核電站蒸汽發(fā)生器傳熱管旋轉(zhuǎn)超聲檢測技術(shù)研究

胡玉琦，康志平，何藝，朱佳震

（1.江南大學(xué)，江蘇 無錫 214122；2.中廣核檢測技術(shù)有限公司，江蘇 蘇州 215021）

核電站蒸汽發(fā)生器是實(shí)現(xiàn)冷熱交換的主要設(shè)備，蒸汽發(fā)生器內(nèi)部按規(guī)律排布了數(shù)千根傳熱管，傳熱管內(nèi)徑16.87mm、壁厚僅1.09mm，在核電站運(yùn)行過程中，由于冷熱交換、高壓介質(zhì)沖擊、甚至是異物打擊等作用，使其管壁會產(chǎn)生各類型的腐蝕、損傷和壁厚減薄等缺陷，最嚴(yán)重的時(shí)候，甚至?xí)舸﹤鳠峁埽瑢?dǎo)致放射性介質(zhì)泄漏。

鑒于其重要的安全地位，核電站制定了嚴(yán)格的蒸汽發(fā)生器傳熱管無損檢測計(jì)劃，其中最主要的無損檢測方法是渦流檢測。渦流檢測能夠發(fā)現(xiàn)傳熱管中的裂紋、腐蝕、凹坑等類型的缺陷，也可以通過缺陷產(chǎn)生的渦流信號的波形形式和相位、幅值等初步判斷缺陷大小，但是，無法對缺陷的位置進(jìn)行定位。

采用傳統(tǒng)超聲檢查技術(shù)不能對薄壁管有效進(jìn)行檢測，內(nèi)置式旋轉(zhuǎn)超聲檢測技術(shù)（Internal Rotary Inspection System 簡稱IRIS）利用高頻超聲波探頭，提高對缺陷的分辨力，能對壁厚減薄類缺陷進(jìn)行尺寸測量，并且利用探頭旋轉(zhuǎn)特性對缺陷進(jìn)行定位。本文介紹了兩種技術(shù)的工作原理，并且分別采用兩種方法對傳熱管標(biāo)定試塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析，證明IRIS技術(shù)的可行性。

1 基本理論及方法

1.1 渦流檢測技術(shù)原理

常規(guī)渦流檢測是基于電磁感應(yīng)的一種無損檢測方法（如圖1），也是目前國內(nèi)核電站檢測傳熱管最常用的方法。當(dāng)載有交變電流的檢測線圈靠近導(dǎo)電工件時(shí)，工件中會感生出渦流，與渦流伴生的感應(yīng)磁場與原磁場疊加，使得檢測線圈的阻抗或次線圈感應(yīng)電壓發(fā)生變化，通過測定線圈阻抗的變化，便可判斷管件有無缺陷。渦流檢測速度快、靈敏度高、檢測設(shè)備簡單，但其受材質(zhì)差異、缺陷形狀的因素的影響較大。

圖1 渦流檢測原理示意圖

1.2 IRIS檢測技術(shù)原理

高頻超聲波探頭被固定于渦輪內(nèi)部，探頭發(fā)射超聲波，聲波沿著管子軸向進(jìn)行傳播，渦輪前端有45°聲反射鏡，聲波經(jīng)過聲反射鏡的反射，射入管子管壁，超聲波沿著管子內(nèi)壁傳到管道外壁，經(jīng)過管子外壁的反射，按原路徑返回探頭，由此，通過超聲波在管子內(nèi)徑到外徑傳播的時(shí)間差的變化，來確定管壁厚度變化，達(dá)到檢測的目的（如圖2）。

圖2 IRIS檢測技術(shù)示意圖

IRIS檢測技術(shù)采用縱波聚焦直探頭發(fā)射出超聲波，超聲波在被檢管件內(nèi)進(jìn)行傳播，在相應(yīng)采集軟件A掃界面上會出現(xiàn)不同類型的聲波信號，主要包括始波、標(biāo)記指針（標(biāo)記指針是固定在渦流裝置上記錄探頭旋轉(zhuǎn)0點(diǎn)的工具）信號、管內(nèi)壁回波和管外壁回波（如圖3）。由圖中信號可以看出，在標(biāo)記指針信號后會出現(xiàn)一個(gè)較大振幅的管內(nèi)壁回波信號，緊隨管內(nèi)壁信號就是管外壁回波信號，但管外壁回波信號的振幅要相對小得多。通過信號的形態(tài)可以分辨壁厚的變化關(guān)系。

圖3 IRIS信號示意圖

同其他超聲檢測一樣，IRIS檢測時(shí)需要在軟件A掃界面中設(shè)置閘門高度，以此同時(shí)檢測到標(biāo)記指針回波信號、管內(nèi)壁回波信號及管外壁回波信號，如圖4所示，假設(shè)A掃窗口顯示第一個(gè)回波時(shí)間為T0，第二個(gè)回波時(shí)間為T1，若T0包含在標(biāo)記指針窗口內(nèi)，則標(biāo)記指針新旋轉(zhuǎn)的信號將被顯示；若T0在標(biāo)記指針窗口外，則可得到管壁厚（WT, Wall Thickness）和管內(nèi)徑（ID, Internal Diameter）信息，如式（1）及式（2）所示。

