一種蒸汽發生器視頻檢查泥渣厚度的評估方法

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(1.蘇州熱工研究院有限公司 技術支持部，深圳 518124；2.遼寧紅沿河核電有限公司，大連 116000)

蒸汽發生器視頻檢查是利用視頻檢查工具進入蒸汽發生器內部檢查管板上表面以及鄰近傳熱管上的泥渣量及泥渣分布的一種方法。通常在核電機組停堆檢修階段進行視頻檢查，一般分為清洗前檢查和清洗后檢查。清洗前檢查結果主要用于初步判斷泥渣堆積的狀態及有無外來異物，為后續清洗方式的確定提供依據；清洗后檢查結果將作為蒸汽發生器清洗效果的評判依據，進而判斷蒸汽發生器運行的安全性。因此，檢查結果的真實性、可靠性尤為重要。

由于蒸汽發生器內部結構復雜[1]、空間狹小、管束量大，現場檢查時很難持續對管板上的泥渣高度進行快速精確地評估。目前，在國內外蒸汽發生器視頻檢查時，通常由技術人員根據錄制的視頻進行分析，對比傳熱管間距(CPR1000立式蒸汽發生器傳熱管間距為8.38 mm)進行預估，視個人的經驗不同而有所差異。因此，目前的視頻檢驗結果對泥渣厚度的描述存在一定偏差，其結果的準確性和穩定性有待提高。筆者提出了一種基于樣本圖片庫的對比方法，將模擬體上不同厚度的泥渣在同等條件下視頻檢查中顯示的效果制作成標準圖片庫，現場工作時將檢查圖像與樣本圖片進行對比，即可將蒸汽發生器管板上實際的泥渣量厚度確定在一個可接受的范圍(小于1 mm)內，極大地減少了人為的判斷誤差，提高了視頻檢查結果的可靠性。同時該圖片庫也可用來培訓視頻檢查操作人員，提升他們的泥渣厚度評估能力。

1 蒸汽發生器視頻檢查概述

國內在役核電機組蒸汽發生器主要有兩種類型，一種是立式蒸汽發生器，一種是臥式蒸汽發生器。

立式蒸汽發生器最底部的管板起到承壓和支撐的作用，同時傳熱管是一二回路重要的壓力邊界。二回路水在蒸汽發生器內不斷循環，由于蒸汽發生器內部冷熱側存在一定的溫度差，水中溶解的金屬離子和雜質會不斷析出、沉積，最終吸附在傳熱管管壁以及沉積在管板上[2]。如果這些沉積物(見圖1)長時間不予清理，一方面會不斷積累膨脹擠壓傳熱管，另一方面會不斷腐蝕傳熱管。最終，傳熱管因應力腐蝕破損，引發一回路放射性水泄漏，造成嚴重的后果。為了避免此類事情的發生，在核電站停堆檢修期間，需要對蒸汽發生器內部管板及附近傳熱管進行目視檢查，確定管板上沉積物的厚度和分布情況，然后再通過高壓水槍進行沖洗[3]，去除管板及鄰近管間上的沉積物，以達到保障蒸汽發生器使用安全的目的。國內多數機組采用立式蒸汽發生器，而臥式蒸汽發生器傳熱管是水平方向布置，因此不做討論。

圖1 管間沉積物外觀

1.1 蒸汽發生器管板結構

立式蒸汽發生器傳熱管直徑為19 mm，在管板上呈矩形分布(見圖2)。管板上方490 mm高度筒體處開有兩個對稱分布的內徑為150 mm的手孔，以及周向均勻分布的內徑為50 mm的4個眼孔。管間目視檢查時，直徑為6.1 mm的內窺鏡探頭從手孔進入蒸汽發生器內部。

