核電廠輔助管道相控陣超聲檢測裝置研制

李 杰，汪 濤，江小勇，許俊龍，李 庚

(中廣核檢測技術有限公司, 江蘇 蘇州 215021)

0 引言

核能作為主要清潔能源之一，已在一些國家規模應用，它在帶來高效能源的同時，也具有其自身的原始危險屬性。從1979年的三哩島核事故到1986年的切爾諾貝利事故再到已經發生十多年但至今仍對我國核電發展進程產生重要影響的福島核事故[1-3]，無一不提醒著廣大核電從業者，核安全應擺在核電發展中最重要的位置。1987年美國的Farley核電站以及1988年比利時的Tihange核電站均出現由于核電廠安全注入系統(safety injection system，RIS)的隔離閥泄漏，化學與容積控制系統上充管線的低溫水通過反應堆冷卻系統(reactor coolant system，RCP)主逆止閥進入一回路，產生了冷熱水混流，在RCP逆止閥的下游管段相繼出現泄漏性熱疲勞裂紋，即Farleytihange現象，此后，同類現象陸續在國內外多個運行的核電廠出現[4]。

國內某核電廠自首臺機組投入商用以來已運行20余年[5]，一回路輔助管道熱疲勞敏感部位存在發生疲勞裂紋甚至破裂的風險，使電廠安全運行風險加大。當前熱疲勞裂紋運行監督采用的目視、常規超聲和射線三種無損檢測方法存在效率低、缺陷檢出率低和定位定量困難等不足。相控陣超聲具有聲束角度控制靈活、信號圖像化處理、多角度檢測降低漏檢等優點[6]，給核電廠輔助管道熱疲勞裂紋監督檢測提供了新思路，但輔助管道現場環境復雜，管道規格較多，設計成套專用掃查裝置從而準確可靠地完成掃查工作具有非常重要的價值。下面旨在開發一套覆蓋輔助管道全部7種規格直管、彎頭和環焊縫位置的檢測裝置，可搭載相控陣超聲探頭對疲勞裂紋進行檢測。

1 總體方案設計

1.1 管道掃查方式確定

國內某核電廠1、2號機組一回路受湍流、冷熱混流以及死管段等引起的熱疲勞敏感區域，主要包含在高壓安注注入部分、冷端管線注入部分、冷端注入管線和余熱系統部分、余熱排出系統T型管段、穩壓器波動管等位置，經統計匯總，被檢對象管道涵蓋外徑2～14 in (1 in≈2.54 cm)共7種尺寸的直管、彎頭和環焊縫，材質為鍛造奧氏體不銹鋼，詳細信息如表1所示。

表1 檢驗對象詳細信息

熱疲勞管道涵蓋的管徑尺寸范圍為2～14 in，其中包含管道直管、彎管和環焊縫等區域的檢測需求，因此下面從管徑和被檢區域兩個角度對其進行分類。

熱疲勞管道的管徑范圍覆蓋太廣，最小與最大管徑之間存在6倍多的差距，設計的管道掃查系統無法通過使用單一的工裝覆蓋所有被檢管道，根據管徑大小將被檢管道分為兩類，2～4 in劃分為中小管徑，6 in及以上劃分為大管徑。小管徑管道分布廣泛，環境復雜，所以檢驗方式以手動為主，重要的檢查部位(如焊縫)可使用半自動掃查裝置進行檢測。對大管徑管道可以實行自動檢測或半自動檢測。

熱疲勞管道上的被檢區域存在3種檢查類型的檢驗對象(見圖1)，分別為直管母材區域、環焊縫區域和彎管母材區域。直管母材區域適合使用操作安裝簡便的自動化設備，減少檢驗人員在輻射環境中的受照劑量，除此之外對于管線非常長的的直管，也有必要采用輕便的半自動掃查裝置進行檢查；環焊縫區域的空間形狀相對簡單，可以使用自動或半自動掃查裝置進行檢查；彎管母材區域在熱疲勞管線中既受到熱分層的沖擊，又受到轉彎湍流的影響，屬于易產生疲勞裂紋的區域[7]。由于彎管曲率的不斷變化，實現彎管自動掃查時會出現自動裝置結構復雜、安裝適應性差的情況，對大管徑彎管需要設計使用半自動化掃查裝置進行檢查，對中小管徑的直管和彎管，由于其尺寸較小，檢驗覆蓋面小很多，建議使用手動檢查。

圖1 熱疲勞管道的3種檢驗區域

根據以上分析對熱疲勞管道相控陣超聲檢測的掃查方式進行分類，中小管徑管道環焊縫開發半自動的掃查裝置，其他采用傳統手動無坐標掃查，大管徑管道直管母材區域和環焊縫區域可以依據現場環境選擇自動掃查或半自動掃查，彎管母材區域采用半自動掃查，詳見表2。

表2 管道被檢對象的掃查方式

1.2 總體布置方案

根據表2確定的被檢對象掃查方式，給出自動掃查和半自動掃查檢測現場布置方案(見圖2)，根據管道管徑和檢查對象特點選擇合適的自動掃查裝置或半自動掃查裝置。

圖2 檢查系統掃查裝置總體布置方案示意

對管道進行檢測時，先將耦合劑涂在被檢管道上，然后將掃查裝置本體放置于管道上并裝夾，調整好超聲儀設置，掃查裝置初始定位完成后，開始按掃查計劃自動或半自動檢測，超聲儀接收探頭的超聲信號信息和掃查裝置探頭位置信息合成完整的檢測信息，直至完成計劃的采集內容，最后終端計算機完成相控陣超聲信號的分析、缺陷定位和圖像處理，將檢驗結果展示出來。

