蒸汽發(fā)生器傳熱管二次側結垢分布及檢測方法

夏清友,姚傳黨,曾玉華,王家建

(中核武漢核電運行技術股份有限公司, 武漢 430223)

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蒸汽發(fā)生器傳熱管二次側結垢分布及檢測方法

夏清友,姚傳黨,曾玉華,王家建

(中核武漢核電運行技術股份有限公司, 武漢 430223)

在核電站運行期間，蒸汽發(fā)生器二次側管板、支撐板、傳熱管表面均會有泥渣沉積及結垢現象發(fā)生。利用渦流檢測技術，可以有效檢測傳熱管外壁泥渣沉積與結垢的分布。通過計算機建模及圖形處理方法給出結垢分布結果,介紹了蒸汽發(fā)生器傳熱管二次側泥渣結垢的檢測及圖形顯示方法。

蒸汽發(fā)生器;結垢;低頻渦流;分布顯示

壓水堆核電站二回路系統水介質中存在固態(tài)的腐蝕產物雜質，當這些雜質隨水介質進入蒸汽發(fā)生器二次側后，經過蒸發(fā)、濃縮、匯聚并沉積在蒸汽發(fā)生器管板、支撐板、傳熱管表面以及支撐板與傳熱管的縫隙之間[1]。嚴重的傳熱管表面結垢將影響蒸汽發(fā)生器的換熱效率，并危及傳熱管壽命。核電站停堆期間通常會對二次側管板等區(qū)域進行視頻檢查(檢查區(qū)域主要包括二次側管板、預熱器防沖板、第一支撐板以及預熱器第三塊折流板等[2])，但視頻檢查范圍有限，無法對全部管束及支撐結構進行檢查。鑒于渦流低頻檢測技術對定位傳熱管外壁的支撐結構及泥渣結垢等附著物有較好的檢測能力，在役檢查期間可使用該方法對傳熱管二次側表面結垢進行測量及定位。筆者通過建立傳熱管管束及支撐結構的三維模型，結合傳熱管結垢的渦流測量結果,在模型中對傳熱管結垢分布進行了平面圖形、三維圖形顯示，使得結垢分布更加直觀。該方法能對結垢程度、結垢分布范圍、結垢位置等進行圖形顯示。

1　傳熱管的支撐結構與排列方式

蒸汽發(fā)生器傳熱管的支撐結構主要包括管板、分流板、支撐板及防振條，其作用主要是對傳熱管管束起到支撐固定作用，減小蒸汽發(fā)生器一、二回路熱交換過程中流體振動對傳熱管造成的損傷。以國內某核電站立式蒸汽發(fā)生器為例，其傳熱管規(guī)格為φ19.05 mm×1.05 mm的U型管，材料為Inconel 690合金。其兩側管口與蒸汽發(fā)生器管板一次側齊平，并在管板內進行全深度液壓脹，使傳熱管與管板脹接。管束的二次側支撐結構由下至上分別為1塊流量分配板、9塊支撐板、3組防震條，結構示意如圖1所示。

單臺蒸汽發(fā)生器傳熱管共4 474根，呈正方形排列，共53行、110列。管板傳熱管分布見圖2。

圖1　管束及支撐結構示意

圖2　管板傳熱管分布

2　結垢的檢測

2.1檢測時機

如果要得到完整的結垢分布結果，需要對全部傳熱管進行測量。并且傳熱管外壁結垢僅在核電站運行期間產生,因此適合在歷次十年大修的蒸汽發(fā)生器傳熱管在役檢查期間進行結垢分布的測量工作。在對正常缺陷進行分析后，對已進行結垢檢測的傳熱管完成對比分析(傳熱管渦流檢測數據需經過兩次獨立的缺陷分析，并對兩次分析結果進行比對，確認最終的數據分析結果，比對過程被稱為Resolution)。再對歷次十年大修結垢程度及分布進行對比，可以了解蒸汽發(fā)生器二回路結垢狀態(tài)的變化。

2.2測量方法

由于低頻絕對通道對傳熱管附著物及材料變化有較好的檢測能力，因此實際測量過程中，采用低頻絕對通道對傳熱管外壁結垢進行測量。

2.2.1基本原理

渦流檢測方法是以電磁感應原理為基礎，適用于導電材料的一種常規(guī)無損檢測方法。當載有交變電流的激勵線圈置于被檢工件表面時，工件表面會感應出渦流。由于集膚效應，工件表面感應出的渦流密度隨著距離表面深度的增加呈指數衰減規(guī)律。激勵頻率是渦流檢測的一個關鍵因素，當激勵頻率減小時，渦流滲透深度增加，相應檢測深度也增加。低頻渦流被稱為“低頻”的原因就在于利用較低的頻率穿透試件，以實現較深部位缺陷的檢測[3]。有資料顯示，傳熱管外壁結垢的主要成分為Fe3O4[4]，由于其在常溫時具有較高的導電率，因此適用渦流檢測方法。結垢分布在傳熱管外壁，且檢測線圈置于管內側，因此需用具有較高滲透深度的低頻渦流檢測傳熱管的外壁結垢。

