(guó)外核電廠都不同程度地發(fā)現(xiàn)了“死水管段”現(xiàn)象，1987年在美國(guó)的Farley核電站，1988年在比利時(shí)的Tihange核電站，1998年5月在法國(guó)核電站機(jī)組CIVAUX1，相繼出現(xiàn)泄漏性熱疲勞裂紋，并且也相應(yīng)的采取了一些無損檢測(cè)措施，確定了產(chǎn)生熱疲勞裂紋的區(qū)域，為核電站“死水管段”區(qū)域管道維護(hù)提供依據(jù)。

近年來在國(guó)內(nèi)某核電站的“死水管段”區(qū)域?qū)嵤┏暀z查后也發(fā)現(xiàn)了一些熱疲勞裂紋，并且通過超聲檢驗(yàn)確定了裂紋位置，為核電站管道更換和維護(hù)提供了依據(jù)。因此本文以某核電站“死水管段”區(qū)域超聲檢驗(yàn)為例，研究分析該檢驗(yàn)方法的特點(diǎn)，介紹“死水管段”區(qū)域中裂紋產(chǎn)生的原理以及超聲檢驗(yàn)技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況，為其它核電站的“死水管段”區(qū)域檢驗(yàn)和設(shè)備管理提供有效手段。

1 裂紋產(chǎn)生的原理

1.1 “死水管段”

反應(yīng)堆冷卻劑回路和輔助回路之間的連接管段，在機(jī)組正常運(yùn)行期間，連接管段涉及的所有閥門都處于關(guān)閉狀態(tài)，因此在入口隔離閥和出口隔離閥之間的水是靜止不動(dòng)的死水，故稱之為死水管段。死水管段現(xiàn)象就是指這一管段出現(xiàn)汽（氣）水兩相分層的現(xiàn)象。當(dāng)一回路在升溫升壓及正常運(yùn)行的過程中，由于“死水管段”中壓力較低，水的飽和溫度也較低，較低壓力的水會(huì)被一回路側(cè)隔離閥加熱沸騰出現(xiàn)汽（氣）-水分層現(xiàn)象，介質(zhì)中的添加物質(zhì)（如硼）、雜質(zhì)等會(huì)在汽（氣）-水界面發(fā)生富集，導(dǎo)致局部環(huán)境惡化（pH值降低），介質(zhì)中含有一定的氧，將會(huì)促進(jìn)汽（氣）-水界面環(huán)境更加惡化（富氧），汽（氣）-水界面處的管道、閥門材料長(zhǎng)時(shí)間處于此惡劣環(huán)境中，將導(dǎo)致材料發(fā)生腐蝕（閥瓣）、熱疲勞裂紋（管道）、應(yīng)力腐蝕（管道），經(jīng)常會(huì)發(fā)現(xiàn)一條明顯的腐蝕線，如果情況嚴(yán)重還可觀察到小裂紋。

1.2 裂紋產(chǎn)生

不穩(wěn)定的熱分層可導(dǎo)致疲勞問題的發(fā)生，發(fā)生熱分層的主要模式有湍流滲入、閥門泄漏。

湍流滲入主要發(fā)生在與主管道相連接的輔助管道上，由于一次隔離閥處于常閉狀態(tài)，一回路冷卻劑會(huì)在主管道和一次隔離閥之間的管道內(nèi)形成湍流進(jìn)入到輔助管道內(nèi)，而在一次隔離閥上游側(cè)的“死水管段”內(nèi)不會(huì)發(fā)生湍流滲入現(xiàn)象。

湍流滲入和閥門泄漏可造成死水管段區(qū)域的冷、熱流體混合；冷、熱流體交界面隨著湍流加熱和閥門間歇性的泄漏會(huì)發(fā)生移動(dòng)，在冷、熱流體交界移動(dòng)的部位會(huì)發(fā)生疲勞裂紋。

如果管道在運(yùn)行時(shí)存在高的拉應(yīng)力、加上處于有腐蝕環(huán)境，則可能發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。

