從《壓水堆蒸汽發生器檢查導則》看蒸汽發生器檢查的發展

巢孟科

(上海核工程研究設計院，上海 200233)

從《壓水堆蒸汽發生器檢查導則》看蒸汽發生器檢查的發展

巢孟科

(上海核工程研究設計院，上海 200233)

結合新版EPRI《壓水堆蒸汽發生器檢查導則》的部分內容以及相對早先版本所做的一些改動，論述了蒸汽發生器檢查近期的一些最新發展。重點對損傷機理、渦流檢查技術和數據管理系統的發展情況做了詳細的闡述。

壓水堆蒸汽發生器檢查導則；蒸汽發生器檢查；渦流檢查

EPRI《壓水堆蒸汽發生器檢查導則》(以下簡稱《導則》)是由EPRI(美國電力研究院)發布的關于壓水堆蒸汽發生器檢查的指導性文件，目的在于確定影響蒸汽發生器管子老化機理和對于檢查和測量老化的無損檢查系統進行資格鑒定，在實施蒸汽發生器檢查過程中必須遵照《導則》中的要求和規定制定程序。另外，《導則》還作為執行NEI 97-06《蒸汽發生器程序導則》的輔助文件。《導則》于1981年首次印刷，并于1984、1992、1996、1997和2002再版。作為一份權威的指導性文件，《導則》每次再版都會將其內容中添加或更新將該領域的最新的技術。2007年11月，ERPI正式發布了《導則》第7版。目前，美國大部分壓水堆核電站的蒸汽發生器檢查都參考這份文件制定數據采集和分析的程序。

本文根據新版《導則》的內容以及相對早先版本的所做到的一些改動，結合筆者近期在美國西屋公司的蒸汽發生器檢查的培訓經歷，論述了關于目前蒸汽發生器檢查的最新發展。

1 損傷機理

1.1 消失的損傷機理-沖擊損傷和點蝕

對于蒸汽發生器傳熱管損傷機理的研究已經進行了多年，對于這些損傷因素的避免是業內的主要目標。隨著對蒸汽發生器運行和維護、檢查程序和結構分析的不斷改進，在世界范圍內已成功避免了大量由于蒸汽發生器泄漏停堆引起的發電損失。

隨著對于某些的蒸汽發生器(如BABCOCK&WILCOX公司生產的直通式蒸汽發生器)的更換和管子新材料的使用(采用Inconel690代替Inconel600)，原本一些引起蒸汽發生器管子損傷的降質機理在當前運行的蒸汽發生器中不再存在。

在第7版《導則》中，刪除了先前版本的蒸汽發生器管子的兩種主要的損傷機理沖擊損傷(Impingement damage)和點蝕(Pitting)，將主要的損傷機理歸結為晶間腐蝕、應力腐蝕裂紋、減薄、凹痕、機械磨損和疲勞[1]。

通過改進蒸汽發生器結構和材料從而避免一些損傷機理的發生是從根本上解決損傷因素的有效方法。但是，采用這種方法需要較高的成本和較長的時間。渦流檢查是蒸汽發生器傳熱管最有效的檢查手段，渦流檢查中對于信號分析和評估都是基于損傷機理的。隨著蒸汽發生器結構和材料上的變化，渦流檢查的信號分析和評估方法會隨之不斷地發生改變。

1.2 新損傷誘因-松動件

除了刪除2種主要的損傷機理外，《導則》附錄G.4.2.1.2中將機械磨損歸結為由于支撐造成的磨損和由于松動件(Loose Part)造成的磨損兩類[1]。

松動件是近年來核電站蒸汽發生器運行過程中發現的一種管子損傷因素，將其歸到機械損傷一類。由于其發生的區域帶有隨機性，另外位置會伴隨蒸汽發生器的運行發生改變，且會造成蒸汽發生器各個區域的不斷磨損，因此目包括美國西屋公司在內的核電服務商對這種形式的損傷因素越來越重視，并且已將對松動件的發現和分析部分的內容制定在實際渦流檢查數據分析的導則中。

2 渦流檢查技術

2.1 渦流探頭——廣泛使用X-probe

當前，渦流檢測主要采用Bobbin探頭進行普查，發現可疑信號之后，再采用旋轉探頭或陣列探頭進行復探。Bobbin探頭成本較低而且分析技術成熟，但是存在檢測"盲區"，無法分辨同一位置缺陷數目以及對于缺陷形狀無法分辨和判斷等問題。陣列探頭和旋轉探頭最大的優勢在于其能夠根據檢查結果了解缺陷的幾何形狀，這對于原本單純依靠傳熱管缺陷的形成機理來判斷缺陷的類型的方法顯然要更加可靠，這也是國外一直依靠于這兩種探頭定性定量的重要原因。目前，對于陣列探頭的使用，尤其是X-probe探頭廣泛使用是蒸汽發生器渦流檢查領域的一個重要趨勢。

