AFA 3G破損燃料棒的超聲檢測

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(中核武漢核電運行技術股份有限公司,武漢 430223)

燃料棒包殼作為核電站的第一道防護屏障，如果發生破損，燃料棒中的放射性裂變產物會釋放到一回路的冷卻劑中，從而給核電站的安全性和經濟性造成不良影響。目前，針對燃料組件破損泄漏的診斷方法主要有啜吸法、裂變產物放射性活度估算法等[1-4]，但這些方法僅能確定燃料組件內是否有破損燃料棒，無法確定組件中哪根燃料棒(或哪幾根)破損。在核電工業發達國家，通過超聲檢測技術實現對17×17型燃料組件中破損燃料棒的定位檢測，具有檢測效率高、檢測成本低等優點[5-6]。

超聲檢測定位技術的檢測原理主要是：通過把裝有發射器與接收器的超聲探頭緩慢插入燃料組件各行燃料棒之間的空隙，然后向燃料棒發射超聲波，由于反射波的波幅會受到燃料棒內介質的影響，則根據反射波的波形可確定燃料棒是否破損。該方法可對燃料組件進行逐排檢測，而無須解體燃料組件。

隨著燃料技術的發展，逐漸將AFA 2G燃料組件換成了AFA 3G 燃料組件[7]。筆者結合Lamb波傳播原理和AFA 3G燃料組件結構特點，分析了Lamb波在燃料棒中的傳播路徑，并對聲束傳播距離進行了理論計算，同時分析了燃料棒包殼內壁介質對Lamb波能量的影響，并對上述理論分析結果與實測數據進行了對比。

1 Lamb波傳播原理

在管道圓周方向上可以存在和平板Lamb波類似的超聲導波[8]，稱為周向Lamb波。由于Lamb波沿周向傳播，管道軸向的裂紋易于檢出。周向Lamb波在管道中傳播時由于受到管道幾何尺寸的影響，管道中傳播的Lamb波波速與其頻率有關，也就是說Lamb波的速度隨頻率的不同而不同，這稱為Lamb波的頻散現象。周向Lamb波的頻散方程為超越方程，無法得到其精確解，只能通過數值計算的方法求解。利用波數k、角頻率ω和相速度Cp的關系Cp=ω/k即可得到相速度頻散曲線;然后利用相速度和群速度的關系

(1)

通過MATLAB軟件進行程序計算，可得到周向Lamb波的群速度頻散曲線。

管道周向Lamb波與平板Lamb波具有相似性，而這種相似性與表征管道彎曲程度的內外徑之比G相關，G越大則內外徑之比越接近100%，管道周向Lamb波越接近于平板Lamb波[9]。鋯合金管外徑b=9.5 mm，壁厚d=0.57 mm，內外徑之比G為0.88，因此對應聲速計算可采用平板近似處理。鋯合金縱波和橫波聲速分別是cL=4 686 m·s-1，cT=2 360 m·s-1，鋯合金的相速度頻散曲線和群速度頻散曲線如圖1所示。

圖1 鋯合金相速度和群速度頻散曲線

2 試驗設備

采用多通道超聲波檢測儀，完全模擬真實AFA 3G燃料組件布置，僅組件高度不同，組件的主要參數如表1所示。模擬組件中17根燃料棒焊接下端塞，其內填充濕沙模擬破損燃料棒，具體布置如圖2所示。相鄰燃料棒邊緣間距為3.1 mm，燃料棒與導向管邊緣間距為1.6 mm。

表1 AFA 3G模擬組件主要參數

超聲探頭采用0°雙晶探頭，探頭固定支架厚度小于燃料棒間隙，每組探頭左右兩側各分布2個收發式晶片。探頭架上固定有與燃料組件燃料棒間隙位置相對應的10組探頭，采用機械裝置驅動超聲探頭組進入燃料組件進行檢測，探頭組布置方式和檢測示意如圖3所示。

圖3 探頭組布置方式和檢測示意

3 試驗結果

3.1 聲束在燃料包殼內傳播聲程的理論計算與實測對比

當刀片探頭(探頭形狀扁平，類似刀片)收發晶片中心與燃料棒中心重合時，聲束由發射晶片激勵后，經發射晶片與燃料棒包殼水層進入燃料棒包殼并沿管壁傳播;隨后經過水層后進入接收晶片，Lamb波聲束在燃料棒內傳播路徑示意如圖4所示。

圖4 Lamb波聲束在燃料棒內的傳播路徑示意

發射晶片與燃料棒水層距離為

(2)

聲束在燃料棒中沿管壁的傳播距離為

(3)

燃料棒與接收晶片水層距離為

(4)

式中：d為晶片中心距離；D為燃料棒直徑；θ為聲束入射角。

其中，聲束在水中的傳播速度為vw=1 480 m·s-1，經計算，燃料棒中Lamb波傳播速度為vp=2 275 m·s-1。超聲數據采集軟件中設置的聲速是水的聲速，因此需對燃料棒中聲束沿管壁的傳播距離進行換算。現已知晶片中心距離d=6.5 mm，燃料棒直徑D=9.5 mm，計算出軟件應顯示聲束全聲程為17.33 mm。

