蒸汽發(fā)生器傳熱管旋轉(zhuǎn)探頭與陣列探頭渦流檢測(cè)技術(shù)對(duì)比

楊崇安

(1.核動(dòng)力運(yùn)行研究所，武漢 430223；2.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)生器傳熱管旋轉(zhuǎn)探頭與陣列探頭渦流檢測(cè)技術(shù)對(duì)比

楊崇安1,2

(1.核動(dòng)力運(yùn)行研究所，武漢 430223；2.中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)股份有限公司，武漢 430223)

造成壓水堆核電站蒸汽發(fā)生器降質(zhì)的主要原因有晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕裂紋、減薄、凹痕、機(jī)械磨損、疲勞等。為了可靠地檢測(cè)出傳熱管的運(yùn)行缺陷，分析了旋轉(zhuǎn)探頭與陣列探頭的特性，對(duì)兩種探頭的缺陷識(shí)別以及檢測(cè)能力進(jìn)行了比較試驗(yàn)，確定了傳熱管渦流檢測(cè)中使用旋轉(zhuǎn)探頭及陣列探頭的技術(shù)特點(diǎn)。

渦流檢測(cè)；旋轉(zhuǎn)探頭；陣列探頭

蒸汽發(fā)生器傳熱管出現(xiàn)降質(zhì)時(shí)，會(huì)給蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性帶來(lái)挑戰(zhàn)。壓水堆核電站蒸汽發(fā)生器的降質(zhì)主要由腐蝕和機(jī)械磨損引起，造成傳熱管降質(zhì)的主要原因有晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕裂紋、減薄、凹痕、機(jī)械磨損、疲勞等[1]。

一般采用軸繞式探頭(Bobbin)對(duì)蒸汽發(fā)生器傳熱管實(shí)施全管的渦流檢測(cè)。軸繞式探頭能快速對(duì)傳熱管的降質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)并確定缺陷深度。但是，當(dāng)裂紋和點(diǎn)蝕等顯示在同一區(qū)域時(shí)，Bobbin線圈無(wú)法區(qū)分；在脹管過(guò)渡段會(huì)有一定的檢測(cè)盲區(qū)，因此國(guó)際上目前采用旋轉(zhuǎn)探頭(MRPC)或陣列探頭(ARRAY)對(duì)缺陷進(jìn)行定性，再對(duì)傳熱管脹管過(guò)渡段進(jìn)行補(bǔ)充檢測(cè)的方法。

國(guó)內(nèi)在壓水堆核電站的傳熱管檢測(cè)中已經(jīng)部分使用過(guò)這些檢測(cè)技術(shù)，但還缺乏相應(yīng)的基礎(chǔ)性研究作為技術(shù)支撐，僅根據(jù)國(guó)外檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)開(kāi)展檢測(cè)工作。筆者分析了旋轉(zhuǎn)探頭(MRPC)與陣列探頭(ARRAY)在此區(qū)域?qū)τ谌毕莸臋z測(cè)能力。

1 探頭線圈特性分析

旋轉(zhuǎn)探頭的工作原理是：自發(fā)自收渦流檢測(cè)單元在壓緊彈簧作用下貼合在傳熱管內(nèi)壁，并通過(guò)機(jī)械裝置傳動(dòng)在傳熱管內(nèi)部做螺旋掃查，通過(guò)渦流儀及軟件對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集和處理后進(jìn)行分析;同時(shí)，借由觸發(fā)裝置將每一周掃查的信號(hào)處理后再形成直觀C掃(C-Scan)三維圖。由于探頭貼合在管內(nèi)壁，該探頭的填充因子接近于100%，故檢測(cè)靈敏度非常高。