1.3 “死水管段”區(qū)域判據(jù)

根據(jù)死水管段區(qū)域產(chǎn)生的原理，與一回路相連接的管線并不一定都會(huì)發(fā)生死水管段現(xiàn)象，“死水管段”區(qū)域的主要判據(jù)如下：

1）管線上是否有兩個(gè)隔離閥；

2）如果有兩個(gè)隔離閥，在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，隔離閥是否處于隔離狀態(tài)；

3）分析死水管段產(chǎn)生的溫度和壓力，最后確認(rèn)檢驗(yàn)范圍。

2 超聲檢驗(yàn)技術(shù)

缺陷基本是從管道內(nèi)部開始產(chǎn)生，而且需要對(duì)管道金屬母材全部區(qū)域進(jìn)行檢查，因此選擇超聲方法作為最終檢測(cè)方法。

2.1 檢驗(yàn)范圍

檢驗(yàn)范圍為RCP/RIS/RRA系統(tǒng)（反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)/安全注入系統(tǒng)/余熱排出系統(tǒng)）死水管段管可能出現(xiàn)疲勞裂紋、應(yīng)力腐蝕裂紋的區(qū)域，這些區(qū)域?yàn)椋?/p>

1）一次閥上游（非主管道側(cè)）1500mm區(qū)域；

2）一次閥下游（主管道側(cè)）500mm區(qū)域；

3）二次閥上游（非主管道側(cè)）300mm區(qū)域。

各管線在上述區(qū)域內(nèi)，可能出現(xiàn)彎頭、水平直管段、豎直管段、傾斜直管段、T型管段，檢查區(qū)域按以下原則進(jìn)行。

1）彎頭，對(duì)全部面積作檢驗(yàn)；

2）水平直管段，對(duì)全部面積作檢驗(yàn)；

3）豎直直管段，對(duì)全部面積作檢驗(yàn)；

4）傾斜直管段，對(duì)全部面積作檢驗(yàn)；

5）T型管段，對(duì)T型管段的背面中心線兩側(cè)盡可能多的區(qū)域作檢驗(yàn)。

2.2 檢驗(yàn)設(shè)備

檢驗(yàn)時(shí)所用的設(shè)備，包括超聲波探傷儀、探頭、標(biāo)準(zhǔn)試塊、參考試塊、耦合劑。

2.2.1 超聲波探傷儀

使用脈沖反射式超聲波探傷儀。

2.2.2 探頭

1）探頭的選擇

（1）檢驗(yàn)波型的選擇

由“端角反射”可知，縱波入射時(shí)，端角反射率都很低，這是因?yàn)榭v波在端角的兩次反射中分離出較強(qiáng)的橫波。橫波入射時(shí)，入射角為35°～55°時(shí)端角反射率達(dá)100%，檢驗(yàn)靈敏度高，見圖3所示。管道內(nèi)、外壁的裂紋情況類似這種情況。另外在檢驗(yàn)中希望管道中存在的波形單一，形成的A顯示波形清晰簡(jiǎn)單，便于缺陷信號(hào)的正確判斷。所以“死水管段”區(qū)域超聲檢驗(yàn)選擇橫波。

圖1 橫波端角反射率示意圖

（2）探頭角度的選擇

為了保證管道超聲檢驗(yàn)為純橫波，聲束入射角應(yīng)選擇在第一臨界角和第二臨界角之間。

設(shè)：管道中橫波的折射角為β，管道中橫波的最小折射角為βmin，管道中橫波的最大折射角為βmax（聲束軸線與管道內(nèi)壁相切的角度）。為了保證管道超聲檢驗(yàn)為純橫波，根據(jù)折射定律，管道中橫波的最小折射角應(yīng)大于等于32.7°（βmin= sin-1（CS/CL） ≈32.7°）（不銹鋼中的橫波速度CS≈3100m/s，縱波速度為CL≈5740m/s）。為保證沿管道外圓作周向掃查時(shí)，可檢出管道內(nèi)壁的軸向（縱向）裂紋，管道中橫波的折射角應(yīng)小于等于βmax，βmax= sin-1βmax sinβmax=r/R=1-（2t/D） （r 為內(nèi)半徑，R為外半徑，t為壁厚，D為外徑）見圖2所示。

