核電廠堆芯中子通量測量指套管外壁磨損缺陷分布及移位處置策略研究

張 弛 張 挺 夏清友 姚傳黨

（1.中核武漢核電運行技術(shù)股份有限公司，湖北 武漢 430034；2.中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

0 前言

指套管是M310堆型核電廠反應(yīng)堆堆芯中子通量測量探測器的通道。指套管在核電廠運行期間，由于受到一回路冷卻劑流體的誘發(fā)振動，容易與其外部導(dǎo)向管的不連續(xù)結(jié)構(gòu)處產(chǎn)生磨損缺陷。近幾年來，國內(nèi)部分核電廠指套管的磨損較為嚴重，多次出現(xiàn)需要對指套管進行移位處理，甚至是堵管的情況，因此國內(nèi)核電廠對指套管磨損缺陷的處置研究越來越重視。本研究旨在通過統(tǒng)計國內(nèi)核電廠歷年的指套管渦流檢查結(jié)果和數(shù)據(jù)，統(tǒng)計和測量指套管在不同結(jié)構(gòu)位置的磨損缺陷長度，結(jié)合國內(nèi)各核電廠對指套管磨損缺陷的處置效果，研究一套合適的指套管磨損缺陷處置策略方法，為核電廠對堆芯中子通量測量指套管磨損缺陷的處置提供參考。

1 指套管磨損缺陷的分布統(tǒng)計、長度測量及處置方式

1.1 指套管磨損缺陷的形成機理

M310堆型核電廠的指套管產(chǎn)生的缺陷主要是由于流體誘發(fā)的振動，引起指套管在幾何不連續(xù)結(jié)構(gòu)處產(chǎn)生磨損缺陷。這些幾何不連續(xù)結(jié)構(gòu)有以下幾個區(qū)域，如圖1所示：

（1）堆芯下柵格板區(qū)域；

（2）堆芯支撐板附近；

（3）儀表導(dǎo)管固定板附近；

（4）壓力容器底封頭貫穿件附近區(qū)域；

指套管磨損缺陷主要發(fā)生在圖1中外部導(dǎo)向管結(jié)構(gòu)的POINT1，POINT2，POINT3，POINT4，POINT5及POINT6的6個內(nèi)徑不連續(xù)結(jié)構(gòu)位置。尤其在堆芯下柵格板和燃料組件底部之間（POINT1處），該部分指套管裸露在反應(yīng)堆冷卻劑流體中，最易受一回路流體誘發(fā)的振動而產(chǎn)生磨損。

圖1 指套管易產(chǎn)生磨損的不連續(xù)結(jié)構(gòu)位置

1.2 指套管磨損缺陷的分布統(tǒng)計

（1）以國內(nèi)部分核電廠最近一次大修的指套管渦流檢驗結(jié)果和數(shù)據(jù)為樣本，統(tǒng)計指套管在POINT1，POINT2，POINT3，POINT4，POINT5及POINT6的6個內(nèi)徑不連續(xù)結(jié)構(gòu)位置產(chǎn)生的磨損數(shù)量和占比，可直觀反映出指套管磨損缺陷在不同結(jié)構(gòu)位置的分布情況。

（2）通過統(tǒng)計相同編號的指套管在同類機組中磨損缺陷出現(xiàn)的次數(shù)，了解和掌握同類機組中易產(chǎn)生磨損缺陷的指套管編號及在堆芯分布的位置。

1.3 指套管磨損缺陷的長度測量

依據(jù)國內(nèi)部分核電廠歷年大修的指套管渦流檢驗數(shù)據(jù)及結(jié)果，統(tǒng)計和測量六處不連續(xù)結(jié)構(gòu)處產(chǎn)生的磨損缺陷渦流顯示信號的長度。磨損缺陷的長度測量公式如下所示，探頭有效掃查場寬度W可通過長度已知的磨損人工測量得出。磨損缺陷信號顯示長度L可通過測量磨損缺陷渦流信號長度得出。

磨損缺陷長度計算公式：

式中，K為磨損缺陷長度；L為缺陷信號顯示的長度，如圖2所示；W為指套管探頭有效掃查場寬度。

圖2 磨損缺陷渦流信號顯示長度

每個結(jié)構(gòu)位置的磨損缺陷選取不同核電廠共10個指套管磨損顯示作為測量樣本，這10個磨損顯示的缺陷長度的平均值即為K值。由于在POINT2、POINT3及POINT6三處結(jié)構(gòu)位置產(chǎn)生的磨損顯示較少，因此只測量POINT1、POINT4、POINT5三處結(jié)構(gòu)位置的磨損缺陷長度。

