秦山三期Feeder管超聲檢查技術(shù)研究

蔡金宋，梅 蘭，汪 植，古朋輝，翁佳豪，黃 超

(中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 海鹽 314300)

秦山三期CANDU-6反應(yīng)堆為臥式管道型重水堆，共有380個(gè)水平燃料通道，反應(yīng)堆兩側(cè)各設(shè)計(jì)有2個(gè)反應(yīng)堆進(jìn)口集管和出口集管，每個(gè)集管連接95根主熱傳輸支管(以下簡(jiǎn)稱Feeder管)。隨著機(jī)組運(yùn)行時(shí)間的推進(jìn)，F(xiàn)eeder管會(huì)不斷遭受腐蝕從而導(dǎo)致管壁減薄。技術(shù)支持處采用超聲波測(cè)厚技術(shù)，在大修期間檢測(cè)其壁厚，并分析其管壁減薄速率，評(píng)估Feeder管的使用壽命是否滿足要求。而104、204大修期間使用的手動(dòng)超聲檢查技術(shù)已無法滿足CSA法規(guī)對(duì)檢驗(yàn)精度的要求，故需研究開發(fā)新的半自動(dòng)超聲測(cè)厚檢查技術(shù)以滿足法規(guī)要求。

1 Feeder管檢查難點(diǎn)

1.1 輕水滴落風(fēng)險(xiǎn)

進(jìn)行超聲檢驗(yàn)時(shí)，需在探頭與工件表面使用水充當(dāng)耦合劑。使用的檢測(cè)設(shè)備不存在回收耦合劑的功能，故檢測(cè)過程中產(chǎn)生的水有滴落的風(fēng)險(xiǎn)。假如不進(jìn)行處理，輕水會(huì)流入核島廠房的地坑內(nèi)，最后進(jìn)入到重水回收系統(tǒng)中，會(huì)使重水回收系統(tǒng)的重水降級(jí)，影響反應(yīng)堆的安全運(yùn)行。

1.2 檢查空間受限

Feeder管位于燃料通道之間，空間位置狹小，變化復(fù)雜，大部分第二彎頭區(qū)域檢查設(shè)備無法直接安裝，設(shè)備定位控制困難。

1.3 現(xiàn)場(chǎng)輻射劑量

秦山三期CANDU-6反應(yīng)堆堆芯布置于R-107和R-108之間的區(qū)域，堆芯周圍用輕水、鋼球和混凝土屏蔽。在進(jìn)行檢查時(shí)操作人員需要在反應(yīng)堆A、C端面將手伸進(jìn)壓力管之間對(duì)Feeder管進(jìn)行超聲測(cè)厚檢測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境劑量高。

2 Feeder管超聲檢查技術(shù)開發(fā)

為滿足Feeder管現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)要求，解決面臨的檢查難點(diǎn)，技術(shù)支持處開發(fā)并完善對(duì)Feeder管超聲檢查技術(shù)，研發(fā)相應(yīng)的超聲測(cè)厚設(shè)備，并對(duì)設(shè)備進(jìn)行相關(guān)測(cè)試，驗(yàn)證其滿足Feeder管現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)要求。

2.1 Feeder管超聲檢查方案設(shè)計(jì)

對(duì)每個(gè)Feeder管實(shí)施檢查之前，認(rèn)真確定受檢Feeder管的位置。其方法根據(jù)Feeder管所在反應(yīng)堆端面的行號(hào)和列號(hào)組合來確定，如A12、G21、K1等。在靠近堆端面可接近的部位由人工實(shí)施掃查，這些地方一般是第一彎頭或反向第二彎頭，掃查器安裝時(shí)由人肉眼定位來確定某一基準(zhǔn)，一般以外彎脊背線為基礎(chǔ)，安裝完成后，由人工推動(dòng)在Feeder管彎頭軸線方向上運(yùn)動(dòng)進(jìn)行測(cè)厚，軸線方向運(yùn)動(dòng)時(shí)掃查裝置上帶有軸向運(yùn)動(dòng)的編碼器。為全面覆蓋整個(gè)彎頭，一般需做4次掃查，最后分析整理數(shù)據(jù)，以整個(gè)區(qū)域的壁厚數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)描繪出厚度變化圖像，并且不同部位的特征規(guī)律在數(shù)據(jù)圖像上能很清楚區(qū)分。

2.2 超聲測(cè)厚檢測(cè)裝置

超聲測(cè)厚檢測(cè)裝置由掃查裝置部分、超聲儀、耦合裝置部分、數(shù)據(jù)通訊部分等組成。掃查裝置中探頭由14個(gè)探頭呈大半個(gè)圓周分布，探頭與工件表面由水進(jìn)行耦合。水是去離子水，在衛(wèi)生出入口外面的分析室提取。為防止輕水在檢測(cè)過程中滴落至地面，使用專用的輕水回收裝置回收使用過程中的輕水，并且在燃料通道下部懸掛雨布，回收落下來的輕水，防止輕水流入核島廠房?jī)?nèi)的地坑。

