核電站指套管磨損信號分析與應用

于鵬躍，張濤，王東，魏士明，程鋼，劉伯歡，陸自立

（中廣核核電運營有限公司，廣東 深圳518124）

1 堆芯中子通量測量指套管簡介

以CPR 機組為例，堆芯中子通量測量系統的指套管，屬于RCC-M2 級承壓設備，其長度約為13～17m，外徑為8.6mm，厚度為1.7mm，堆芯總計有50 根指套管。指套管插入堆芯中的一端焊有彈頭狀的端塞，另一端焊有止推環和延伸接頭。指套管的內壁是干燥的，中子測量探頭可在里面移動，而指套管的外壁與一回路水直接接觸，同樣承受與反應堆運行期間相同的壓力。

2 指套管缺陷檢測及維修方法

核電廠反應堆在役期間引起指套管缺陷的主要原因是流體誘發振動，在核電機組正常運行時，水流的沖擊、震動使指套管外壁與燃料組件導管、堆內下部導向管等支承結構端口產生摩擦，進而形成磨損。

指套管渦流檢測是監督指套管材料完整性最有效的無損檢測方法，該檢查并非在役檢查大綱規范要求項目，而是來源于EDF 的經驗反饋。指套管渦流檢測從指套管的內部進行掃查并記錄渦流數據，通過檢查和評價被檢區域內可能危及指套管密封性的缺陷，對機械損傷或其他原因造成的管壁減薄進行鑒別和定位，并與標定管的判傷曲線進行比較，評價其壁厚的減薄量，然后根據指套管的磨損程度，分別采取割管移位、堵管、更換新的指套管等不同的處理措施。

①指套管移位：當指套管磨損大于壁厚的50%且小于等于65%時，需對指套管進行割管移位，割管移位是針對指套管磨損成熟的處理方法，以增加指套管的使用壽命。指套管的磨損主要來自堆芯水流的沖擊，在堆芯的不同位置水流的沖擊也各不相同，通常在水流沖擊較嚴重的地方，指套管的磨損也較嚴重。指套管割管移位的目的就是適當縮短指套管的長度，使指套管磨損較嚴重的地方避開以前水流沖擊大的位置。

指套管移位距離H 一般為42mm，按照慣例對指套管插入止推環的根部進行切割，指套管插入的長度即為止推環的長度40mm，算上割口磨損2mm 左右，該種方式割管長度約為42mm。指套管割管移位42mm 屬于經驗值，直接按照該距離進行處理的維修策略在經濟性和安全性上存在提升空間。

②指套管堵管：若指套管移位后無法滿足堆芯中子通量測量探頭測量的要求，需進行堵管處理；如果磨損量達到堵管標準，也需對指套管進行割管移位后堵管處理。

③指套管更換：部分指套管堵管后，中子通量測量通道將減少，影響中子測量通道裕量（共10 個裕量通道），若發生中子通量探頭卡澀，則可能無法進行堆芯中子通量圖繪制。當測量通道不足以滿足測量要求時，須立即更換新指套管，保證通道可用數量滿足要求。更換新指套管將會增加維修成本，每根指套管費用約2.5 萬歐元，同時更換指套管將直接影響大修關鍵路徑時間，還會增加放射性廢物，廢舊指套管為高放射性固體廢物。

3 軸向磨損分析與測長方法建立

3.1 磨損傷測長方法

指套管渦流檢查通過推拔器將φ4.8mm 渦流探頭送入φ8.6*1.5mm 的指套管內，在探頭回拉過程中記錄渦流信號，渦流信號在軟件上顯現為長條信號圖，找到信號圖長度與實際回拉距離的換算關系便可計算推導出指套管實際磨損傷長度。為保證渦流信號與實際尺寸之間的線性關系，一般采用自動勻速回拉探頭方式進行渦流數據采集，這為磨損傷長度的測量提供了可行性。

測長方法建立前首先定義如下幾個變量：

①探頭回拉速度：V≤300mm/s；

②探頭采樣率：S≥600samp/s；

③單位長度上的采樣點個數：X=S/Vsamp/mm。

根據設備的實際的參數設置V=250mm/s、S=2000samp/s，所以理論單位采樣點X=8samp/mm，即每毫米指套管上有8 個采樣點，然而由于指套管內阻力的存在，探頭實際回拉過程中速度要比250mm/s 小，理論單位采樣點與實際單位采樣點存在差異，針對這一問題引入實際單位采樣點Xr，其計算公式為：

式中：Xr——實際單位采樣點（單位為samp/mm）；

Sa-Sb——渦流信號圖上a 點/b 點處Sample 值（單位為samp）；

L——Sa至Sb的實際長度（單位為mm）。

實際單位采樣點的計算可根據標定管與信號圖的對應關系計算得到，從標定管信號圖可算出50%和40%兩個磨損傷信號之間采樣點差值為：Sa-Sb=450；Sa、Sb點示意圖如圖1 所示。

圖1 標定管信號圖

根據指套管標定管圖紙可以得出，壁厚減薄50%和壁厚減薄40%兩個傷之間的實際距離L=60.4mm，由此可計算得出：Xr=450/60.4=7.45samp/mm。

3.2 磨損長度測量舉例

磨損傷軸向長度測量，核電廠大修中某根指套管磨損的信號如圖2 所示，該指套管在P5 位置處存在一處達到壁厚減薄41%的磨損傷，從信號圖上可以得出Sa-Sb=471，實際磨損傷軸向長度L=471/Xr=471/7.45≈63.2mm。

圖2 指套管磨損傷信號圖

4 磨損傷測長對維修策略的優化改進

目前實施的42mm 割管移位距離存在一定的缺陷，對于磨損長度大于42mm 的指套管無法完全避開原有缺陷，該位置的磨損可能會繼續加劇，安全裕量降低，而對于磨損長度小于42mm 的指套管會浪費割管移位次數，增加維修成本。指套管磨損傷軸向長度的測量可以有效彌補這個缺陷，實現磨損傷的三維測量，精準確定磨損傷的長度，從而給出更為精細化、科學化的維修建議，實現安全、質量和經濟的提升。

4.1 維修方案優化

①通過信號圖以及磨損傷軸向長度測量可以看出，某些磨損傷的軸向長度較長，如果根據以往的處理方案割管移位42mm，無法完全避開該處的磨損傷，綜合考慮分析可移位至磨損傷深為20%的位置（20%為缺陷記錄閾值），這樣可有效避開原有磨損傷。②對于磨損傷長度小于10mm 的指套管，按照移位42mm 處理的話會導致指套管割管移位次數的浪費，增加維修成本，而根據磨損傷的實際長度進行處理，可增加割管移位次數。

4.2 優化維修方案的意義

①增加設備使用壽命：推遲堵管的時間，增加指套管的使用壽命，增加安全效益和經濟效益。②降低維修成本：節省單次割管移位距離，增加割管移位次數，減少指套管堵管或更換的頻率。③提高數據分析水平：實現指套管磨損缺陷的三維測量。

5 結語

核電站指套管磨損信號的分析與應用，建立指套管磨損傷長度測量方法，可以更加準確地掌握磨損傷的三維信息，對于指套管的維修處理有建設性意義，優化維修處理方案，對電廠設備安全性以及維修經濟性意義重大。