1.4 國內(nèi)核電廠對指套管磨損缺陷的處置方法

目前國內(nèi)M310堆型核電廠對指套管磨損缺陷的處置主要依據(jù)磨損顯示深度類別，國內(nèi)核電廠將不同深度的指套管磨損缺陷分為4類，即A、B、C及D類，對深度為C類的磨損顯示通常進行移位處理，每次移位距離為40mm左右。對D類的磨損顯示通常進行堵管或換管處理。這4類磨損缺陷的深度按以下標準進行分類：

A類：指套管減薄量≤30%壁厚；

B類：指套管減薄量>30%壁厚，但≤50%壁厚；

C類：指套管減薄量>50%壁厚，但≤65%壁厚；

D類：指套管減薄量>65%壁厚。

對國內(nèi)核電廠對磨損指套管的處置方法進行調(diào)研和分析，比較各核電廠對磨損指套管的處置效果。

2 統(tǒng)計結(jié)果

2.1 指套管磨損缺陷的分布統(tǒng)計結(jié)果

2.1.1 指套管在不同結(jié)構(gòu)位置產(chǎn)生的磨損數(shù)量統(tǒng)計結(jié)果

圖3為統(tǒng)計的國內(nèi)部分核電廠不同結(jié)構(gòu)位置記錄的磨損數(shù)量對比圖，從圖中可以發(fā)現(xiàn)：

圖3 不同結(jié)構(gòu)位置記錄的深度大于等于20%以上的磨損數(shù)量對比圖

在POINT1結(jié)構(gòu)位置記錄的磨損顯示數(shù)量為201處，約占所有磨損數(shù)量的73%；其中深度為A類的磨損顯示有97處，B類磨損顯示有91處，C類磨損顯示有12處，D類磨損顯示有1處。

在POINT4結(jié)構(gòu)位置記錄的磨損顯示有45處，約占所有磨損數(shù)量的16%；其中深度為A類的磨損顯示有37處，B類磨損顯示有8處，未發(fā)現(xiàn)C類以上顯示。

在POINT5結(jié)構(gòu)位置記錄的磨損顯示有29處，約占所有磨損數(shù)量的10%。其中深度為A類的磨損顯示有19處，B類磨損顯示有9處，D類磨損顯示有1處。

在POINT6結(jié)構(gòu)位置記錄的磨損顯示有3處A類磨損顯示，約占所有磨損數(shù)量的1%。

在POINT2和POINT3結(jié)構(gòu)處分別記錄了1處A類磨損顯示。

由此可見，指套管磨損缺陷主要發(fā)生在POINT1、POINT4及POINT5三個結(jié)構(gòu)位置，尤其在POINT1結(jié)構(gòu)處產(chǎn)生的磨損缺陷最多，磨損程度也最嚴重，深度達到C類以上的磨損顯示共有14處，其中13處在POINT1結(jié)構(gòu)位置，僅1處發(fā)生在POINT5結(jié)構(gòu)位置。

2.1.2 相同編號的指套管在同類機組中磨損缺陷出現(xiàn)的次數(shù)

通過統(tǒng)計國內(nèi)三座M310/1000MW堆型核電廠的1，2號機的指套管渦流檢驗結(jié)果，得出以下結(jié)果：

在三座核電廠1號機的3個機組的指套管渦流檢驗結(jié)果中，編號為6、10、16和19的4根指套管在3個機組中均在POINT1結(jié)構(gòu)位置記錄了磨損顯示；其中編號為19（堆芯位置J10）的指套管磨損較為嚴重，在這3個機組記錄的磨損深度都在40%以上。

在三座核電廠2號機的3個機組的指套管渦流檢驗結(jié)果中，編號為15、25、38、39和46的5根指套管在3個機組中均在POINT1結(jié)構(gòu)位置記錄了磨損顯示；其中編號為25（堆芯位置J10）的指套管磨損最為嚴重，分別記錄了一處B類、一處C類和一處D類的磨損缺陷顯示。