圖2 橫波折射角及主聲束傳播情況示意圖

考慮到被檢管道的規(guī)格，端角反射率，r/R=接近臨界值時(shí)產(chǎn)生的表面波引起的聲程偏差，折射角度的計(jì)算結(jié)果，探頭選用T45°、T35°。

（3）探頭頻率、尺寸的選擇

探頭頻率選擇2MHz、2.25MHz、4MHz，考慮到管道的曲率半徑（耦合性），缺陷的定位、定量精度，近場(chǎng)區(qū)大小，探頭晶片尺寸選擇8×9mm、Φ6.35mm。具體的主要探頭參數(shù)見表1。

表1 檢驗(yàn)中使用的主要探頭參數(shù)表

注：檢驗(yàn)過程中若有缺陷顯示，可以選用參數(shù)相同但頻率為4MHz的探頭進(jìn)行輔助檢驗(yàn).

2.3 試塊

2.3.1 標(biāo)準(zhǔn)試塊

使用CSK-IA和V2試塊，用于儀器和探頭性能的測(cè)試及靈敏度設(shè)置。

2.3.2 參考試塊

參考試塊材料和熱處理狀態(tài)應(yīng)與被檢件相同或聲學(xué)與特性相接近的材料，表面粗糙度不超過6.3？滋m，用于弧面探頭性能的測(cè)試，靈敏度設(shè)置。

2.4 檢驗(yàn)方法

死水管段區(qū)域不銹鋼管段包括水平和傾斜直管、垂直直管段和90°垂直彎頭，掃查方向如下圖3所示，具體檢驗(yàn)方法如下：

1）彎頭

（1）對(duì)厚度<25mm的彎頭只使用T 45°探頭，對(duì)厚度≥25mm彎頭使用T45°探頭和T35°探頭；

（2）用T45°平面探頭，按一個(gè)方向（1或5）軸向掃查彎頭的外脊背和兩側(cè)，掃查同時(shí)探頭做適當(dāng)?shù)臄[動(dòng)。如果在此次掃查中檢測(cè)到缺陷，則用另一個(gè)尚未使用的方向（即5或1）進(jìn)行掃查；

（3）用T45°弧面探頭按一個(gè)方向（3或7）周向掃查彎頭的外脊背和兩側(cè)，如果在此次掃查中檢測(cè)到缺陷，則用另一個(gè)尚未使用的方向（7或3）進(jìn)行掃查；

（4）用T45Alpha探頭按一個(gè)方向（1或5）軸向掃查彎頭的內(nèi)脊背，如果在此次掃查中檢測(cè)到缺陷，則用另一個(gè)尚未使用的方向（即5或1）進(jìn)行掃查；

（5）用T45Alpha探頭按一個(gè)方向（3或7）周向掃查彎頭的內(nèi)脊背，如果在此次掃查中檢測(cè)到缺陷，則用另一個(gè)尚未使用的方向（即7或3）進(jìn)行掃查；

（6）若使用T35°平面和弧面探頭，采取與T45°探頭同樣的方法。

2）直管段（水平直管段、豎直直管段、傾斜直管段）

（1）對(duì)厚度<25mm的直管只使用T45°探頭；對(duì)厚度≥25mm直管使用T45°探頭和T35°探頭；

（2）用T45°平面探頭，按一個(gè)方向（1或5）軸向掃查直管段管材，掃查同時(shí)探頭做適當(dāng)?shù)臄[動(dòng)。如果在此次掃查中檢測(cè)到缺陷，則用另一個(gè)尚未使用的方向（即5或1）進(jìn)行掃查；

