蒸汽發生器傳熱管凹痕與缺陷的渦流檢測信號分析

姚傳黨，夏清友，王家建，肖鎮官

(中核武漢核電運行技術股份有限公司，武漢 430223)

蒸汽發生器是一種將一回路冷卻劑從反應堆中獲得的熱能傳給二回路熱交換介質使其變為蒸汽的熱交換設備，其中最關鍵的U形管束又稱傳熱管，對核電站安全運行特別重要，傳熱管在制造過程中需要經過冷拉、彎管、應力消除、穿管、脹管、清洗養護等處理，在運行前需經壓力試驗測試，在運行后更是需要長期承受300 ℃高溫、15.5 MPa的流體壓力、6.8 MPa的外壁壓力差、隨運行時間增加而增加的輻照劑量、管束振動等惡劣工況，因此可能產生多種類型的缺陷信號。在這些信號中，凹痕信號屬于常見的非降質型信號(非缺陷信號),其主要由制造安裝過程中的碰撞產生，此外運行過程中泥渣長時間的堆積壓碰也可能產生傳熱管疲勞拉力。凹痕主要產生于傳熱管支撐板處、泥渣堆積區、自由段等位置。一般情況下，凹痕不作為缺陷處理，但是由于凹痕處存在應力，有可能導致降質失效，同時傳熱管束內流體受阻也可能導致降質裂紋。因此，在傳熱管檢測過程中應對其予以足夠關注并進行跟蹤檢測。例如，Seabrook核電站和Braidwood核電站2號機在起初檢查時并沒有發現凹痕處的類裂紋缺陷[1]，而后證實在熱處理的鎳基合金600傳熱管凹痕處發現裂紋。國內某核電站亦發現了支撐結構傾斜造成傳熱管雙側凹痕的情況，但是否存在裂紋等缺陷應在運行后進一步觀察。

1 檢測異常信號

對國內某核電站蒸汽發生器進行渦流檢測時，在一根傳熱管上發現了異常信號，該顯示位于傳熱管的AVB3-51 mm位置處。經差分式磁飽和渦流探頭進行多次復查分析，確定該顯示為外壁復合信號顯示，且其幅值、深度均超過了驗收標準(驗收標準為幅值0.55 V，深度不大于傳熱管壁厚的60%)，該異常信號測量結果如表1所示。

表1 某核電站蒸汽發生器傳熱管異常信號測量結果

該傳熱管實際渦流檢測信號如圖1所示，可以看出，圖中主頻(200 kHz)差分通道及絕對通道中的利薩如圖形顯示均已變形。使用峰-峰值(Vpp)方法測量該顯示，其幅值為7.27 V，相位為174°，深度為0；而使用最大斜率(Vmax)方法測量該顯示，其幅值為7.27 V，191°，深度為0；兩種方法的測量結果差異不大。

圖1 傳熱管實際渦流檢測信號

僅從以上結果判斷，該顯示與一般凹痕的測量結果相似，但該顯示信號走勢規律與凹痕信號有著明顯區別(一般凹痕信號相位角為180°左右，且“8”字形較為明顯且尖銳，但該傳熱管信號不能形成標準“8”字形且檢測圖像明顯可分解成2個圖形，見圖2)。與附近的傳熱管信號進行比較發現，同樣的位置并未發現類似信號，且該信號距離最近的支撐結構約51 mm，超出了差分式探頭的磁場范圍，因此可以排除其為結構信號和受結構信號干擾的可能性。經分析發現該信號顯示存在兩個明顯的變化走向，即為接近水平方向的A信號和明顯與水平方向成一定夾角的B信號，實際信號分解結果如圖2所示。

圖2 傳熱管實際檢測信號分解結果

分別對A、B信號進行測量，其結果如表2所示。

表2 傳熱管A、B信號測量結果

2 問題分析

從以上結果看出，信號A符合凹痕信號規律，信號B符合外壁缺陷信號規律，且凹痕信號幅值明顯大于缺陷信號幅值。為了進一步對信號B進行確認，分別對信號B的差分主頻通道(200 kHz)和輔頻通道進行分析，B信號測量結果如表3所示。

表3 傳熱管B信號分析測量結果

從表3的結果可以看出，盡管不同檢測方法得到的相位與深度存在差異，但其變化趨勢均滿足隨頻率降低相位角度變小的外壁缺陷相位變化規律。經分析判斷，該顯示疑似為凹痕和外壁缺陷顯示組成的復合缺陷顯示。鑒于該復合信號中2個顯示并未完全重疊，且未造成無法分辨的情況，基于對此信號的解析，筆者設計了對比試驗，模擬當常規渦流方法不能有效分辨復合信號時，如何進行分析和檢測，并為該類型復合缺陷的檢測提供了一種有效的分析方法。

