核電廠控制棒驅(qū)動組件耐壓殼檢驗技術研究

陳勝宇 王萬國 李瑞峰 陳川

摘 要

控制棒驅(qū)動組件耐壓殼屬于一回路壓力邊界，其失效將直接導致一回路冷卻劑的喪失。2010年9月，國外某核電站6號機組大修期間，發(fā)現(xiàn)控制棒驅(qū)動組件耐壓殼頭部密封區(qū)域存在裂紋顯示。為確定同類型國內(nèi)某核電機組是否存在類似缺陷，組織開展了無損檢驗方法研究。本文著重介紹了針對控制棒驅(qū)動組件耐壓殼渦流檢驗方法研究，并確定具體的無損檢驗方法和技術。

關鍵詞

耐壓殼;裂紋;渦流檢驗;控制棒驅(qū)動組件

中圖分類號： TL351.5 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 08 . 07

Abstract

Control rod drive mechanism （CRDM） upper canopy belongs to primary loop pressure boundary， its failure will directly result in the loss of primary coolant. September 2010， during the 6th outage of one foreign nuclear power plant， found cracks on upper canopy seal area of the CRDM. To determine whether the domestic NPP， as the same type unit， have similar defects， the team is commissioned to research and develop nondestructive inspection technique. This paper highlights the research of eddy current inspection for CRDM upper canopy of nuclear NPP.

Key words

Canopy; Cracks; Eddy current inspection; CRDM

0 前言

2010年9月18日，國外某核電站6號機組實施大修，實施了反應堆壓力容器頂蓋、控制棒驅(qū)動組件及其他相關部件實施的檢查，對全部61組控制棒驅(qū)動組件耐壓殼實施了無損檢驗，共發(fā)現(xiàn)32根存在裂紋顯示。

作為經(jīng)驗反饋，針對國內(nèi)同堆型的兩臺機組，需要對控制棒驅(qū)動組件耐壓殼相似部位實施無損檢驗，以確定是否存在類似缺陷。

1 國外核電站控制棒驅(qū)動組件結構及缺陷描述

國外核電站采用的控制棒驅(qū)動組件結構是俄羅斯水壓機設計院設計制造的ShEM-3型結構。由螺栓、襯套、推力環(huán)、密封墊片、位置指示器和耐壓殼組成，其中位置指示器和耐壓殼采用一道密封。如圖1所示。

耐壓殼由三段焊接組成，分別為套管段（上部）、直管段（中部）和法蘭段（下部）。套管段材料為ХН35ВТ-ВД合金，直管段和法蘭段的材料為08X18H10T不銹鋼。

國外此核電站6號機組使用渦流、超聲和滲透檢驗方法發(fā)現(xiàn)的缺陷產(chǎn)生在耐壓殼頭部內(nèi)側(cè)從？諂107mm到？諂97mm R=0.4mm的變徑區(qū)域（圖2）。該部位在一回路壓力邊界以內(nèi)，它的失效導致的后果是一回路冷卻劑外泄。

2 國內(nèi)核電站耐壓殼檢驗區(qū)域的確定

為了實施國內(nèi)同堆型核電站控制棒驅(qū)動組件耐壓殼的檢驗，需要科學合理地選擇無損檢驗方法和實施方案。主要需考慮的檢驗方法對缺陷有足夠的檢出靈敏度，以確保所有缺陷都能夠被發(fā)現(xiàn)，同時還要結合檢驗方法的可實施性、人員輻射最優(yōu)化原則和檢驗工期等因素，盡量減少檢驗實施對大修工期的影響。

國內(nèi)核電站控制棒驅(qū)動組件采用的是改進型ShEM-3型控制棒驅(qū)動組件，在結構上與國外核電站6號機組所使用的有所區(qū)別，主要是將原設計型結構中的一道密封改為兩道密封，耐壓殼的結構尺寸也由原設計型的兩段式內(nèi)徑尺寸（？諂107、？諂97）改為三段式（？諂107、？諂101、？諂97）。耐壓殼材料不變。