2.2 指套管磨損缺陷的長度測量

使用指套管磨損標定管上的人工缺陷，人工缺陷渦流信號的起點至終點時探頭通過的距離，減去人工缺陷的長度，得出探頭有效掃查場寬度W約為9mm。

表2為不同結(jié)構(gòu)位置產(chǎn)生的磨損缺陷顯示長度的測量結(jié)果，測量結(jié)果為POINT1、POINT4及POINT5結(jié)構(gòu)處產(chǎn)生的磨損缺陷信號顯示長度L的平均值分別 為12.92mm、73.26mm、64.03mm。由 此 得 出，POINT1、POINT4及POINT5結(jié)構(gòu)處產(chǎn)生的磨損缺陷長度K值約為4mm、64mm及55mm。

表2 不同結(jié)構(gòu)位置產(chǎn)生的磨損缺陷顯示長度的測量結(jié)果

續(xù)表

由此可見，在不同結(jié)構(gòu)位置產(chǎn)生的磨損缺陷長度是有顯著差異的。其中在POINT1結(jié)構(gòu)位置產(chǎn)生的磨損缺陷長度在4mm左右，而在POINT4和POINT5結(jié)構(gòu)位置產(chǎn)生的磨損缺陷長度則較長，均在50mm以上。因此針對不同結(jié)構(gòu)位置的磨損缺陷的移位距離應(yīng)參考磨損缺陷的長度進行處置。

2.3 國內(nèi)核電廠對磨損指套管的移位處置效果

指套管磨損缺陷主要產(chǎn)生在POINT1、POINT4及POINT5三處結(jié)構(gòu)位置，因此主要研究了這三處結(jié)構(gòu)位置的磨損缺陷的移位處置效果。

圖4為POINT1結(jié)構(gòu)位置產(chǎn)生的磨損缺陷移位前、后的典型渦流信號，從圖中可以看出，目前國內(nèi)核電廠對指套管POINT1結(jié)構(gòu)位置的磨損移位處置效果較好，移位后的磨損顯示與新產(chǎn)生的磨損顯示能明顯區(qū)分，且移位后的磨損顯示深度未發(fā)生變化。

圖4 POINT1結(jié)構(gòu)位置的磨損移位效果

圖5和圖6分別為POINT4和POINT5結(jié)構(gòu)位置的磨損移位前、后的渦流信號，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，移位后的磨損顯示未能與新產(chǎn)生的磨損顯示完全分隔開，從而形成了明顯的復(fù)合信號，即在原始磨損缺陷位置產(chǎn)生新的磨損顯示；其中圖6顯示的是某個電廠的指套管在POINT5結(jié)構(gòu)位置的磨損顯示，移位前該顯示記錄的磨損深度為45%，經(jīng)過移位后，該顯示形成了復(fù)合信號，并且測量深度達到了74%，該磨損深度達到了堵管或換管的標準；由此可見，如果對磨損缺陷移位處置距離不足，有可能會導(dǎo)致磨損缺陷未完全離開磨損區(qū)域，從而導(dǎo)致磨損缺陷深度進一步增加，存在指套管破損的風(fēng)險。

圖5 POINT4結(jié)構(gòu)位置的磨損移位效果

圖6 POINT5結(jié)構(gòu)位置的磨損移位效果

3 結(jié)語

通過對國內(nèi)部分核電廠指套管渦流檢驗結(jié)果統(tǒng)計和研究發(fā)現(xiàn)，指套管磨損缺陷主要發(fā)生在POINT1、POINT4及POINT5三處結(jié)構(gòu)位置，且達到處置標準的磨損缺陷主要發(fā)生在POINT1結(jié)構(gòu)位置。由于三處結(jié)構(gòu)位置產(chǎn)生的磨損缺陷長度差異較大，目前國內(nèi)對達到處置標準的POINT1結(jié)構(gòu)位置磨損移位處置效果較好，但對POINT4和POINT5結(jié)構(gòu)位置產(chǎn)生的磨損缺陷移位距離不足，存在磨損深度進一步擴展的風(fēng)險。因此當在POINT4和POINT5結(jié)構(gòu)位置發(fā)現(xiàn)達到處置標準的磨損缺陷時，建議先測量磨損缺陷長度，依據(jù)磨損缺陷長度進行移位處置。