Feeder管半自動(dòng)測(cè)厚系統(tǒng)中的掃查器分為用于彎頭區(qū)域測(cè)厚的METAR V2掃查器(如圖1所示)和用于GRAYLOC區(qū)域測(cè)厚的GRAVIS掃查器(如圖2所示)，它們由加拿大ZETEC公司研發(fā)生產(chǎn)，設(shè)計(jì)巧妙，結(jié)構(gòu)緊湊小巧，部件制作工藝精細(xì)，并且已經(jīng)進(jìn)行過多次的改進(jìn)升級(jí)，相關(guān)技術(shù)指標(biāo)能滿足現(xiàn)場(chǎng)檢查要求。

圖2 GRAVIS掃查器Fig.2 The GRAVIS ultrasonic scanner

整個(gè)測(cè)厚系統(tǒng)對(duì)掃查裝置的要求非常高，在現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)要求快速、準(zhǔn)確，因此掃查器都比較小巧精細(xì)，由一只手能將其安裝到彎頭上，拆卸時(shí)由一只手也能快速完成。在人工掃查時(shí)人手的推動(dòng)速度必須要多次訓(xùn)練才能達(dá)到較好的效果。

在利用掃查器進(jìn)行檢測(cè)的過程中，操作人員需要在反應(yīng)堆端面進(jìn)行作業(yè)。為減少工作人員的受照劑量，利用屏蔽鉛房對(duì)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)進(jìn)行屏蔽來有效保護(hù)工作人員。使用半自動(dòng)檢查設(shè)備時(shí)，將檢查設(shè)備和輕水回收裝置布置在屏蔽房?jī)?nèi)。檢查時(shí)，屏蔽房在堆端面移動(dòng)，靠近檢查位置。人員在屏蔽房?jī)?nèi)部實(shí)施檢查工作。

2.3 檢驗(yàn)設(shè)備測(cè)試

為確保開發(fā)的超聲測(cè)厚設(shè)備能滿足Feeder管的檢測(cè)要求，先后進(jìn)行了編碼器測(cè)試、試塊標(biāo)定測(cè)試以及現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集。

(1)編碼器測(cè)試

METAR V2和GRAVIS掃查器上的編碼器為單軸編碼，根據(jù)程序要求，METAR V2編碼器精度要求為250 mm范圍內(nèi)誤差±3 mm，2″規(guī)格的GRAVIS掃查器編碼器精度要求為189 mm范圍內(nèi)誤差±3 mm，2.5″掃查器規(guī)格的GRAVIS掃查器編碼器精度要求為229 mm范圍內(nèi)誤差±3 mm。測(cè)試采取測(cè)量三次取平均值，數(shù)據(jù)見表1。經(jīng)測(cè)試，掃查器編碼器的精度滿足程序要求。

表1 編碼器測(cè)試表Table 1 Encoder test

(2)試塊標(biāo)定測(cè)試

由于測(cè)量方法的分辨率和試塊的機(jī)械精度限制，測(cè)量的數(shù)據(jù)和試塊實(shí)際厚度會(huì)有一定的誤差，根據(jù)程序要求，這個(gè)誤差應(yīng)該在±0.03 mm以內(nèi)。

使用METAR V2掃查器掃查2″彎頭標(biāo)定試塊，采集的數(shù)據(jù)見表2。使用GRAVIS掃查器掃查2.5″ GRAYLOC區(qū)標(biāo)定試塊，采集的數(shù)據(jù)見表3。經(jīng)過對(duì)數(shù)據(jù)文件的分析，實(shí)際標(biāo)定測(cè)試中，測(cè)得的厚度誤差范圍在±0.03 mm以內(nèi)，標(biāo)定數(shù)據(jù)有效，該系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)滿足程序要求。

表2 2″彎頭試塊標(biāo)定數(shù)據(jù)Table 2 Calibration data of 2″ elbow test block

表3 2.5″彎頭試塊標(biāo)定數(shù)據(jù)Table 3 The calibration data of 2.5″ elbow test block

(3)現(xiàn)場(chǎng)彎頭數(shù)據(jù)采集

使用NETAR V2掃查器采集2.5″彎頭厚度數(shù)據(jù)，采集的數(shù)據(jù)質(zhì)量較好，沒有明顯的掉線，C掃圖像中能明顯區(qū)分管壁較薄的區(qū)域，B掃和D掃圖像能明顯看出壁厚的變化趨勢(shì)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，進(jìn)一步確定該超聲測(cè)厚系統(tǒng)滿足工作要求。