2 掃查裝置設計

根據各規格管道和被檢對象類型，結合調研的各式掃查裝置結構特點，可規劃出各式掃查裝置的結構形式，并形成掃查裝置設計方案。主要有大管徑直管自動掃查裝置、大管徑直彎管兩用掃查裝置和中小管徑環焊縫掃查裝置三種類型。

2.1 大管徑直管自動掃查裝置

目前應用于直管的自動、半自動掃查裝置結構有很多，總體可分為三類：鏈式爬行結構、磁吸附小車結構和固定導軌結構，其結構特點及應用案例見表3。

表3 直管掃查裝置結構對比

核電廠輔助管道現場環境復雜，管道為奧氏體不銹鋼材料，無法使用磁吸附結構，因此需要受力結構好、重量輕且安裝簡便的掃查裝置。經過以上對比分析，現有的自動掃查器結構無法滿足現場安裝便捷、結構可靠穩定的需求。下面提出一種開口齒環式的大管徑自動掃查器，采用開口齒環運載架搭載探頭的結構，開口的齒環可以穿過管道，兩側支腳將設備固定在管道上，使得設備整體架裝在管道上，避免懸臂情況存在，提高掃查器剛度，同時其重量較輕，擁有快卸裝置使得現場安裝更加便捷。全新的開口齒環結構的大管徑直管自動掃查裝置結構設計模型見圖3。

圖3 大管徑直管自動掃查裝置結構設計模型

2.2 大管徑直彎管兩用掃查裝置

目前公開文獻中對用于彎管檢測的掃查裝置研究不多，調研到的彎管檢測掃查裝置只有浮動隨動輪結構、磁吸附小車結構和彎曲導軌結構，其結構特點及應用案例見表4。

表4 常用彎頭檢測結構對比

核電廠輔助管道的材質是奧氏體不銹鋼，無鐵磁性，而且管道現場需要裝置安裝操作方便，因此彎頭掃查裝置結構無法應用于上述檢測對象中。下面提出一種全新結構的掃查裝置，利用彈性壓緊導向輪固定的環狀半自動掃查裝置，導軌上的周向模塊可以帶動探頭組件和編碼器周向運動，能夠實現對管道彎管的周向步進軸向掃查，同時該裝置不受彎管或直管結構限制，可進一步適應直管管道母材區域和環焊縫的掃查功能，設備操作簡單，適應范圍廣。全新結構的直彎管兩用掃查裝置詳細機械結構設計見圖4。

圖4 大管徑直彎管兩用掃查裝置結構設計模型

2.3 中小管徑焊縫周向半自動掃查裝置

中小管徑焊縫周向半自動掃查裝置一般采用滾輪＋鏈式結構，搭載旋轉編碼器，相控陣探頭安裝在鏈條之間，通過彈簧或卡箍將掃查器固定在被檢管道上并保持一定壓緊力，保證編碼器滾輪在周向掃查時做純滾動運動，這是目前行業內的通用掃查方法。鏈式掃查裝置可以根據管徑的變化通過增減鏈節的數量達到調節的目的，但隨著鏈節的增加會使掃查器剛性不足，因此對于管徑大一點的中型管道，設計一種抱箍式環焊縫掃查裝置，它由1個半圓圓箍和2個壓緊輪組成，2個壓緊輪通過扭簧將圓箍固定在管道上，該結構可以解決鏈式掃查器剛性不足的問題。依據上述思路，設計出兩種結構的掃查裝置，其設計模型見圖5和圖6。

圖5 鏈式掃查裝置

圖6 抱箍式掃查裝置

3 實驗性能驗證

將設計的掃查裝置在預埋熱疲勞裂紋的模擬體上搭載相控陣超聲探頭進行實驗，驗證掃查性能。

經過測試，設計的大管徑直管自動掃查裝置、大管徑直彎管兩用掃查裝置、鏈式掃查裝置和抱箍式掃查裝置均運轉順暢，掃查功能全部實現。為了驗證其機械定位精度，掃查裝置安裝后控制其運動，對搭載的超聲探頭架組件實際軸向步進位移和周向步進角度進行測量，測量結果與編碼器位置顯示對比，裝置性能試驗結果見表5。結果表明，大管徑直管自動掃查裝置、鏈式掃查裝置和抱箍式掃查裝置定位精度高，大管徑直彎管兩用掃查裝置定位精度略差，所有掃查裝置定位精度均滿足掃查需求。

表5 掃查裝置性能試驗結果

在模擬體管道上進行大管徑直管自動掃查裝置、大管徑直彎管掃查裝置、鏈式掃查裝置、抱箍式掃查裝置的掃查實驗，并得到相控陣超聲S掃、C掃、A掃和B掃信號顯示，結果表明探頭耦合良好，掃查器穩定運行，能夠滿足核電廠輔助管道直管、彎管和環焊縫的檢測需求。

4 結束語

以上從核電廠一回路輔助管道熱疲勞裂紋的無損檢測需求出發，根據輔助管道熱疲勞裂紋敏感區域管道特點設計一套多種類、系列化的管道掃查裝置，提高了輔助管道現場相控陣超聲檢測掃查定位的準確性和可靠性，能夠完成管道環焊縫、直管和彎頭母材的掃查作業，為直管和彎頭檢測提供了一種新的成套解決方案。