實測數據中超聲數據采集軟件讀取聲束全聲程為17.57 mm，比理論計算值偏大0.24 mm，聲束在燃料中的傳播信號如圖5所示。考慮到實際檢測時，探頭晶片所處平面與燃料棒之間存在一定間隙，所以會造成測量值比理論計算值偏大的問題。為了消除探頭晶片所處平面與燃料棒之間的間隙對測量值造成的偏差，特選取刀片探頭左右兩側探頭的測量值之和與計算值進行比較，比較結果如表2所示，此時偏差范圍在-0.23～0.25 mm，偏差小于全聲程的1%。刀片探頭左右兩側探頭的聲程之和計算值為38.26 mm。

圖5 聲束在燃料棒中的傳播信號

表2 刀片探頭左右兩側探頭聲程測量值之和與計算值對比

3.2 聲束在燃料包殼間隙中的傳播聲程理論計算與實測對比

當刀片探頭收發晶片與接收晶片中心處于2根燃料棒間隙之中時，聲束由發射晶片激發后經發射晶片與燃料棒包殼水層后，進入燃料棒沿管壁傳播，隨后經過燃料棒間水層后進入臨近燃料棒，并進入接收晶片(見圖6)。

圖6 聲束在燃料棒間隙中的傳播路徑示意

發射晶片與燃料棒水層距離為

(5)

聲束在發射晶片側燃料棒中沿管壁的傳播距離為

(6)

燃料棒外壁間距為

L6=L-D

(7)

聲束在接收晶片側燃料棒中沿管壁的傳播距離為

(8)

燃料棒與接收晶片水層距離為

(9)

式中：β為Lamb波在燃料棒內的傳播角度；l為燃料棒中心間距。

現已知燃料棒間距12.6 mm，經計算軟件應顯示聲束全聲程為10.72 mm。實測數據中超聲軟件讀取聲束傳播全聲程為10.76 mm，比理論計算值偏大0.04 mm，聲束在燃料棒間隙中的傳播信號如圖7所示。

圖7 聲束在燃料棒間隙中的傳播信號

3.3 燃料棒包殼內壁介質對Lamb波能量的影響

Lamb波在燃料棒包殼中傳播時，若包殼內充滿空氣，聲波遇到鋯/空氣界面幾乎會全反射，能量衰減很小；若包殼內充滿水或其他介質，聲波將會發生嚴重泄漏并進入到包殼內介質中，形成泄漏角θl(見圖8)，聲波能量大幅度衰減。

圖8 Lamb波傳播能量泄漏示意

θl=arcsin(λ介/λ)=arcsin(v介/vp)

(10)

式中：λ介為Lamb波在包殼內壁介質中的波長；λ為Lamb波在包殼(薄壁管可看做薄板)中的波長；v介為Lamb波在包殼內壁介質中的傳播速度；vp為Lamb波在包殼中傳播的相速度。

假設Lamb波在燃料棒包殼中相速度vp一定，由式(10)可以得出，隨著管道內壁介質縱波聲速v介的增加，θl增大，泄漏程度加深，接收信號的幅值會降低。因此，當燃料棒包殼內壁介質為水或濕沙時，內壁上的水或濕沙為超聲能量的泄漏提供了一個通路，此時接收到的回波幅值會降低，燃料棒包殼內壁介質聲速v介越大，接收到的回波幅值越低。完好燃料棒和破損燃料棒中Lamb波的傳播示意如圖9所示。

圖9 完好燃料棒和破損燃料棒中Lamb波的傳播示意

圖10 部分探頭B掃圖像

3.4 模擬組件數據采集結果分析

按照圖3所示對圖2中AFA 3G模擬燃料組件實施超聲檢測。圖10為部分探頭B掃圖像，結合模擬組件中濕沙燃料棒布置和掃查數據進行分析，得到以下結果。

(1) 第一組刀片探頭右側掃查范圍全為燃料棒，其中第16根為濕沙燃料棒，B掃圖像中第16根燃料棒回波信號很弱(15%FSH，FSH為滿屏波高)，其余16根燃料棒回波較高(69%FSH～86%FSH)。

(2) 第九組刀片探頭左側掃查范圍中第6，9，12根為導向管，第3根為濕沙燃料棒，回波信號很弱(13%FSH)，其余13根燃料棒回波較高(65%FSH～77%FSH)。

對各探頭接收到的Lamb波回波波高進行記錄。可以看出正常燃料棒回波幅值與濕沙燃料棒回波幅值的差值≥9 dB，可通過回波波高區分刀片探頭經過的燃料棒內是否含水，與理論分析結果一致。綜合數據中B掃圖像和A掃回波特征，判定出的破損燃料棒位置與實際結果一一對應，模擬組件中破損燃料棒檢出率100%。

4 結語

(1) 從理論上分析了Lamb波在燃料棒中的傳播路徑，對聲束傳播距離進行了理論分析(理論分析結果與實際檢測結果偏差在±1%內)。同時，分析得出燃料棒包殼內壁介質聲速越高，Lamb波能量衰減越快；當包殼內壁為充實的濕沙時，實測Lamb波能量衰減約9 dB。

(2) 采用機械裝置驅動超聲Lamb波探頭組進入燃料組件各行燃料棒間隙中進行超聲波數據采集，并分析了數據中各探頭A掃回波信號和B掃成像，可實現對燃料組件中破損燃料棒的檢出和精確定位；可對疑似的破損燃料組件進行確認，為后續破損燃料棒修復提供依據。

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