圖4 IRIS超聲波信號傳播時(shí)間示意圖

式中，Vtube及Vwater分別為超聲波在管道及水中的傳播速度。

2 傳熱管標(biāo)定試塊驗(yàn)證試驗(yàn)

為了對比渦流和IRIS對缺陷的響應(yīng)情況，使用渦流技術(shù)和IRIS技術(shù)分別對核電站蒸汽發(fā)生器傳熱管渦流檢測標(biāo)定試塊進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集。

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

根據(jù)傳熱管的尺寸和材質(zhì)特點(diǎn)，渦流檢測使用軸繞式bobbin渦流探頭進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；IRIS檢測使用頻率為10MHz、晶片尺寸Φ6.35mm、聚焦深度38.1mm的探頭進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

2.2 實(shí)驗(yàn)試塊

蒸汽發(fā)生器傳熱管渦流檢測標(biāo)定試塊中包含內(nèi)壁環(huán)槽、外壁環(huán)槽、通孔等缺陷，缺陷詳細(xì)參數(shù)如下表1所示，試塊中缺陷分布如圖5所示。

表1 蒸汽發(fā)生器傳熱管標(biāo)定試塊缺陷信息表

圖5 蒸汽發(fā)生器傳熱管標(biāo)定試塊示意圖

2.3 檢測結(jié)果

2.3.1 渦流檢測結(jié)果（圖6）

渦流軸繞式探頭可以清晰，檢出傳熱管的內(nèi)外壁缺陷，但是無法準(zhǔn)確判定缺陷的性質(zhì)和形態(tài)，也無法判斷缺陷在傳熱管周向上的位置分布。同時(shí)，缺陷在定量過程中還需要根據(jù)不同性質(zhì)的缺陷制定不同的標(biāo)定管來輔助定量。

圖6

2.3.2 IRIS檢測結(jié)果

實(shí)驗(yàn)檢測數(shù)據(jù)C掃圖如圖7所示，其中，圖7（a）、圖7（b）分別為從被檢管兩端檢測的數(shù)據(jù)圖譜。圖譜顯示的是薄壁管的展開圖，橫向代表管子軸向，縱向代表管子周向，不同的壁厚在圖譜中以不同的顏色顯示，背景藍(lán)色為管子無缺陷處的壁厚顯示。根據(jù)數(shù)據(jù)分析，IRIS方法能夠明顯判別缺陷有無、位置特征，也可以用指針測量尺寸，尺寸測量結(jié)果見表2。

表2 渦流標(biāo)定試塊IRIS檢測尺寸測量結(jié)果

圖7 蒸汽發(fā)生器傳熱管標(biāo)定試塊IRIS檢測結(jié)果C掃圖

3 IRIS補(bǔ)充試塊驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)試塊

考慮渦流標(biāo)定試塊中環(huán)形槽寬度過窄導(dǎo)致的結(jié)果偏差，又設(shè)計(jì)了缺陷寬度較寬的驗(yàn)證試塊，試塊壁厚3mm，試塊內(nèi)加工有內(nèi)外壁縱槽、內(nèi)外壁環(huán)槽、平底孔等多種類型人工缺陷，缺陷詳細(xì)參數(shù)如表3所示，試塊中缺陷分布如圖8所示。

表3 IRIS補(bǔ)充試塊缺陷信息表

圖8 IRIS補(bǔ)充試塊示意圖

3.2 檢測結(jié)果

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)C掃圖如圖9。其中，圖9（a）、圖9（b）分別為從驗(yàn)證試塊兩端檢測的數(shù)據(jù)圖譜。圖譜顯示的是薄壁管的展開圖，橫向代表管子軸向，縱向代表管子周向，不同的壁厚在圖譜中以不同的顏色顯示，背景藍(lán)色為管子無缺陷處的壁厚顯示。根據(jù)數(shù)據(jù)分析，IRIS方法能夠明顯判別缺陷有無、位置特征，也可以用指針測量尺寸，尺寸測量結(jié)果見表4。

圖9 補(bǔ)充試塊IRIS檢測結(jié)果C掃圖

表4 補(bǔ)充試塊IRIS檢測尺寸測量結(jié)果

4 結(jié)語

通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到以下結(jié)論：

（1）兩種無損檢測方法對常見的蒸汽發(fā)生器傳熱管的缺陷均能有效發(fā)現(xiàn)，IRIS技術(shù)是一種可用于核電站蒸汽發(fā)生器傳熱管無損檢測的方法。

（2）渦流檢測方法對于寬度較窄的缺陷也有較高的靈敏度，但無法判斷缺陷的位置信息。

（3）IRIS檢測方法能發(fā)現(xiàn)各類型缺陷，也能判斷缺陷的位置信息，并且對壁厚損失型缺陷進(jìn)行深度精確測量，但缺陷寬度越窄，測量結(jié)果越不準(zhǔn)確。

（4）使用IRIS檢測時(shí)探頭對中狀態(tài)會導(dǎo)致信號顯示不均勻，缺陷尺寸測量時(shí)應(yīng)使用平均值。