3 Feeder管超聲檢查實(shí)施效果

3.1 檢查實(shí)施效果

自檢查技術(shù)開發(fā)完成以來，已在206、207、107、110、210大修期間，均對(duì)1、2號(hào)機(jī)組A、C端面的部分Feeder管執(zhí)行了半自動(dòng)超聲測(cè)厚檢驗(yàn)，經(jīng)技術(shù)人員核實(shí)，檢驗(yàn)數(shù)據(jù)均符合電廠流體加速腐蝕(FAC)理論減薄規(guī)律。

3.2 檢查數(shù)據(jù)分析和壽命評(píng)估

Feeder管的材料和運(yùn)行條件滿足FAC理論，壁厚減薄速率和管內(nèi)冷卻劑流速呈一定相關(guān)性。故可以采用以下數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法分析評(píng)估Feeder管的最大減薄速率：

(1)利用在役檢查測(cè)量數(shù)據(jù)與制造廠家壁厚原始數(shù)據(jù)計(jì)算在役檢查測(cè)量的Feeder管從出廠至今的平均壁厚減薄速率；

(2)根據(jù)計(jì)算所得的平均壁厚減薄速率和管內(nèi)冷卻劑流速，擬合線性回歸方程，加上兩倍標(biāo)準(zhǔn)正偏差，得到Feeder管的最大可能減薄速率；

(3)利用第(2)步中計(jì)算得到的數(shù)據(jù)估算其壽命，評(píng)估Feeder管的壁厚減薄速率是否滿足預(yù)計(jì)壽命要求。

以Q3-OT210大修為例，根據(jù)Feeder管的尺寸和管內(nèi)冷卻劑名義流速計(jì)算Feeder管內(nèi)冷卻劑修正后流速，與大修期間在役檢查數(shù)據(jù)形成對(duì)比，如表4所示。繪制散點(diǎn)圖并擬合線性回歸方程：y=1.5903x-7.2678(μm/EFPY)，如圖3所示。

表4 Feeder管內(nèi)冷卻劑流速和壁厚減薄速率[3,4]Table 4 The wall thickness thinning rate and coolant flow rate in the feeder pipes[3,4]

圖3 Feeder管壁厚減薄速率-冷卻劑流速的散點(diǎn)圖Fig.3 The scatter plot of the wall thickness thinning rate and the coolant flow rate in the feeder pipes

分析Q3-OT210大修實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，2英寸Feeder管最小實(shí)測(cè)壁厚為4.92 mm，2.5英寸Feeder管最小實(shí)測(cè)壁厚為5.99 mm，F(xiàn)eeder管的最高流速為16.28 m/s，對(duì)應(yīng)的理論最大減薄速率為28.09 μm/EFPY。

技術(shù)規(guī)格書規(guī)定秦山三期2英寸和2.5英寸Feeder管的名義壁厚、允許壁厚減薄量如表5所示。

表5 Feeder管預(yù)計(jì)壽命Table 5 The expected life of the feeder pipes

根據(jù)實(shí)測(cè)減薄數(shù)據(jù)計(jì)算，預(yù)測(cè)秦山三期2號(hào)機(jī)組2英寸Feeder管壽命為81 EFPY，2.5英寸Feeder管壽命為101 EFPY，滿足預(yù)計(jì)壽命使用要求。

實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證階段使用樣品Cr含量(重量)為0.24%，三期Feeder管的實(shí)際Cr含量(重量)為0.32%～0.33%。碳鋼中Cr含量增加會(huì)降低材料FAC腐蝕速率，F(xiàn)eeder管的實(shí)際腐蝕速率要比驗(yàn)證階段腐蝕速率低，所以評(píng)估得到比設(shè)計(jì)壽命更長(zhǎng)的使用壽命是合理的。

4 結(jié) 論

Feeder管是CANDU重水堆的壓力邊界，加拿大法規(guī)CSA285.4-05版要求CANDU電站定期對(duì)Feeder管進(jìn)行目視檢查、壁厚測(cè)量、體積檢查(裂紋檢查)。目視檢查和壁厚測(cè)量是強(qiáng)制性要求，體積檢查是非強(qiáng)制性要求。經(jīng)1、2號(hào)機(jī)組5次大修實(shí)施驗(yàn)證，現(xiàn)如今使用的半自動(dòng)超聲測(cè)厚技術(shù)較曾經(jīng)的手動(dòng)超聲測(cè)厚技術(shù)，有著更準(zhǔn)確的檢測(cè)數(shù)據(jù)，更大的可達(dá)區(qū)域。該技術(shù)在對(duì)于管道使用壽命評(píng)估上有很大的應(yīng)用前景。