核电厂SG传热管涡流检验内壁显示浅析

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　　摘 要
　　本文阐述了AP1000堆型非能动余热导出热交换器传热管PVN涡流信号的分析过程。针对检验过程中出现的可疑内壁涡流显示，主要从涡流信号的相位角进行解析，附加内窥镜目视检验和涡流旋转探头检验，最终判定该信号为PVN信号，结果与管材生产厂家给出的原材料分析结果一致。
　　关键词
　　涡流检验;Bobbin探头;旋转探头;PVN
　　中图分类号：  TL353.13                       文献标识码： A
　　DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.07.081
　　Abstract
　　This paper introduced the defect analysis process of PVN for AP1000 PRHR HX tubes.Suspicious inner indication was detected during eddy current inspection，Analysis from the phase of eddy current signal，the endoscope visual inspection and eddy current rotating probe inspection was performed，confirm the signal is PVN，the result is consistent with the analysis result of raw materials from tube manufacturers.
　　Key Words
　　Eddy current inspection;Bobbin probe;Rotating probe;PVN
　　0 前言
　　美国西屋公司设计的三代压水堆AP1000核电机组中，余热导出功能分别由非能动余热导出热交换器Passive Residual Heat Removal Heat Exchanger （以下简称：PRHR HX）和正常余热导出系统Normal Residual Heat Removal System（以下简称：RNS）来执行。PRHR HX是AP1000机组非能动堆芯冷却系统的一个子系统，在蒸汽发生器给水少，蒸汽系统发生瞬态时保护电厂安全，满足给水丧失、给水管破裂、蒸汽管破裂的安全准则。在非大破口失水事故且蒸汽发生器不可用时，执行应急衰变热导出的功能，可长久地去除衰变热而无须运行人员的任何干预。PRHR HX传热管属一回路压力边界，属于专设安全设施的一部分，传热管的好坏直接关系到核电站的安全运行，因此国内外核电站必须对传热管进行役前和运行后定期地在役涡流检验。
　　国内某核电站PRHR HX进行防振条安装后的传热管涡流检验过程中，24根传热管共检验出35处内壁显示的涡流信号，且出现位置毫无规律性，现场增加内窥镜目视检验及涡流旋转探头检验，最终判定这些显示均为PVN信號（磁导率变化Permeability Variation）。
　　1 被检对象
　　PRHR HX热交换功能主要由689根材料为Inconel 690TT，外径为19.05mm、壁厚1.65mm的直立“C”型传热管来实现。“C”型传热管顶部位于安全壳内换料水箱（以下简称：IRWST）液面几英尺以下，通过附着在IRWST的底板和顶板上的支架进行固定，采用法兰连接的固定方式，并考虑了热膨胀因素。出口管线连接在出口管道接头上，位于入口管道接头的正下方且接近于IRWST 的底部。两个通道接头的管板与蒸汽发生器的管板相同，且都有用于检修和维护用的人孔。用于固定和支撑传热管管束的支撑板数量为9组，均匀分布于“C”型传热管全长。为加强防振能力，降低因振动而导致的传热管壁厚减薄寿命变短等因素，另附加有21组防震条穿插分布于支撑板之间。PRHR HX 在设计上具有足够的导热能力，在发生丧失主给水或主给水管线破裂的情况下，与蒸汽发生器内可用的水共同作用，为RCS 提供足够的冷却，防止堆芯冷却不足，堆芯超压，冷却剂通过稳压器安全阀向外泄漏。
　　2 检验实施
　　检验实施的主要步骤如下：
　　（1）使用内穿过轴绕式涡流探头（以下简称：Bobbin探头）对所有传热管实施涡流检验。
　　（2）根据Bobbin探头的检验结果，选取几根出现疑似内壁显示的传热管进行定性分析。
　　（3）附加内窥镜目视检验对传热管内壁状况进行检查，判断是否存在内壁附着物或内壁材料缺失。
　　（4）对涡流显示位置使用旋转探头进行检验和定性。
　　2.1 Bobbin涡流检验
　　Bobbin涡流检验主要设备和参数如下：
　　（1）检验设备：OMNI-200R远控多频涡流仪。
　　（2）检验探头：Bobbin探头;旋转探头为外径14.2mm的三线圈旋转涡流探头（线圈1为扁平线圈、线圈2为正交线圈、线圈3为高频扁平线圈）。
　　（3）标定管：依据ASME标准加工人工伤[1]。
　　（4）检验频率：240kHz、120kHz、60kHz、20kHz四个检验频率
　　Bobbin探头涡流检验结果：35处内壁显示的幅值为0.2v～1.6v，相位为5°～14°，信号形态类似。以管号R005C009的传热管为例进行分析，如图1所示。
　　2.2 显示定性分析