圖2 管板傳熱管分布示意

使用內窺鏡探頭時，需要利用導向工具帶動探頭在管板上移動，獲取的視頻信號經轉換后傳至工作平臺，技術人員記錄并分析該視頻信息，最終將結果整理成報告文件。每次大修期間每臺蒸汽發生器通常進行兩次檢查，第一次是在管板沖洗前進行，此時管板上有2～3 mm深的水殘留，因此只檢查管板外環廊及中心管廊區域，目的主要是觀察有無外來物及明顯泥渣堆積，為高壓沖洗做準備；第二次是在管板沖洗并干燥后進行，除檢查外環廊和中心管廊外，管間按照“三抽一”的原則進行檢查，目的是檢查管板上的清潔度以及是否存在外來物等。此時，管板已完全烘干，泥渣多呈粉狀及粒狀，受限于無法對泥渣厚度進行直觀測量，泥渣厚度的準確評估成為蒸汽發生器內部清潔度視頻檢查的關鍵。

1.2 視頻檢查系統

蒸汽發生器內部視頻檢查是蒸汽發生器定期檢修階段的重要一環。視頻檢查系統主要由視頻采集模塊、控制模塊、通信模塊等組成(見圖3)。

圖3 視頻檢查系統示意

其中，采集端主要由視頻內窺鏡及探頭組成，用來獲取管板及鄰近傳熱管上泥渣及外來物信息。控制端包括字符疊加器、電腦、采集卡、顯示器等，其組成了一個完整的信號編輯系統。采集信號經調制后傳送至字符疊加器，疊加蒸汽發生器編號及檢查位置信息后，將視頻文件傳送至電腦顯示并存儲。視頻檢查階段，在蒸汽發生器房間與環廊處，視頻采集人員利用耳機進行溝通。

1.3 厚度評估方法

通過內窺鏡目視檢查管板清潔度的方法稱為間接目視。由于結構所限而造成不可達性，技術人員并不能利用常規的測量器具直接測量管板上的泥渣厚度，只能憑借經驗進行預估，具有很大的隨機性；即便當前先進的三維測量探頭也無法完成泥渣厚度的測量[4]，因為在探頭移動的過程中，無法捕捉到測量的基準平面和最高點。尤其是使用內窺鏡觀察時，內窺鏡探頭本身也會對泥渣造成誤判。

目前常用的預估方法主要有：① 利用已知的傳熱管外徑及管間距進行對比，估算出泥渣厚度與管間距的比值(見圖4)；② 根據蒸汽發生器制造階段噴丸工藝處理后殘留的顆粒尺寸進行對比(見圖5，其中噴丸顆粒直徑為1.5 mm)；③ 利用傳熱管根部與管板結合處的圓角半徑(約為0.5 mm)進行比對得出泥渣的評估厚度。

圖4 利用管間距預估泥渣厚度方法示意

圖5 管板上殘留噴丸顆粒照片

三種方法中，第一種方法最普遍，其主要依靠人的眼力快速判斷評估泥渣高度，不確定性因素較多，尤其當傳熱管管壁附著的泥渣較厚時，管間距會發生明顯變化；第二種方法和第三種方法對于評估泥渣厚度更為直觀和準確，因為噴丸和圓角位于管根處，利于快速比對法獲知泥渣高度信息，但這兩種方法局限性也大，噴丸不是處處存在或者泥渣厚度較大、面積較廣時，圓角完全被覆蓋，不能作為評估的參照。基于上述分析，筆者主要介紹樣本圖片庫法，該法利用1∶1管間模擬體建立不同泥渣厚度的樣本圖片庫，檢查時將實際情況與圖片庫中的圖片進行對比，估算出泥渣實際厚度。探頭在事先準備好的、帶有標準厚度泥渣的管間拖動，圖片庫的質量及數量決定了誤差的大小，一般情況下無需較大規模即可將誤差控制在可接受水平。

2 樣本圖片庫方法

樣本圖片庫方法是在已知管板泥渣厚度的情況下，利用內窺鏡探頭進入模擬體傳熱管管間并拍照的，并將其作為視頻檢查時泥渣厚度評估的參照標準。現場工作時，將視頻錄像跟樣本圖片庫中的標準圖片進行比較，即可快速確定管板上泥渣的實際厚度。根據國內蒸汽發生器視頻檢查驗收標準，允許在管板區域存在1 mm厚度以下的，或小范圍(小于20%管板面積)內存在2～5 mm厚度范圍的粉狀或粒狀泥渣。因此，將圖片庫設置為間距依次相差0.5 mm的9張標準圖片，最大可測厚度達到5 mm，而實際檢查時泥渣厚度大于5 mm的情況也非常少見，故該圖片庫能夠完全滿足視頻檢查要求。