（3）用T45°弧面探頭按一個(gè)方向（3或7）周向掃查直管段管材，如果在此次掃查中檢測(cè)到缺陷，則用另一個(gè)尚未使用的方向（7或3）進(jìn)行掃查；

（4）若使用T35°平面和弧面探頭，采取與T45°探頭同樣的方法。

3）T型管段

（1）對(duì)厚度<25mm的T型管段只使用T 45°探頭，對(duì)厚度≥25mmT型管段使用T45°探頭和T35°探頭；

（2）用T45°平面探頭，按一個(gè)方向（1或5）掃查T型管段背面區(qū)域，掃查同時(shí)探頭做適當(dāng)?shù)臄[動(dòng)。如果在此次掃查中檢測(cè)到缺陷，則用另一個(gè)尚未使用的方向（即5或1）進(jìn)行掃查；

（3）用T45°弧面探頭按一個(gè)方向（3或7）掃查T型管段背面區(qū)域，如果在此次掃查中檢測(cè)到缺陷，則用另一個(gè)尚未使用的方向（7或3）進(jìn)行掃查；

（4）若使用T35°平面和弧面探頭，采取與T45°探頭同樣的方法。

圖3 掃查方向的定義

2.5 缺陷顯示特征

死水管段的裂紋垂直于內(nèi)壁，并且具有明顯的取向性，當(dāng)從兩個(gè)相反方向探測(cè)此時(shí)，信號(hào)的聲程和幅值十分相似。

2.6 掃查要求

在信噪比允許的情況下（≦10%）盡量提高掃查靈敏度，探頭的掃查方向分為軸向和周向掃查，探頭掃查速度不大于100mm/s；當(dāng)探頭移動(dòng)時(shí)，每個(gè)步距至少有20%探頭（壓電晶體）面積重疊。當(dāng)掃查中出現(xiàn)“顯示”時(shí)，則用另一個(gè)尚未使用的掃查方向進(jìn)行掃查，對(duì)“顯示”應(yīng)選用4 MHz橫波探頭進(jìn)行驗(yàn)證。對(duì)“缺陷顯示”采用-6dB法測(cè)量顯示長(zhǎng)度。

2.7 記錄和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)

2.7.1 記錄標(biāo)準(zhǔn)

在掃查靈敏度下能夠與噪聲信號(hào)明顯區(qū)分的所有缺陷信號(hào)均需要進(jìn)行記錄和分析。

2.7.2 驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)

裂紋不可接受。

3 應(yīng)用情況

在國(guó)內(nèi)某核電的換料大修期間，采用該超聲檢驗(yàn)技術(shù)，對(duì)選定的死水管段進(jìn)行超聲檢驗(yàn)，在管道內(nèi)壁母材區(qū)檢測(cè)到多條軸向裂紋顯示，典型的裂紋信號(hào)見圖4所示。該處管道位于與一回路相連接的一次隔離閥和二次隔離閥之間。閥門移除后，對(duì)該管道內(nèi)表面母材進(jìn)行滲透檢驗(yàn)，在管道內(nèi)壁發(fā)現(xiàn)多條軸向裂紋顯示，滲透檢驗(yàn)與超聲檢驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，檢驗(yàn)結(jié)果一致。核電廠根據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果對(duì)該管段進(jìn)行了更換。

對(duì)裂紋的微觀檢查結(jié)果，判斷產(chǎn)生裂紋的原因是死水管段現(xiàn)象引起的熱疲勞裂紋。

4 結(jié)論

缺陷原理分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用中死水管段超聲檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的裂紋顯示與滲透檢驗(yàn)結(jié)果一致，證明了死水管段裂紋超聲檢驗(yàn)技術(shù)的有效性。采用超聲檢驗(yàn)對(duì)死水管段進(jìn)行檢驗(yàn)，是預(yù)防管道失效，保證管道完整性的有效手段。

【參考文獻(xiàn)】

[1]超聲檢測(cè).NDT全國(guó)特種設(shè)備無損檢測(cè)人員資格考核統(tǒng)編教材[M].2版.

[責(zé)任編輯：湯靜]