反應堆中子通量測量系統指套管微振磨損長度的測量

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(中廣核檢測技術有限公司，蘇州 215026)

中子通量測量系統是核電廠重要的核級儀控系統，用于反應堆堆芯中子通量密度測量的探頭導向管簡稱指套管。CPR1000堆型指套管是長約17 000 mm,走向近似“L”型的316不銹鋼管，其直徑為8.6 mm，壁厚為1.7 mm。反應堆正常運行期間，指套管固定在導向管里，導向管焊接在壓力容器底封頭貫穿件上，并貫穿二次澆灌混凝土生物屏蔽構筑物，延伸到堆芯儀表間里的密封段。換料期間，將指套管從給定的堆芯高度抽出到堆芯底部，以避免干擾燃料組件吊裝。如果指套管變形凹陷，會影響其正常堆芯中子通量的測量，同時指套管又是一回路壓力邊界，需要定期使用渦流檢測方法對指套管進行監督檢查。筆者對主要影響測量結果的線圈響應范圍進行了分析和計算，結果表明：精確的外壁磨損長度測量結果為電站對指套管的設計和后期跟蹤維護提供了重要參考。

1 微振磨損機理概述

指套管在堆芯內部會穿過多處不同類型的保護支撐結構，其中一部分指套管與一回路介質直接接觸。截至目前，世界上已有多起關于指套管泄漏的事件發生。對泄漏指套管的實測和分析表明，導向管嘴處指套管外壁磨損是引起泄漏的原因。處于導向管嘴位置的指套管因流體(一回路介質)的擾動而誘發振動，使指套管外壁與導向管嘴之間產生磨損，即微振磨損。該類磨損一般發生在導向管內徑改變處，特別是在堆芯下柵格板和燃料組件通量測量導管之間[1]。

國外在20世紀80年代就發現了由于支撐處振動產生的指套管外壁磨損缺陷。我國各核電站也多次發現微振磨損缺陷，個別機組甚至在首次大修指套管的渦流檢測過程中發現了較大深度當量的微振磨損。解決指套管支撐處微振磨損的方法是根據渦流檢測結果對缺陷深度較大的指套管進行更換或拔管移位(避開磨損區)，根據EDF(法國電力集團)經驗反饋，同一指套管抽取長度一般不超過兩次。了解指套管磨損長度對抽取指套管工作具有參考作用，同時對磨損長度進行精確測量對指套管支撐結構的設計及安裝工藝的改進有重要意義。由于指套管外壁磨損的直接測量工作很難實施，筆者使用渦流方法對指套管外壁微振磨損長度的精確測量進行了研究。

2 指套管磨損的渦流檢測

2.1 檢測探頭

指套管渦流檢測時選用的探頭為差動內穿過式探頭，以下簡稱“Bobbin”探頭，線圈直徑為4.8 mm(見圖1)。

圖1 指套管Bobbin探頭外觀

2.2 標準樣管

根據指套管運行工況下最常見的微振磨損缺陷類型，制作了渦流檢測標準樣管，該標準樣管由通孔(A)和不同深度的外壁周向90°楔形人工缺陷組成。深度分別為(壁厚)70%(B)、50%(C)、40%(D)、30%(E)、20%(F)的人工缺陷長25.4 mm，深度為10%的人工缺陷(G)長12.7 mm，各人工缺陷間距35 mm。指套管標準樣管結構示意如圖2所示。

圖2 指套管標準樣管結構示意

2.3 檢測頻率

根據渦流集膚效應的特點，檢測頻率的設置應該足夠低，才能保證渦流在整個檢測區域內流動。理論上，可選用的檢測頻率應使被檢材料的最大厚度大致等于一個標準滲透深度。頻率越低，滲透深度越大，但會使靈敏度降低，以致難以區別內外壁缺陷。過高的頻率則無法測出外壁缺陷,工作頻率的選擇可參考經驗公式

f=3ρ/t2

(1)

式中：f為工作頻率；ρ為電阻率；t為管子壁厚。

實際檢查時，在滿足檢測深度的要求下，檢測頻率應盡可能高，以滿足達到較高的檢測靈敏度。為了使渦流滲透深度和檢測靈敏度取得平衡，指套管的檢測頻率分別設置為160，80，40，20 kHz。

3 磨損長度的測量

3.1 測長基本原理

Bobbin檢測線圈一般采用差分連接方式，這有利于檢出電導率快速變化的短缺陷。對于緩慢變化的長缺陷，如指套管外壁磨損，通常采用的方式是配合使用同長度、同類型的帶參考樣管的參考探頭以絕對模式進行測量。通電檢測線圈接近導體時，導體中會感應產生渦流，同時導體中渦流產生的磁場阻礙了檢測線圈磁場的變化，進而使線圈內的電流發生變化。當檢測線圈處于指套管完好位置時，檢測線圈和參考線圈(參考管中)輸出的感應電動勢處于平衡狀態，即沒有渦流輸出信號。當檢測線圈感生磁場開始接觸到材料不連續時，該位置發生畸變的渦流產生的磁場導致檢測線圈與參考線圈電動勢的差值打破平衡狀態，即開始輸出渦流信號；當檢測線圈完全處于外壁磨損正中間位置時，兩線圈的電動勢差值達到最大。隨著探頭的繼續推進，當指套管外壁磨損離開檢測線圈磁場作用范圍時，兩線圈的感應電動勢差值逐漸減小直至再次回到平衡位置。