3 試驗過程與數據分析

選取一根尺寸為19.05 mm×1.09 mm(直徑×壁厚)的鎳基合金管材進行模擬試驗，在同一模擬試驗管上不同位置采用不同力度人工制作了5個“凹痕”，模擬試驗管a、b、c三處凹痕加工力度相同，d處凹痕加工力度較小，e處凹痕加工力度較大；為便于控制人工刻傷大小，在其中a、b、c三處各加工了1個直徑為1 mm的通孔，其中通孔a位于凹痕軸向中心處，通孔b位于凹痕軸向一側，通孔c位于凹痕周向中心處，模擬試驗管實物如圖3所示。

圖3 模擬試驗管實物(從左至右分別為試驗管a,b,c,d,e)

3.1 使用軸繞式差分探頭進行數據采集及分析

使用軸繞式差分探頭對不同試驗樣管進行數據采集及分析，不同模擬缺陷的測量結果如表4所示。

表4 不同模擬缺陷的軸繞式差分探頭測量結果

從表4可以看出，上述試件中5個模擬缺陷測量的相位角均在166°～179°之間，深度均為0，若簡單通過軸繞式差分探頭檢測結果進行分析，檢測人員很容易將其當做凹痕信號來處理。而事實并非如此，從試驗管渦流信號圖中的凹痕信號和復合信號的信號圖(兩者的對比見圖3)中可以看出兩種信號存在明顯差異，在長條圖垂直分量上，復合信號反饋會比較大；復合信號利薩如圖上，“8”字形信號會發生變形，稍顯圓潤，而凹痕信號則稍顯尖銳[1]。由圖4還可以看出，模擬的凹痕與缺陷的復合信號與實際檢測到的信號有較大的相似性，表現為上部為水平走向，下部左側出現缺陷顯示走向，說明該模擬信號與實際缺陷信號在表現上有較高的一致性。

圖4 試驗管的凹痕信號與復合信號對比

針對這種現象，筆者嘗試使用混頻方式來消除凹痕信號對分析的影響，選擇幅值接近的凹痕信號進行差分通道混頻處理，然后再分析其數據，發現缺陷信號形狀和標定管通孔的形狀十分相似，且a、b、c三處信號相位角在33°～37°之間，說明該缺陷的深度接近于貫穿壁厚?；祛l后的信號比較清楚，混頻后的模擬缺陷測量結果表5所示。

表5 混頻后的模擬缺陷測量結果

3.2 使用旋轉探頭進行驗證

為了增加對典型信號的檢測手段，彌補BOBBIN探頭對該類型復合信號的檢測局限性，使用旋轉探頭對上述缺陷進行了檢測，試驗管不同模擬缺陷的旋轉探頭檢測結果如圖5所示。

從圖5中編號a、b、c的C掃信號圖中可知復合信號有“峰-谷”出現，而編號d、e的C掃圖信號只有“波峰”信號出現。因此，試驗管不同模擬缺陷復合信號比較容易區分出來，并不會受凹痕信號的影響。

圖5 不同模擬缺陷的旋轉探頭檢測結果

3.3 使用陣列探頭進行驗證

為進一步進行驗證，筆者采用陣列探頭對上述試驗管進行了數據采集及分析，復合信號陣列C掃描結果如圖6所示。

圖6 試驗管的復合信號陣列C掃描結果

由圖6可知，陣列探頭比較容易區分編號a、b、c的復合缺陷，軸向通道和周向通道均有“波峰”顯示，不會受凹痕信號的影響,編號d、e處的凹痕并未出現“波峰”顯示，因此從C掃描結果上比較容易觀察出此類復合信號特征。

綜上所述，對于復合信號，常規檢測方法對準確判斷缺陷顯示性質有較高難度，但經過筆者的一系列試驗豐富了檢測手段，可通過使用軸繞探頭、旋轉探頭或陣列探頭對不同模擬缺陷的檢測結果進行對比分析，進而準確判斷此類復合信號的缺陷類型和性質。

此類復合信號亦可通過混頻的方式對干擾信號(凹痕信號)進行消除，進而測量復合信號中缺陷的深度。

4 結語

(1) 該核電站蒸汽發生器傳熱管顯示信號與試件中復合信號特征相似，該信號并非單純的凹痕信號，而是凹陷與缺陷的復合信號。

(2) 利用軸繞式差分探頭對此類缺陷進行檢測時，渦流信號會發生明顯變形。利用旋轉探頭或者陣列探頭進行復驗時，可明顯區分出此類信號為復合缺陷信號。

(3) 對于類似復合信號，可通過混頻方式對其中干擾變量進行消除，從而達到區分和定量的目的。

(4) 當運行期間新增凹痕顯示以及原有凹痕顯示在運行后有較大幅值或相位變化時，有必要增加檢測手段，以確保傳熱管安全。