旋轉(zhuǎn)探頭的響應(yīng)取決于缺陷的取向和結(jié)構(gòu)。其一般由三個(gè)線圈組成：一個(gè)屏蔽扁平式線圈和兩個(gè)定向線圈(正交線圈)。扁平式線圈能量集中，對(duì)于裂紋的檢測(cè)較靈敏。正交線圈是一種將兩個(gè)方向的線圈按差分方式連接的線圈，其一個(gè)線圈沿軸向繞制，另一個(gè)沿周向繞制。繞制時(shí)應(yīng)使兩個(gè)線圈的磁場(chǎng)方向盡量與被檢材料中的缺陷方向相互垂直，從而增強(qiáng)確定缺陷方向和缺陷類(lèi)型特征及其發(fā)展趨勢(shì)的能力。不同的排列旨在抑制線圈的提離效應(yīng)和幾何尺寸變化所造成的影響。由于是差分連接，它可以抑制緩慢變化的干擾信號(hào)，如脹管過(guò)渡段的直徑變化等。旋轉(zhuǎn)探頭結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖1。

圖1 渦流旋轉(zhuǎn)探頭(MRPC)結(jié)構(gòu)示意

陣列渦流探頭的各陣元呈周向密布排列，并按照設(shè)計(jì)的時(shí)序模式交替運(yùn)行，最終達(dá)到磁場(chǎng)及渦流場(chǎng)旋轉(zhuǎn)的目的，其效果等同于旋轉(zhuǎn)探頭的機(jī)械旋轉(zhuǎn)，同時(shí)接收線圈接收到的信號(hào)經(jīng)過(guò)電路放大后傳輸給渦流儀及軟件進(jìn)行處理并呈現(xiàn)出來(lái)。并且，其將每個(gè)接收線圈的信號(hào)按照其物理周向排列位置組合起來(lái)后可形成直觀C-Scan三維圖。該探頭無(wú)需貼合傳熱管，且由于信號(hào)經(jīng)過(guò)了放大，抑制了提離效應(yīng)，故探頭檢測(cè)靈敏度接近旋轉(zhuǎn)探頭。陣列探頭結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖2。

圖2 渦流陣列探頭(ARRAY)結(jié)構(gòu)示意

由于ARRAY探頭的收發(fā)式線圈是以時(shí)序控制的，不需要電機(jī)驅(qū)動(dòng)線圈進(jìn)行機(jī)械旋轉(zhuǎn)，因此較MRPC探頭渦流檢測(cè)，其檢測(cè)速度更快；檢查傳熱管時(shí)，可以從一側(cè)一次實(shí)施，實(shí)現(xiàn)全管檢查，即從一側(cè)就可完成冷熱兩側(cè)的脹管過(guò)渡段的檢測(cè)，大大地提高了檢測(cè)效率[2]。

2 試驗(yàn)制備

2.1 試驗(yàn)設(shè)備及數(shù)據(jù)采集、分析軟件

通過(guò)計(jì)算機(jī)控制多頻渦流儀和探頭推拔器對(duì)試驗(yàn)樣管進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ)，再用分析軟件調(diào)用試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而得到試驗(yàn)結(jié)果。

使用OMNI 200R渦流儀實(shí)現(xiàn)MRPC數(shù)據(jù)采集；使用TC7700渦流儀實(shí)現(xiàn)ARRAY數(shù)據(jù)采集；使用與渦流儀配套的軟件CEddy ANA-N和EV-1.6B，完成渦流數(shù)據(jù)采集和分析工作。

2.2 人工傷試驗(yàn)管設(shè)計(jì)及制作

2.2.1 自由段不同類(lèi)型缺陷試驗(yàn)管

針孔試驗(yàn)管：加工φ0.1～3 mm，深度為100%壁厚的貫穿性缺陷。

裂縫試驗(yàn)管：加工深度為30%，40%，50%壁厚的軸向、周向槽缺陷。

平底孔試驗(yàn)管：加工φ1.3,φ1.7 mm，深度為100%壁厚的通孔；φ2.0 mm，深度為82.9%壁厚的平底孔；φ4.8 mm，深度為42.4%壁厚的平底孔；φ4.8 mm,深度為19.4%壁厚的平底孔。