從耐壓殼的結構上可以看出，改進型控制棒驅(qū)動組件耐壓殼應力最集中的位置是從？諂97mm到？諂107mm的過渡區(qū)域，對比原設計型耐壓殼結構及缺陷產(chǎn)生部位，這也正是最容易發(fā)生缺陷的部位。因此該區(qū)域也被確定為檢驗部位。具體檢查區(qū)域詳見圖3。

3 檢驗方法的選擇

3.1 耐壓殼檢驗具體渦流技術的選擇

根據(jù)國外核電站的實施經(jīng)驗，并結合國內(nèi)同堆型核電廠大修策略及現(xiàn)場條件。確定使用機械自動化的渦流探頭掃查方式，對耐壓殼上部內(nèi)弧面區(qū)域進行渦流檢驗。實現(xiàn)機械自動化的掃查方式并不困難，在此方面國內(nèi)已有較多成功開發(fā)和應用經(jīng)驗，關鍵是需對渦流檢驗方法的具體檢驗技術細節(jié)進行了考慮，選擇最行之有效的技術方案，下面對兩種渦流檢驗技術分別進行了分析。

3.1.1 多點線圈實施的可行性分析

渦流多點線圈能與耐壓殼內(nèi)表面結構完全匹配，使多點線圈探頭覆蓋所有軸向被檢區(qū)域，探頭只需旋轉(zhuǎn)一周即可覆蓋所有軸向被檢區(qū)域，通過渦流儀及渦流軟件的處理，生成長條圖及李沙育圖渦流信號進行分析評定。其中，2個臺階面區(qū)域分別單獨使用單點線圈探頭進行檢驗。多點線圈渦流探頭結構見示意圖4。

多點線圈渦流探頭的優(yōu)點是技術成熟，成本較低且制作簡單。缺點是受耐壓殼內(nèi)表面變徑區(qū)域（即兩個臺階區(qū)域）的渦流邊緣效益和提離效應影響較大，邊緣及提離信號會對重點關注的缺陷響應信號產(chǎn)生干擾，甚至缺陷響應信號會淹沒在邊緣效益和提離效應的綜合干擾信號中，導致無法對缺陷信號有效識別。

3.1.2 陣列探頭實施的可行性分析

渦流陣列探頭與傳統(tǒng)的渦流檢測技術相比，雖然也是多線圈的結構，但使用線圈的絕對數(shù)量更多，可多達三十多個。這些線圈分兩組縱向分布，在多路復用器控制下實現(xiàn)周向和軸向缺陷收發(fā)式檢查內(nèi)表面變徑區(qū)域（包括兩個臺階區(qū)域）。探頭只需旋轉(zhuǎn)一周即可覆蓋所有軸向被檢區(qū)域，通過渦流儀及渦流軟件的處理，生成C-SCAN三維信號進行分析評定。渦流陣列探頭結構見示意圖5。

渦流陣列技術的優(yōu)點是激勵（又稱發(fā)射）與檢測（又稱接收）線圈之間形成兩種方向交互垂直的電磁場傳遞方式。線圈的這種排布方式，有利于發(fā)現(xiàn)取向不同的線形缺陷，還具有容易克服和消除邊緣效應和提離效應影響的優(yōu)勢。缺點是開發(fā)和制作難度較大，成本相對較高[1]。

國內(nèi)核級部件在役檢查已用到渦流陣列技術的案例不多，對于檢驗對象是平面或弧面的檢驗對象尚未有經(jīng)驗可循。但借鑒外國同行及國內(nèi)其他行業(yè)，比如航空、石油行業(yè)等行業(yè)，渦流陣列技術實施表面及弧面對象檢驗已有大量成功應用案例。

綜上所述，考慮到耐壓殼內(nèi)表面徑變區(qū)域的復雜情況，會造成多點線圈渦流探頭較多的干擾信號，而采用陣列渦流探頭進行耐壓殼內(nèi)表面的檢驗有利于抑制這些干擾信號，從而保證對徑邊區(qū)域的缺陷信號有較高的識別能力。針對耐壓殼檢驗區(qū)域的結構特點，渦流陣列技術是更好的選擇，但仍需對渦流陣列技術應用到耐壓殼徑變區(qū)域?qū)嵤z驗的可行性進行試驗驗證。

