高溫氣冷堆蒸汽發生器傳熱管聲脈沖與超聲脈沖檢測技術研究

袁驪 肖鎮官 祁攀 吳磊

【摘 要】高溫氣冷堆示范工程蒸汽發生器傳熱管在選用材料、尺寸規格、結構形式、制造工藝及布置形式與傳統壓水堆核電站均不同。相比傳統壓水堆蒸汽發生器傳熱管采用的U型管結構，高溫氣冷堆蒸汽發生器傳熱管采用的是螺旋盤管結構，具有換熱效果好、結構緊湊等特點。但因現階段對這類結構的傳熱管尚無較為成熟的檢驗技術，為尋找螺旋盤管檢測的可行性技術，本文引用了聲脈沖與超聲脈沖檢測技術進行可行性分析。

【關鍵詞】聲脈沖；超聲脈沖；高溫氣冷堆；螺旋盤管

中圖分類號： TL364.4 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）16-0039-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.16.017

【Abstract】The steam generator tube in high temperature reactor-pebblebed modules is different in selecting material，size specification，structure form，manufacturing process and layout form and traditional PWR nuclear power plant.The U-Tube structure is used in the traditional PWR，but the heat transfer effect is good and the structure is compact，so the high temperature reactor-pebblebed modules adopt spiral tube disk structure.There is no mature inspection technology at this stage.In order to find the feasible technology of spiral tube，the feasibility analysis of APR and UPR technology is presnted in this paper.

【Key words】Acoustic Pulsed Reflection；Ultrasonic Pulsed Reflection；High Temperature Reactor；Helically-tube

0 引言

高溫氣冷堆是國際核能界公認的一種具有良好安全特性的堆型，代表第四代先進核能技術特征的先進堆型，具有固有安全性、系統簡單、小型模塊化、發電效率高、應用途徑廣等特點。考慮到換熱效果好、結構緊湊等特點，高溫氣冷堆蒸汽發生器傳熱管采用的是螺旋盤管結構。傳熱管是由兩種不同的不銹鋼材料（鐵磁性管材T22和非鐵磁性材料Incoloy800H）焊接而成，然后被繞成螺旋狀，出口連接管和入水連接管部分為異形彎折結構，這種特殊的結構對實施在役檢查增加了很大的難度。

常規壓水堆的U型傳熱管使用內穿過式渦流Bobbin探頭能完成全管的檢查，但由于高溫氣冷堆蒸汽發生器傳熱管結構特點，實施渦流檢測的難度較大，主要體現在兩個方面：（1）傳熱管規格為？19×3mm，總長度約70米，且中間還存在三條焊縫，增加了渦流探頭的通過難度；（2）由于是鐵磁性和非鐵磁性管材的異種金屬對接焊，在外部檢查無可能性的情況下，同時實現傳熱管的檢查覆蓋，則必須從內部對整個傳熱管分別進行局部磁化，而這一點目前也是難以做到的；另外，對于此類異種金屬，較大的結構信號也會使得缺陷信號受到干擾或淹沒。

為探索高溫氣冷堆蒸汽發生器傳熱管檢測的可行性，引用了基于聲脈沖反射法（Acoustic Pulsed Reflection，以下簡稱APR）與超聲脈沖反射法（Ultrasonic Pulsed Reflection，以下簡稱UPR）的兩種檢測技術進行可行性分析。

1 檢測技術介紹

APR是將一個聲脈沖注入管內的空氣中，隨后脈沖會軸向傳播。橫截面的任何變化（無論是壁損還是堵塞造成）都會引起回波，被反射回來。這些反射會被測量并分析。這項非穿插式技術檢測速度極快，并已成功得到運用。然而，它只能用于檢測內徑缺陷。

UPR是通過一系列放入管內部的干耦合換能器向管壁發射超聲波。和APR一樣，都是非穿插式高速檢測。UPR技術可檢測鐵磁性和非鐵磁性材料；可檢測內徑與外徑缺陷，如：穿孔、堵塞、裂紋、凸起、壁厚損失、侵蝕、腐蝕、凹坑；不受管子形狀影響，如U型、S型、旋擰、翅片、螺旋等。因此對于這兩種技術的結合，可擴展對于管道檢測中不同類型的缺陷。APR 和UPR兩種技術的性能比較見表1。