2.2.2 脹管過(guò)渡段不同類(lèi)型缺陷試驗(yàn)管

平底孔試驗(yàn)管：加工φ1 mm，深度分別為100%，80%，60%，40 %，20%壁厚的平底孔；加工φ4.8 mm，深度為30%壁厚的平底孔。

裂縫試驗(yàn)管：加工深度分別為100%， 80% ，60% ，40 % ，30% ，20% 壁厚且寬度為0.1 mm的電火花槽。

2.3 探頭頻率測(cè)試

首先基于試驗(yàn)管的材料和尺寸進(jìn)行了兩種探頭的參數(shù)測(cè)試，確定各類(lèi)檢測(cè)探頭的頻率如下：

(1) MRPC探頭檢測(cè)頻率

MRPC探頭渦流檢測(cè)采用550,300,150,20 kHz作為檢測(cè)頻率。其中，300 kHz是檢測(cè)缺陷的主檢測(cè)頻率，550,150 kHz 是輔助檢測(cè)頻率，20 kHz是用于顯示定位的頻率；采樣率為1 200點(diǎn)·s-1，推拔器采集速度調(diào)至3 mm·s-1(回拉速度)。

(2) ARRAY探頭檢測(cè)頻率

陣列探頭渦流檢測(cè)采用550,300,150,20 kHz作為檢測(cè)頻率；采樣率為1 500點(diǎn)·s-1，推拔器采集速度調(diào)至500 mm·s-1(回拉速度)。

3 試驗(yàn)過(guò)程

分別使用MRPC探頭，ARRAY探頭將直管段試驗(yàn)管、脹管過(guò)渡段試驗(yàn)管分別放入管板模擬試件中并固定，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

利用渦流分析軟件對(duì)上述兩種探頭采集的渦流數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得到測(cè)量數(shù)值。

(1) 使用MRPC探頭

直管段試驗(yàn)管：點(diǎn)線圈和正交線圈都能檢測(cè)到的最小缺陷是φ0.2 mm以上的貫穿性缺陷；能夠較好地檢測(cè)出深30%壁厚以上裂縫試驗(yàn)管、19.4%壁厚平底孔試驗(yàn)管缺陷。檢測(cè)信號(hào)響應(yīng)如圖3所示。

圖3 MRPC探頭對(duì)直管段試驗(yàn)管上缺陷的檢測(cè)信號(hào)響應(yīng)

脹管過(guò)渡段試驗(yàn)管：可檢出的最小缺陷是深20%壁厚φ1 mm的平底孔，軸向最小缺陷是20%壁厚槽；正交線圈的探測(cè)能力優(yōu)于點(diǎn)線圈。檢測(cè)信號(hào)響應(yīng)如圖4所示。

圖4 MRPC探頭對(duì)脹管過(guò)渡段試驗(yàn)管上缺陷的檢測(cè)信號(hào)響應(yīng)

(2) 使用ARRAY探頭

直管段試驗(yàn)管：可以檢測(cè)出的最小缺陷是φ0.2 mm以上的貫穿性缺陷；能夠較好地檢測(cè)出深30%壁厚以上裂縫試驗(yàn)管、19.4%壁厚平底孔試驗(yàn)管缺陷。檢測(cè)信號(hào)響應(yīng)如圖5所示。

圖5 ARRAY探頭對(duì)缺陷的檢測(cè)信號(hào)響應(yīng)(針孔試驗(yàn)管)

脹管過(guò)渡段試驗(yàn)管:可以檢出的最小缺陷是深20%壁厚φ1 mm平底孔，軸向最小檢出缺陷是20%壁厚槽。檢測(cè)信號(hào)響應(yīng)如圖6所示。

圖6ARRAY探頭對(duì)脹管過(guò)渡段試驗(yàn)管上缺陷的檢測(cè)信號(hào)響應(yīng)

4 試驗(yàn)分析

依據(jù)法國(guó)RSEM《核電廠核島機(jī)械設(shè)備在役檢查規(guī)則》(97版)的要求對(duì)MRPC與ARRAY探頭的采集信號(hào)進(jìn)行分析，經(jīng)綜合分析比較MRPC與ARRAY探頭的檢測(cè)結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：