4 陣列探頭可行性驗證試驗

4.1 試驗試塊人工缺陷的確定

首先選取材料電磁特性較為接近的奧氏體不銹鋼制作一比一尺寸的試塊。

參照ASME Section V 2013版中Article 8 Appendix VI《表面渦流探頭檢測非磁性金屬表面缺陷》[2]，對非磁性金屬平板及弧面檢驗對象的表面檢驗靈敏度要求能檢出6mm長×0.25mm寬，深度最小為0.25mm的槽型人工缺陷。針對耐壓殼上部的檢驗區(qū)域結構特征，需加工如下要求的人工缺陷，以驗證渦流陣列探頭對耐壓殼內(nèi)表面徑變區(qū)缺陷的檢出靈敏度。具體人工缺陷類型要求如下：

A：一個內(nèi)表面上覆蓋整個檢驗區(qū)域的縱向EDM槽，12.7mm寬×1mm深;

B：一個內(nèi)表面上與縱向呈45°夾角的螺旋EDM槽覆蓋整個檢驗區(qū)域，4.8mm寬×1mm深;

C、D和E：三組內(nèi)表面上不同深度的軸向線性EDM槽，均為6mm長×0.25mm寬，深度最小一組為0.25mm;

F、G和H：三組內(nèi)表面上不同深度的周向線性EDM槽，均為6mm長×0.25mm寬，深度最小一組為0.25mm;

Ⅰ：在上部臺階的根部，一組不同深度的周向線性EDM槽，6mm長×0.25mm寬，最小深度為0.25mm;

Ⅱ：在下部臺階的根部，一組不同深度的周向線性EDM槽，6mm長×0.25mm寬，最小深度為0.25mm。

若渦流陣列檢驗探頭能發(fā)現(xiàn)徑變區(qū)域根部的最小人工缺陷（即兩臺階根部6mm長×0.25mm寬×0.25mm深的槽型缺陷），便能夠確認該技術檢驗耐壓殼的可行性。驗證試塊及人工缺陷見圖6和圖7。

4.2 試驗采用的渦流系統(tǒng)選擇

線圈類型：32線圈渦流陣列式探頭（耐壓殼內(nèi)表面仿形結構）

渦流儀：Ectane-2多頻多通道數(shù)字化渦流儀

數(shù)據(jù)采集及分析軟件：Magnifi 3.5R6

工作站：DELL臺式工作站

掃查方式：編碼反饋周向自動掃查

4.3 測試結果匯總

從此次驗證試驗的結果來看，針對國內(nèi)核電站控制棒驅(qū)動組件耐壓殼內(nèi)表面徑變區(qū)域而設計的渦流陣列探頭組，在耐壓殼一比一試驗試塊上已進行的測試項目中呈現(xiàn)結果匯總見表2，渦流信號見圖8、9。

5 結論

針對國內(nèi)某核電站控制棒驅(qū)動組件耐壓殼的無損檢驗研究，確定使用近年渦流無損檢驗領域最新技術成果—陣列渦流技術，對耐壓殼實施無損檢驗。

渦流陣列技術試驗驗證結果顯示，設計和研制的控制棒驅(qū)動組件耐壓殼檢驗專用陣列探頭的檢測能力，滿足ASME Section V 2013版中Article 8 Appendix VI《表面渦流探頭檢測非磁性金屬表面缺陷》中，對非磁性金屬平板及弧面檢驗對象的表面檢驗靈敏度的要求?？梢哉J定本文介紹的32線圈仿形渦流陣列探頭技術，能實現(xiàn)對控制棒驅(qū)動組件耐壓殼易產(chǎn)生缺陷部位的徑變區(qū)域進行有效的無損檢驗。

參考文獻

[1]任吉林，林俊明，徐可北.渦流檢測[M].北京：機械工業(yè)出版社，2013.

[2]ASME Boiler & Pressure Vessel Code， 2013 Edition.