2.2.2數據測量

圖3　結垢渦流檢測信號示意

測量前需對傳熱管數據信號進行相位調節(jié)及幅值設定，使得結垢信號的相位角區(qū)別于噪聲、缺陷等非結垢信號，以便于識別有用信號。選取低頻絕對通道長條圖中的結垢信號，將信號相位調節(jié)為垂直90°，使其垂直分量最大化。使用CEddy-ANA軟件對低頻長條圖進行自動測量，并記錄結垢分布的垂直分量變化，信號示意見圖3。從圖3可看出，02C(冷端第2支撐板)附近存在較多外壁結垢，可清晰判別結垢信號。測量過程中軟件將以設定的掃查步進對長條圖進行測量，當軟件檢測到結垢的垂直分量變化時,記錄當前結垢幅值及位置，直到整根傳熱管掃查結束。2.3結垢測量過程

以國內某核電站為例，十年大修期間對全部傳熱管的長度進行了渦流檢驗，并完成了缺陷分析及Resolution結果比對。利用上述測量方法對全部已獲得的傳熱管數據再進行結垢測量。

2.3.1參數設置

結垢檢測過程使用610-ULC型軸繞式渦流探頭及OMNI-200R型多頻渦流儀，并對20 kHz低頻絕對通道的傳熱管渦流信號進行結垢測量。測量前根據2.2節(jié)測量方法設置測量通道及相位角，并對標定信號進行幅值設定。標定時選擇RSE-M標定管上的30%壁厚環(huán)槽，將其低頻絕對通道設為30 V，標定管示意見圖4。標定管人工缺陷信息如表1所示。2.3.2測量區(qū)域

根據傳熱管支撐結構設置Landmark(傳熱管支支撐結構的定位標識，用三字符表示具體支撐結構)，并與之一一對應，Landmark見圖5。對每根傳熱管的直管段進行結垢自動測量，測量間隔為10 mm。由于彎管段存在信號漂移(低頻絕對通道彎管段信號存在電壓的垂直分量，測量過程會將其作為結垢信號記錄)，所以此次結垢自動測量區(qū)域中不包含彎管段。其測量范圍為熱端TSH-09H及冷端TSC-09C，結垢測量區(qū)域示意見圖5。

圖4　RSE-M標定管結構示意

位置ABCDE缺陷深度占壁厚百分比10%10%40%30%100%缺陷深度/nm0.1090.1090.4360.322-

圖5　結垢測量區(qū)域示意

2.3.3測量結果

對每根傳熱管數據的直管段進行結垢信號測量，并記錄電壓不小于0.5 V的結垢信號。測量結果以表格形式記錄，見表2(08H是熱端第8支撐板簡寫)。

表2　傳熱管(COL003 ROW058)結垢測量結果

2.3.4測量數據有效性

為避免渦流信號影響檢測結果，該測量及分析方法需在完成正常缺陷分析工作之后實施。對已執(zhí)行完Resolution結果對比分析的數據進行結垢測量工作,以保證數據的完整性。

3　結垢分布的圖形顯示

為了將傳熱管結垢測量結果及分布情況以圖形方式顯示出來，需要利用計算機建立傳熱管管束及支撐結構的三維模型。將傳熱管結垢測量結果導入模型后再進行數據處理，便可得到相應的結垢平面或立體結垢分布圖。

3.1管束及支撐結構的三維建模

結合蒸汽發(fā)生器管束及支撐結構的位置關系，以1∶1比例進行計算機三維建模。支撐結構相對位置分別設置如下:TSH(熱端管板上表面)為0 mm，FBT(流量分配板)為509.5 mm,TSP1(第一支撐板)為488.5 mm,TSP2～TSP9(第2到第9支撐板)均為998 mm,模型示意見圖6。模型中僅包含支撐平面及傳熱管管束,相對位置為距離前一支撐結構的距離。

圖6　支撐結構模型示意

3.2結垢信息導入

以表1中的傳熱管結垢測量結果為例，在模型中找到相應的傳熱管，并在傳熱管上標記出結垢位置及該位置處的幅值大小。根據上述方法在模型中逐一導入全部傳熱管結垢測量結果后，可得到蒸汽發(fā)生器整體結垢數據模型。

3.3結垢的顏色顯示方法

對測量的結垢幅值進行顏色表示，以國內某核電站為例，測量的結垢幅值最大約10 V。使用RGB及HSV顏色模型進行結垢幅值大小的顯示與區(qū)分，使得幅值與顏色相關(見圖7)。