(1) 兩種探頭直管段缺陷檢出能力基本相當(dāng)

對(duì)于針孔類(lèi)缺陷可發(fā)現(xiàn)的最小缺陷尺寸為φ0.2 mm，而φ0.1 mm的針孔不可見(jiàn)；對(duì)于軸向或者周向裂紋,試驗(yàn)管中所有裂縫缺陷(最小深度30%壁厚) 均清晰可見(jiàn)。

(2) 兩種探頭脹管過(guò)渡段缺陷檢出能力基本相當(dāng)

平底孔最小檢出缺陷是深20%壁厚，φ1 mm的缺陷,軸向槽最小檢出缺陷是深20%壁厚的缺陷;MRPC探頭的正交線圈較點(diǎn)線圈的檢測(cè)能力好，這是由于正交線圈是差分連接，可以抑制緩慢變化的噪聲信號(hào)。

(3) 數(shù)據(jù)分析方法不同

MRPC探頭檢測(cè)時(shí)，觀察數(shù)據(jù)主要是通過(guò)觀察長(zhǎng)條圖和李沙育(Lissayous)圖形，發(fā)現(xiàn)顯示后用C掃圖觀察，確定缺陷的取向、性質(zhì)；然后再結(jié)合長(zhǎng)條圖和Lissyous通道對(duì)缺陷進(jìn)行定位或定量。ARRAY探頭檢測(cè)時(shí)，觀察數(shù)據(jù)直接用C掃圖掃查，發(fā)現(xiàn)顯示時(shí)在C掃圖中找出相應(yīng)通道的顯示進(jìn)行定位或定量。

5 結(jié)語(yǔ)

分析了MRPC與ARRAY兩種不同類(lèi)型渦流探頭的特性，對(duì)不同渦流探頭在傳熱管直管段及脹管過(guò)渡段上的缺陷進(jìn)行了檢測(cè)能力的對(duì)比試驗(yàn)，獲得了相關(guān)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定了兩種探頭的檢測(cè)能力及缺陷的識(shí)別方法 ，能夠進(jìn)一步提高M(jìn)RPC及ARRAY探頭對(duì)缺陷的準(zhǔn)確判別能力。

[1] 丁訓(xùn)慎.核電站蒸汽發(fā)生前傳熱管的降質(zhì)及其無(wú)傷檢測(cè)技術(shù)[J].無(wú)損檢測(cè)，2008,30(1):33-33.

[2] 廖述圣,韓捷.基于數(shù)值計(jì)算的蒸汽發(fā)生器傳熱管磁區(qū)渦流信號(hào)的判別研究[J].無(wú)損檢測(cè),2013,35(4):28-32.

Comparison of Eddy Current Testing of Heat Transfer Tube of Steam Generator by Rotating Probe and Array Probe

YANG Chong-an1,2

(1.Research Institute of Nuclear Power Operation, Wuhan 430223; 2.China Nuclear Power Operation Technology Co., Ltd., Wuhan 430223, China)

The exchange tube of steam generator is the weak point of reactor′s primary circuit. Usually the degradation of PWR nuclear power plant steam generator is mainly caused by corrosion and mechanical wear which include intergranular corrosion, stress corrosion cracking, reduction, dent, mechanical wear, fatigue and etc. In order to detect the defects of heat transfer tubes with higher efficiency and reliability, this article aims to analyze their characteristics. A series of experiments were carried out for the comparison of the defect recognition and detection ability of these two types of probes. The ability of eddy current testing with these two kinds of probes was determined as well.

Eddy current testing; MRPC probe; Array probe

2016-09-07

楊崇安(1963-)，男，主要從事核行業(yè)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)研究及技術(shù)服務(wù)工作。

楊崇安,E-mail:yangchongan@126.com。

10.11973/wsjc201704013

TG115.28

A

1000-6656(2017)04-0064-03