基于這兩種檢測技術的探頭激勵方式均在管端，無需進行內插式的運動檢測，從而減小了對于推動裝置與探頭結構的嚴苛設計要求。

現在具備這兩技術的設備有兩種，分別是基于APR的Dolphin G3設備和基于APR和UPR兩種技術的AcousticEyes DUETTM設備。DolphinG3設備原理示意圖見圖1，AcousticEyes DUETTM設備原理圖見圖2。

2 檢測技術分析

2.1 標準傷對比樣管制備

采用與高溫氣冷堆蒸汽發生器傳熱管相同的材料（T22）制作兩根帶有標準人工缺陷的樣管，規格均為φ19×3mm。其中1#樣管為螺旋盤管，2#樣管為直管，兩根樣管的標準人工缺陷詳見表2和表3。

2.2 試驗過程

分別使用基于APR的Dolphin G3設備和基于APR和UPR兩種技術的AcousticEye's DUET？設備對1#和2#樣管實施檢測。試驗過程中，設備及軟件需要根據管材的尺寸、管材的結構特點、管材編號以及檢測相關要求參數，如激勵場強、硬件增益、脈沖寬度、垂直放大、采樣次數、底波抑制等，完成相應的參數設置。

2.3 試驗結果

2.3.1 G3設備試驗結果

圖3為G3設備檢測1#樣管的情況，從信號圖中可以看到樣管首信號和管尾信號很明顯，通過管尾信號對應的位置即為螺旋管伸展長度2m的位置，位置偏差較小。同時，可以測得彎管距管首距離為1.34m，通孔當量測得的直徑為4mm，而加工的直徑為4.8mm，所以定量的精度還是存在偏差。

由于G3設備僅使用APR技術，可以檢測出1#和2#樣管中的穿透性的孔和槽，但對于缺陷的定量準確性很差，而且對于穿透性缺陷都以通孔為當量來處理，因此定量的偏差較大。

2.3.2 DUETTM設備試驗結果

由于DUETTM設備的探頭同時兼有APR功能和UPR功能，因此對2#樣管上的12個人工缺陷均能檢測出來，以2#樣管上第6和第11號缺陷為例，圖4是部分缺陷檢測信號圖，但是在缺陷深度的定量方面還存在一定的偏差，定量偏差見圖5。

2.3.3 試驗結果比對分析

針對兩種技術的比對試驗，可以看到單一聲脈沖反射法（APR）只對通透性缺陷具有較高的檢測靈敏度，而針對非穿透性的裂紋和孔均無檢出能力，這與該技術本身的特點有關，它是在具有截面差的情況下才能檢出缺陷；APR技術對于管材（如：U型管，螺旋管）形狀的影響不大；對裂紋等體積效應較小缺陷是無法檢出的。

超聲導波反射法（UPR）對裂紋、點蝕和凹坑等缺陷具有較高的檢測靈敏度，但不能區分缺陷在外壁和內壁的位置；對穿孔信號的檢測能力一般；對堵塞和內部突起是無法檢測的。

采用UPR與APR組合的技術，能夠保證管道內部和管道壁本身缺陷的檢出，且缺陷定位的準確性較高，但由于缺陷深度定量均是軟件自動測量的結果，偏差較大，準確度不高。

3 結論

聲脈沖反射法（ARP）和超聲脈沖反射法（UPR）檢測技術均是非穿插式高速檢測方法，兩種方法結合使用可檢測外徑磨損、內外徑點蝕等缺陷，不受管子形狀和材質影響。該項技術應用于高溫氣冷堆示范工程蒸汽發生器傳熱管具有一定的可行性，但限于現有技術條件，尚需要解決幾個關鍵問題：a）提高有效檢測距離（理論距離40米）；b）提高焊縫檢測區域缺陷的檢測靈敏度；c）提高在支撐結構下的缺陷檢測分辨率；d）提高定量準確度。

【參考文獻】

[1]L.Cinotti，M.Bruzzone，et al.Steam generator of the international reactor innovative and secure. Proceeding of ICOME 10， Arlington， VA， April 14-18，2002.983-990.

[2]Yoshiyuki Inagaki ，Yoshiaki Miyamoto ，et al. ， Develoment of an in-service inspection technique for the intermediate heat exchanger tubes of the High-temperature engineering test reactor. Nuclear Technology， Vol.104，1993：106-117.

[3]雒曉衛，高溫氣冷堆核電站示范工程蒸汽發生器設計說明書，清華大學核研院，技術報告.

[4]國能中特（北京）檢測科技有限公司 聲脈沖導波檢測技術 [DB/OL].