2.2 參數配置-幅值設定的變化

無論是Bobbin探頭、旋轉探頭還是陣列探頭，配置相位時原則上都是將噪聲信號水平放置，缺陷信號向上。而對于幅值配置，以往設定幅值時一般采用主頻或中心頻率的通道的參考信號(通孔或4個20%平底孔)幅值定義其他的通道。這樣的做法不便之處在于只能在主頻通道直觀地了解到某信號的幅值與參考信號的相對關系，而在其他通道需要根據探頭在各個工作頻率的幅頻響應進行換算。目前，在美國包括西屋公司在內的核電服務承包商在實際蒸汽發生器檢查項目中更普遍的做法是將所有的通道的幅值單獨設置。這種設置方法的優勢在于可以直接測量每個通道的信號幅值，無需再做換算。在第7版《導則》中明確地規定每一個通道的幅值需要單獨設定[1]。

2.3 標定樣管-陣列探頭和旋轉探頭的樣管合并

對于Bobbin探頭，依然沿用ASME樣管進行標定。對于旋轉探頭和陣列探頭的樣管，在第7版《導則》中對樣管上的人工缺陷做了新的修改[1]。《導則》新版和舊版對于樣管的人工缺陷修改對比如下表1所示：

表1 兩個版本《導則》旋轉探頭/陣列探頭標定樣管對比

觀察表1可以發現，第7版《導則》的陣列探頭的樣管可以用于旋轉探頭的標定，也就是將2根樣管合并成1根，這樣的做法縮減了樣管的數量并降低了成本。此外，僅僅刪除了20%的槽對標定并不會造成影響。另外，第7版《導則》導則中說明人工缺陷可以根據需要增加。

2.4 數據分析--規范化、流程化

在對蒸汽發生器的檢查中，使用多頻多通道儀器進行檢查時會遇到各種不同的缺陷類型，所以在信號評估時必須采用嚴格規范化的流程。采用這種方式可以確保對于每一種缺陷類型所采用的分析操作都是最佳的，并且在數據分析的整個過程中流程的貫徹是始終如一的。根據第7版《導則》的闡述，數據分析流程必須包括下列重要幾項：

(1)書面的現場特定的分析導則；

(2)獨立的分析團隊；

(3)自動分析系統(ADS)(如適用)；

(4)決斷(Resolution)；

(5)獨立的QDA(IQDA)監管；

(6)數據分析反饋(Data Analysis Feedback)。

下面分別就這6個部分分別進行探討。

2.4.1 分析導則-內容進一步完善

在美國包括西屋公司在內的核電服務承包商在進行的渦流檢查數據分析都是由分析人員遵照現場特定數據分析導則(Site-Specific Analysis Guideline)執行的。現場特定數據分析導則必須滿足《導則》對于數據分析導則的要求。

在第7版《導則》表6-1中，對于數據分析導則內容要求新增了下列幾項[1]：

(1)蒸汽發生器設計信息；

(2)信號評估：新增對于復合信號或潛在復合信號預防措施的規定；

(3)歷史查閱：規定歷史查閱的要求；

(4)決斷(Resolution)后的數據報告修改流程：規定由數據管理(Data Management)、管子完整性管理(Tube Integrity Engineering)或其他過程中發現的報告中的不符合項，進而執行修改流程。分析導則中添加對于蒸汽發生器設計信息，目的在于使得分析人員能夠充分地了解蒸汽發生器的管板、管子、支撐以及其他管子部件的位置、尺寸、結構和材料等信息。在渦流數據分析時，這些信息能夠幫助分析人員建立Landmark文件、配置分析參數、掌握支撐的結構和缺陷易發生區域，并且根據缺陷機理對信號進行正確評估。

在信號的評估過程中，對于復合信號的預防主要是為了解決Bobbin探頭無法在管子同一位置分辨出多個缺陷的問題。在無法獲知同一位置是單一缺陷還是復合缺陷時，對于缺陷的深度測量會存在很大的誤差。一般在這種情況下，必須采用旋轉探頭和陣列探頭進行復探，并結合缺陷位置、周圍工況和歷史經驗對于缺陷進行定性分析，然后再采用針對性的尺寸測量(Sizing)方法進行測量。

對于歷史信號的查閱一般發生在判斷是否需要對某信號進行復探的時候。分析人員通過與歷史信號幅值和相位的比較，可以了解信號(如支撐磨損)的深度和尺寸是否發生了變化，從而決定是否需要復探。歷史信號一般是上一次在役檢查的檢查結果，對于第一次在役檢查中，采用役前檢查的結果做歷史進行比對核查。