2.1 建立圖片庫

為了模擬真實的檢查環境，在黑暗的環境下進行操作，避免外來光線對顯示效果的影響。內窺鏡探頭采用與現場視頻檢查時直徑相同(6.1 mm)的探頭，同時所用泥渣來自核電廠蒸汽發生器沖洗出的粉渣，確保圖像質量跟真實情況保持一致。現場檢查時一般采用先將探頭伸到管間最遠端，然后通過后拉的方式移動探頭，以確保視頻畫面穩定。因此，在圖片庫的制作過程中，探頭也采用回拉方式進行檢查(見圖6)。在回拉過程中，探頭自然平鋪在管板上表面，選取合適的角度進行拍照，將所得照片放入視頻檢查圖片庫中。

圖6 探頭在管間回拉示意

在模擬體上預先覆蓋一層厚1 mm的粉狀泥渣，然后將直徑為6.1 mm的內窺鏡探頭伸入傳熱管管間，前后移動一段距離找到合適的角度截取一張圖片，記為a。依此類推，分別截取厚度為1.5，2，2.5，3，3.5，4，4.5，5 mm的泥渣效果圖片，分別記為b，c，d，e，f，g，h，i，即為視頻檢查樣本圖片庫(見圖7)。

現場檢查時，將視頻圖像中泥渣效果跟圖片庫中的圖片進行對比，找到最為相近的圖片，即可得到蒸汽發生器中實際的泥渣厚度。常用3種評估方法和圖片庫評估法的特性對比如表1所示。

表1 常用3種評估方法和圖片庫評估法的特性對比

圖7 視頻檢查圖片庫

2.2 實例應用

圖8為某核電廠機組大修期間，蒸汽發生器管板視頻檢查圖像，采用常用的3種評估方法難以確定管板的泥渣厚度。

圖8 某核電廠蒸汽發生器管板視頻檢查圖像

通過在圖片庫中進行檢索，發現該圖像與圖7(b)所示形狀高度相似，因此可以估計該處管板泥渣厚度為1.5 mm。當然，實際檢查時探頭每次經過的角度、高度都會有所不同，與圖片庫中效果有所差異。但是，與圖片庫中泥渣痕跡進行對比，其誤差在0.5 mm范圍內，結果可以接受。

同樣，在另外一次大修中，電廠需要獲取厚度范圍在2～5 mm的管板泥渣區域大小，以便對蒸汽發生器內部清潔度進行全面評估。使用圖片庫評估法可快速準確找出全部目標區域，節省了大量時間。

當然，該方法也存在一定的局限性，某些硬性、次硬性泥渣不是松散地堆積在管板上，而是固結在傳熱管根部[5]，此時該圖片庫不再適用。因此，在后續的研究中可以將其作為補充內容進行完善。

3 結語

蒸汽發生器管板泥渣厚度的評估一直以來是困擾視頻檢查技術人員的難題，如何準確快速獲取管板殘余泥渣厚度，關系到視頻檢查結果的可靠性和工作效率。常用的3種評估方法對技術人員有較高要求，且評估精度較低，使用范圍過小，不建議進行大范圍應用。

視頻檢查樣本圖片庫法采用逆向思路，其先在模擬體上預制一層指定厚度泥渣，然后模擬在真實檢查環境下的檢查圖像，并將篩選后的視頻效果截圖保存為圖片庫。現場檢查時，只需對比圖片庫中的泥渣形狀，即可得出對應的泥渣厚度。經實際檢驗，該方法可對大部分管板泥渣厚度進行有效評估，且更加方便、準確，提升了視頻檢查結果的可靠性。