　　选取Bobbin探头信号三个差分通道Ch1（240kHz）、Ch3（120kHz）、Ch5（60kHz）进行分析，随着检验频率的降低，这些涡流信号显示在差分通道的相位角逐渐增大（相位角向40°靠近），符合内壁缺陷相位角的变化规律，且相位角在0°～40°之间，可以判断这些显示是出现在传热管的内表面[2]。产生内表面显示的原因通常有三种：内壁附着物、内壁材料缺失、PVN信号，现对这三种可能情况进行详细分析。 　　2.2.1 内壁附着物
　　内壁附着物是指具有电磁特性的外来物依附在传热管内壁，能够影响涡流探头的电磁信号，分为松散内壁附着物和固定内壁附着物，典型内壁附着物涡流信号见图2。松散内壁附着物可以通过特定的方法（如：清洗、剐蹭、摩擦、除锈）有可能被清除掉，而固定内壁附着物牢固地依附在传热管内壁，很难清除。随着Bobbin探头的反复采集和磨蹭，松散内壁附着物涡流信号的幅值可能会减小，甚至会出现移位或消失的现象。固定内壁附着物对涡流探头的运动存在一定的阻碍。内壁附着物也可以使用内窥镜目视检验观察附着物形态。对存在内壁显示的24根传热管实施清洗和除锈处理，并反复进行Bobbin探头的数据采集，这些信号依然出现在传热管的相同位置，幅值和相位角差异不大，未出现探头回拉过程“卡顿”的现象，内窥镜检查未发现内壁附着物形态，因此可以大致排除内壁附着物的可能性。
　　2.2.2 内壁材料缺失
　　内壁材料缺失是传热管在生产加工、安装、使用期间由于外部因素或者材料本身原因产生的产品降质现象，常见的有内部裂纹、凹坑、局部材料磨损等现象，典型内凹坑涡流信号见图3。首先，从Bobbin探头涡流信号的形态特征分析，该显示在通道Ch1、Ch3、Ch5上呈现较尖锐的“扁平”状，而标定管上的内壁人工缺陷的李沙育图均呈现比较饱满的“8”字形信号。其次，通道Ch1、Ch3显示的相位角偏差不大，所有这些信号显示的Ch1和Ch3相位角差均在1°～6°之间，偏差值比标准内壁人工缺陷偏差小。再者，根据主检测频率的相位判伤曲线，该显示的壁厚损失深度为31%，如果存在如此大的内壁缺陷，在原材料出厂阶段的外穿过式涡流和超声联合探伤时应该就能被检验出来，查阅联合探伤报告并未发现该缺陷存在。由以上几点特征分析，初步确认该显示不是内壁材料缺失。
　　2.2.3 PVN信号
　　PVN信號[3]是由于原材料加工、热处理等原因，传热管存在某区域掺杂其他金属导致相对磁导率、电导率发生变化，但材料的机械性能并未因此而下降。PVN信号的李沙育图一般比较尖锐，大部分的PVN信号的相位角符合内壁缺陷变化规律，随着检测频率的降低，其相位角会增大，典型的PVN信号见图4。PVN涡流信号还可以通过强磁饱和探头进行验证，强磁饱和探头对PVN信号有一定消减或削弱。从Bobbin探头涡流信号的形态特征来看，这些内壁显示符合PVN的信号特征。
　　2.3 内窥镜目视检验
　　为进一步判断这些内壁涡流显示的性质，选取具有代表性的传热管对涡流显示部分进行定位，使用内窥镜附加目视检验，目视检验结果见图5。
　　从内窥镜目视检验结果可以看出，传热管内表面存在疑似“锈斑”，传热管内表面无明显材料损失，同时也未发现内壁附着物的存在。
　　通过Bobbin探头涡流信号分析及内窥镜的目视检验结果，可以排除内壁附着物的可能;从Bobbin涡流信号可以看到该显示信号符合内伤相位变化规律，形态特征与标定管人工内伤略有区别，并且通过内窥镜可以看出被检传热管涡流显示部位无明显材料缺失，但无法排除裂纹类缺陷的存在，下面将通过涡流旋转探头进一步分析和印证。
　　2.4 旋转探头涡流检验
　　旋转探头不同于普通的Bobbin探头，是由马达单元驱动，使探头在传热管内部高速旋转，同时由探头推拔器驱动探头做轴向运动，3个检测线圈均贴合传热管内壁进行螺旋式扫查，马达转速为300转/分钟。旋转探头采集的涡流信号如图6所示，涡流C扫图中检测到一个很尖锐的突变信号，可判断为体积型显示。
　　根据旋转探头信号的形态特征，结合Bobbin信号和内窥镜检验结果可以排除裂纹缺陷的存在，同时也能排除内壁材料缺失的可能，最终判断该显示信号为PVN。
　　2.5 微观分析
　　传热管生产厂商曾发现过类似案例，并对具有相同信号特征的传热管进行纵向解剖，使用高倍光学显微镜对内表面和纵剖面进行观察和分析，10倍和100倍放大情况如图7所示，从剖面形态上观察：疑似内壁嵌入夹杂物。
　　对夹杂区域进行扫描电镜（SEM）及能谱（EDS）做微区形貌化学成分分析，分析得出的结果见图8，夹杂物主要为含铁元素的磁性材料，与基体成分不一样。
　　根据材料分析结果，并结合传热管加工工艺，在传热管成型的冷轧过程中，冷轧机内芯长轴上的铁磁性渣滓被压入传热管内壁所产生。
　　3 结论
　　通过对690TT材料的传热管上PVN信号分析，Bobbin探头检测出的PVN信号形态特征往往呈现较尖锐的“扁平”状，其相位角随检测频率的降低而增大，旋转探头检测出的C扫信号形态特征也是很尖锐的突变信号。通过Bobbin探头、旋转探头及内窥镜等检验结果结合分析，可以区分内壁附着物、内壁材料缺失、PVN信号。最终的判定结果与传热管生产厂家微观分析结果一致。
　　参考文献
　　[1]ASME 锅炉及压力容器规范 第V卷 无损检测，1998版至2000增补.
　　[2]任吉林，林俊明，徐可北.涡流检测[M].北京：机械工业出版社，2013.
　　[3]廖述圣，韩捷.基于数值计算的蒸汽发生器传热管磁区涡流信号的判别[J].无损检测，2013.
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