2.4.2 分析團隊-分工明確、人員要求高

蒸汽發生器渦流檢查數據分析主要由兩組獨立的分析團隊(Primary和Secondary)執行數據分析。當兩組分析團隊分析結果產生分歧時，由代表兩個分析團隊的決斷(Resolution)人員進行決斷。另外，為了監督分析團隊，電廠會指派一名獨立的QDA人員(簡稱IQDA)對于分析過程進行監督。目前，蒸汽發生器渦流檢查數據分析團隊普遍采用這種組織結構。

在美國，對于渦流數據分析人員的必須持有II級或者III級的QDA證，在上崗前還必須通過電廠的數據分析考試(SSPD)才能獲得分析資格。在數據分析導則中往往將分析人員的分析方法通過流程圖詳細描述，要求分析人員能夠通過閱讀數據分析導則領會數據分析的流程。工作時，數據分析反饋(在3.4.6節中論述)會直接反映數據分析人員的表現情況，分析人員的任何失誤都會對其職業信譽產生影響，因此分析人員對于任何一次數據分析都十分重視。

2.4.3 自動分析系統-高速發展

自動分析技術是目前世界上最新的渦流分析技術，僅少數幾家公司開發了相關的軟件。目前在美國，ZETEC公司開發的Eddynet軟件和西屋公司開發的ANSER軟件都已經具備了自動分析的功能。典型的自動分析軟件包括一些數據篩選規則及條件閾值，需要由經驗豐富的分析人員對此進行設置[2]。在《導則》規定對于自動分析系統的使用必須在經過認證合格的條件下進行，對于自動分析系統的鑒定一般采用自動分析系能示范數據庫(APPDD)執行。

自動分析技術在提高工作效率、減少人因失誤率及相對穩定性、可移植性方面存在很大優勢, 但也存在不少問題及限制[3]。目前，西屋公司已經大量地采用自動分析技術進行數據分析，并且不斷改進其自動分析系統。通常情況下，分析團隊中將自動分析作為Secondary分析，自動分析的結果并不直接生成分析報告而是由Secondary分析人員做一些刪減，去除一些偽缺陷信號，再生成報告。

自動分析是渦流數據分析的一個趨勢，其發展的速度非常快，可以預見在不久的將來自動分析技術將很大程度替代人工分析。

2.4.4 決斷人員-受到更多約束和監督

決斷人員在整個分析團隊中起到了解決分歧的作用，一般由經驗豐富的III級QDA人員擔任，其目的在于盡可能地解決來自于兩個分析團隊的檢查結果的差異。

在《導則》中，要求決斷人員必須考慮來自于Primary、Secondary和IQDA的反饋。這樣做有助于減少決斷人員發生錯誤的概率。另外，在刪除任意團隊報的降質信號的時候，決斷人員都必須謹慎考慮。此外，對于包含“I”代碼信號的否決，必須由來自不同團隊的兩個決斷人員同意。

決斷人員在分析團隊中起著十分關鍵的作用，其判斷直接影響最終的報告和對于管子相應的處理結果。因此，在分析的整個過程中，對于決斷人員的要求是非常高的。隨著蒸汽發生器檢查的發展和渦流分析團隊的工作模式的優化，為了防止這一環節受到人因因素的影響，對決斷人員的工作添加了更多的限制和來自于其他分析成因的反饋。

2.4.5 IQDA監管-職責明晰

對于IQDA人員，第7版《導則》中新增了一個章節闡述了其職責：

(1)審查所有被決斷人員否決的維修記錄；

(2)當決斷人員與分析人員無法達成一致時，進行協調；

(3)對于數據分析反饋進行監督。

這部分內容首次對于IQDA人員的職責進行的明確表述，審查被決斷人員否決的維修記錄減少了由于決斷人員失誤造成損失的幾率，而對于數據分析反饋的監督則直接起到督促分析人員的作用。以上的這些規定有助于提高IQDA人員在整個分析團隊中所起到的作用。

2.4.6 數據分析反饋-更受重視

數據分析反饋是對于分析人員在整個分析過程中表現的一種評估，另外也起改進分析人員的一致性的目的。一般，分析反饋包括下列分析反饋過程[1]：

(1)Primary和Secondary分析結果必須同Resolution結果比較，再將比較結果反饋給Primary和Secondary。

(2)核實丟失的信號和重復的報告。

(3)核實分析人員遺漏了的降質信號。

(4)核實分析人員重復報告的樣本。

(5)如果Primary和Secondary的分析員不同意Resolution分析結果，任何一個分析員都可以要求Resolution分析員重新考慮其結果。如果Resolution分析員覺得需要維持其原先報告的結果，在這種情況下由IQDA審核信號并采取適當的行動。

(6)核實自動分析報告。

在第7版《導則》中，數據分析反饋是數據管理流程的新增的重要項，從這點可以看出其對于渦流數據分析的作用已經越來越重要。數據分析反饋對于Primary、Secondary和Resolution都是一種約束，也為IQDA人員提供了監控數據分析過程的一種手段，其核心是對渦流數據分析的優化管理。