圖7　結垢的顏色顯示

3.4結垢平面與立體顯示方法

在結垢模型中截取某一高度的平面，收集全部傳熱管在該高度位置的結垢測量幅值及對應管號，并將幅值結果標記在圖2所示平面圖形中。利用圖7中的顏色代替平面圖形上的相應幅值，便可得到該高度位置的結垢平面分布。結垢平面圖形用于表現結垢在指定高度、指定行或列位置所在平面的結垢分布狀況。將模型中的全部結垢幅值使用顏色與之對應,便可得到整體的結垢立體分布圖形。結垢的簡易平面及立體顯示方式見圖8。

圖8　結垢的平面及立體圖形顯示

4　方法應用與統計結果

國內某核電站十年大修期間使用上述方法對3臺蒸汽發(fā)生器(每臺4 474根)傳熱管的全長度進行了渦流檢驗，對Resolution結果比對后的數據進行了結垢測量。利用上述三維建模及平面顯示方法，將全部傳熱管結垢數據導入模型數據庫，并對蒸汽發(fā)生器傳熱管直管段進行了結垢分布的圖形顯示及數據統計工作。以其中一臺蒸汽發(fā)生器為例，TSP1(第1支撐板)、FBP(流量分配板)及TSP2(第2支撐板)上表面結垢分布見圖9。

圖9　支撐板結垢分布

圖10　垂直平面結垢分布

由圖9可以清晰看到結垢分布的具體位置、分布范圍及結垢程度。使用該方法同樣可以得到蒸汽發(fā)生器傳熱管管束的垂直結垢分布，見圖10。

圖10顯示的為第55列傳熱管所在位置的直管段結垢分布，其主要為熱端第5支撐板至第9支撐板(TSP5～TSP9)間,及流量分配板至第2支撐板(FBP～TSP2)間的結垢分布。利用三維顯示技術將全部結垢幅值大于0 V，及結垢幅值在5～10 V范圍的結垢進行三維顯示，見圖11。其中左圖為整體分布效果圖，右圖為范圍分布效果圖。

圖11　三維立體結垢分布

對全部結垢測量結果進行統計，得到結垢分布統計表，見表3。

從表2可以看出，蒸汽發(fā)生器傳熱管二次側表面結垢分布范圍及比例中，熱端約占66.63%，冷端

表3　結垢分布統計結果　%

約占33.37%。其中熱端主要分布在TSP5～TSP9之間,約占49.86%;冷端主要分布在TSP1～TSP2之間,約占20.09%。借助視頻檢查方法確認，從二次側觀察孔對第1支撐板下方的結垢情況進行了檢查，與渦流結垢測量結果基本一致(因視頻檢驗范圍受限，僅能檢查該區(qū)域的結垢情況)。

5　結語

結垢測量方法利用了低頻渦流具有的較高滲透深度的技術特點，可獲得傳熱管外壁結垢信息。結合數據庫及圖形處理技術，可對結垢位置及分布進行平面及三維顯示，使結垢分布更清晰直觀。經過實踐證明，該技術可對運行中的蒸汽發(fā)生器傳熱管二次側結垢情況進行有效測量。由于結垢變化是一個緩慢的過程，為了保證結果的完整性及準確性，該項檢測工作適合全面在役檢查期間執(zhí)行，其通過對歷次全面檢查結果進行對比可掌握結垢變化及發(fā)展情況。該技術可為掌握蒸汽發(fā)生器二次側的結垢狀態(tài)及對二次側沖洗等工作提供幫助。

[1]李江,李娟,石磊.蒸汽發(fā)生器二次側管板視頻檢查及檢查裝置的近期發(fā)展[C]∥第十屆無損檢測學會年會論文集.[出版地不詳]:[出版者不詳],2013.

[2]劉鴻運,程慧平. 鼓泡清洗技術(PPC)在蒸汽發(fā)生器泥渣清洗中的應用[J]. 核動力運行研究, 1999, 12(4):43-45.

[3]許萬中.低頻渦流技術的應用[J].無損檢測,1996,18(8):227-231.

[4]孔祥純,徐宏濤,劉小杰. 蒸汽發(fā)生器沉積物模擬垢樣制備研究[R].北京:中國原子能出版社,2011.

Distribution of Fouls within the Secondary Side of Steam Generator and its Measurement

XIA Qing-you, YAO Chuan-dang, ZENG Yu-hua, WANG Jia-jian

(China Nuclear Power Operation Technology Corporation, Ltd., Wuhan 430223, China)

During the operation of nuclear power plant, deposits and fouls will be accumulating on tube-sheet, tube-support and tube surface within the secondary side of steam generator. The deposits can be detected by using eddy current technology. Utilizing Computer modeling and graphic processing, we can get the results of deposits. This article describes scaling detection method and graphic display for deposits distribution within steam generator.

Steam generator; Fouling; Low frequency; Distribution graphic

2015-11-03

夏清友(1984-)，男，工程師，主要從事核設備無損檢測技術研究和檢查工作。

夏清友,E-mail: 414608903@qq.com。

10.11973/wsjc201609019

TG115.28

B

1000-6656(2016)09-0070-05