在采樣率一定的情況下，當探頭在指套管內勻速采集信號時，采樣點在指套管上同樣均勻分布，這就使采集的渦流信號與實際尺寸呈現線性關系，進而通過數據分析即可間接計算出指套管外壁的磨損長度。為了保證這種線性關系，一般采用自動勻速回拉探頭的方式采集渦流信號。文中采用T-PU2型探頭推拔器，該類型推拔器采用步進電機驅動外加氣動壓緊的方式工作，很好地保證了采集過程中探頭的勻速運動。若精確測量指套管外壁磨損長度，則必須使探頭在指套管和標定管中的回拉速度保持一致。文中使用的數據推拔器回拉速度設置為250 mm·s-1。

3.2 測量通道

因微振磨損發生在支撐處，所以要精確測量磨損前首先應建立混頻通道，用以消除結構信號的影響。試驗表明，80 kHz和40 kHz的混頻效果最好，即建立混頻通道M1。信號標定時將所有絕對通道噪聲調為水平，通孔向上，通孔Span(跨度)值設為100%。

3.3 單位采樣點

單位采樣點即單位長度上采樣點的數量，單位采樣點的理論計算公式為

St=X/V

(2)

式中：St為理論單位采樣點；X為采樣率；V為探頭回拉速度。

指套管數據采集的采樣率X設置為1 600 s-1，探頭回拉速度為250 mm·s-1,根據上述公式可得St=6.4 mm-1，即指套管軸向長度每毫米有6.4個采樣點分布，但是理論單位采樣點與實際渦流信號采樣點的分布略有差距，引入實際單位采樣點Sr，其計算公式為

相機采用500萬CMOS工業相機，搭配環形光源，通過對挺住和后殼的裝配圖拍攝并進行圖像處理以識別裝配情況。相機通過USB口與開發板相連。

Sr=|Sa-Sb|/L

(3)

式中：Sa，Sb分別為渦流信號a點，b點處的采樣點值；L為Sa～Sb的實際長度。

以標定管深度為70%和50%的磨損信號為例，其中Sa-Sb是深度為70%與50%磨損信號采樣點的差值455(見圖3)。由圖2可知，L=60.4 mm，由此可得Sr=7.53 mm-1。

圖3 Sa與Sb間距的采樣點差值

由上述計算可知Sr>St，這是因為探頭回拉時，阻力等因素導致了探頭實際速度略小于推拔器設置的理論速度，在采樣率固定的情況下，最終實際單位采樣點略大于理論單位采樣點，在對指套管外壁磨損進行測量時，使用實際單位采樣點進行計算會更為準確可靠。

3.4 磨損測長

在Sr已知的情況下，磨損的長度Lr為

Lr=ΔS/Sr

(4)

式中：Lr為磨損長度；ΔS為磨損信號起止點差值。

因深度分別為70%，50%，40%，30%，20%人工損傷設計的長度一致，均為25.4 mm，以深度為20%的人工缺陷為例計算磨損長度(見圖4),圖4中右下角顯示深度為20%的人工缺陷在M1通道的起止點差值是267,由此可得磨損長度為35.46 mm。

圖4 深度為20%的磨損信號ΔS

上述計算結果發現深度為20%的人工缺陷的磨損長度為35.46 mm，大于實際長度25.4 mm，且計算偏差較大。

3.5 偏差分析

根據渦流檢測基本原理可知，當檢測線圈移動到試件的邊緣、凹坑或減薄處時，渦流場便發生畸變，這種現象被稱為“邊緣效應”?！斑吘壭钡拇嬖谑且驗樘筋^線圈響應的是導體一定范圍內的渦流場變化，即檢測線圈存在一定的響應范圍Dr。檢測線圈接近和離開較短缺陷時渦流信號變化較為明顯，該處以指套管通孔為例分析檢測線圈響應范圍對通孔渦流信號的影響(見圖5)。

圖5 響應范圍對通孔信號的影響示意

由圖5可知，當探頭在指套管回拉過程中，探頭線圈到達Sb點時，線圈磁場已響應到通孔引起的渦流場畸變，即開始輸出渦流信號；當檢測線圈到達通孔正下方時，通孔信號幅值達到最大；當檢測線圈離開通孔位置一段距離后，檢測線圈無法再感應到通孔導致的渦流場變化，此時線圈位置對應渦流信號Sa點。

由上述分析得出，ΔS選取時未考慮檢測線圈Dr是導致Lr計算值偏差較大的原因，線圈的響應范圍Dr的計算公式為

(5)

式中：D0為缺陷實際尺寸。

根據式(5)計算檢測線圈在M1通道下的響應范圍Dr，圖6中通孔ΔS=81，Sr=7.53 mm-1，D0=1 mm，將ΔS,Sr,D0代入式(5)，則Dr=9.76 mm。

圖6 通孔信號ΔS

考慮檢測線圈響應范圍Dr的影響，指套管深度為20%人工缺陷的長度最終計算公式為

(6)

根據修正后的式(6)計算指套管深度為20%的人工缺陷長度為25.7 mm，該值已經十分接近實際的磨損尺寸25.4 mm。由于外壁磨損信號范圍在絕對通道處為手動選取，會不可避免地存在一定的人為偏差，但通過上述計算方法得出的結果已經十分接近外壁磨損的真實尺寸。

4 實際應用

根據上述計算方法，對某電廠某次大修時發現的較大深度磨損的19號指套管進行磨損長度測量，圖7為19號指套管Point 1 位置的磨損信號，Point 1位置(堆芯下柵格板處)磨損深度約為42%，磨損長度約為4.4 mm。

圖7 19號指套管Point 1位置的磨損

上述計算結果表明，指套管在Piont 1位置的磨損長度較小，如不考慮探頭線圈響應范圍的影響，計算得出的結果就會出現較大偏差，從而也就失去了用渦流測長法評估磨損長度的意義。

5 結語

對指套管渦流數據的分析，能有效實現對指套管微振磨損的精確測長，同時為指套管外部支撐結構的設計和指套管后期的維護以及同類型磨損的精確測長提供了參考。