2.5 數據格式-標準化

統一原始數據格式是核電業主和檢修運行服務商一直存在的需求，但各大渦流檢測設備制造商(如ZETEC和CoreStar等)并不愿意免費公開其數據格式，因此實際上使用不同公司的設備采集的渦流數據還是只能在該公司的軟件平臺上讀取。

EPRI一直以來也在推進這件事的發展，在第7版《導則》中新增了標準化原始數據格式這一章節。但是具體的數據格式必須登陸到EPRIQ.com上查看，僅對會員開放，未對外公開。

3 數據管理系統

蒸汽發生器檢查的數據管理系統的主要目的是對于整個檢查項目進行管理，其中包括：數據采集、分析、機械堵管和襯管工作的管理，檢查范圍的檢查，提供準確的檢查結果報告以及蒸汽發生器檢查項目的關閉等。

目前，美國的核電服務商和渦流設備制造商都開發了自己的數據管理軟件，其中包括：

(1)WESTINGHOUSE公司：ST Max；

(2)AREVA公司：FDMS；

(3)ZETEC公司：EIMS/HMS；

(4)CORSTAR公司：EDDYUSIDD。

采用數據管理軟件對于整個檢修項目進行管理能夠最大化整個項目的執行效率，減少人因因素造成的失誤和損失，其核心作用是對于整個項目的最優化管理。在美國西屋公司，我們親眼見到了他們采用ST Max數據管理系統進行蒸汽發生器檢查管理可以實現同時不同地點多個蒸汽發生器同時檢查，各個數據采集和數據分析團隊同步、有序和高效地完成各自的工作。而且數據管理所涉及的額外增加人員很少，絕大部分的工作都是由軟件自動完成。當然，數據管理軟件的開發和改進需要一個較長的過程，在項目執行之前數據管理系統需要有一個數據庫準備階段。

為了推動蒸汽發生器檢查數據管理的發展和數據管理系統的規范化，在第7版《導則》中新增了數據管理單獨一節對于數據管理工作的相關人員和主要功能的要求做了詳細的說明。其中，要求數據管理人員必須具有數據管理系統操作經驗或者經過相關的培訓，并規定數據管理的主要功能為：制定檢查計劃和擴大抽樣計劃、上傳分析報告、重新制定檢查計劃、跟蹤檢查過程、確保檢查范圍完成、檢查關閉和最終歸檔。

4 小結

發達國家的核電技術已經發展了幾十年，對于壓水堆蒸汽發生器檢查技術的研究已十分成熟。盡管如此，以美國電力研究院、西屋公司和ZETEC公司為代表的研究機構、服務商和儀器制造商對于蒸汽發生器渦流檢查的研究從未停止，正是在這種不間斷研究的推動下，該領域才有不斷地新發展。

如上文所述，在損傷機理研究、探頭技術、分析流程和項目優化管理等全方位的改進，最大程度地降低了蒸汽發生器事故發生的幾率，同時將蒸汽發生器的運行壽命和檢修周期都得到了延長，其社會和經濟效益是顯著的。

我國正處于核電大發展時期，引進的AP1000堆型將會大規模地建成于全國各地，對于蒸汽發生器的檢查我們的經驗相比國外是欠缺的，對于新堆型蒸汽發生器檢查我們更加是從頭開始。"引進、消化、吸收、創新"是我們縮短與國外差距，迅速升自身技術水平的必經之路。

[1] NDE ISSUE RESOLUTION GROUP. PWR steam generator examination guidelines: Revision 7[M].[S.I.] :EPRI,2007.

[2] Valery LUNIN, Andrey ZHDANOV. Automated data analysis in eddy current inspection of steam generator tubes[J].ECNDT 2006-We.2.3.4:1-7.

[3] 貝雅耀，李曉光，宋濤.蒸汽發生器傳熱管渦流數據自動分析技術[J].無損檢測，2009(10):769-772.

(本文文獻格式：巢孟科.從《壓水堆蒸汽發生器檢查導則》看蒸汽發生器檢查的發展[J].山東化工，2016，45(12)：98-101.)

Viewing the Development of SG Examination from Pressurized Water Reactor Steam Generator Examination Guidelines

Chao Mengke

(Shanghai Nuclear Engineering Research and Design Institute,Shanhai 200233,China)

Combined with the new version of EPRI Pressurized Water Reactor Steam Generator Examination Guidelines, the article discusses the newly development of SG examination, focusing on the damage mechanism, ECT technique and data management.

PWR SG examination guidelines； SG examination，eddy current testing

2016-04-18

巢孟科(1986—)，上海人，工程師，在讀工學碩士，從事核電廠蒸汽發生器設計、承壓設備設計。

TL353

A

1008-021X(2016)12-0098-04