蒸汽發(fā)生器脹管區(qū)未脹合間隙深度的渦流測量

黃曉鋒，陳勝宇

(核動力運行研究所，武漢 430223)

蒸汽發(fā)生器傳熱管是蒸汽發(fā)生器一回路承壓邊界的重要組成部分，承擔著一次側與二次側的熱交換任務，也是防止核泄漏的第二道屏障，準確評價傳熱管的完整性對核電站的安全運行至關重要[1]。蒸汽發(fā)生器傳熱管與管板通過脹接的方式連接在一起，在設備運行期間，脹接區(qū)長期受到高溫高壓，介質的沖擊、腐蝕等作用，容易產生應力集中、應力腐蝕或晶間腐蝕[2]，是缺陷多發(fā)區(qū)，所以脹接區(qū)的脹接質量是蒸汽發(fā)生器傳熱管出廠檢查和役前檢查嚴格管控的項目。

1 脹接工藝過程及質量控制

脹接是指利用金屬彈性及塑性變形的特點，通過傳熱管和管板的變形達到密封和緊固目的的連接方法。現階段核工業(yè)領域蒸汽發(fā)生器傳熱管與管板常通過全尺寸液壓脹與管端密封焊的方式連接在一起，具體流程如圖1所示。

圖1 蒸汽發(fā)生器傳熱管脹管流程圖

脹接長度是液壓脹脹接工藝的一個重要質量指標。脹接長度如果超過了管板區(qū)域，一般會形成鼓包，稱為超脹，屬于嚴重的缺陷，需進行堵管處理；如果脹接長度過小，則會形成欠脹，也是驗收標準不允許的，需要求補脹；脹接長度一般通過未脹合間隙深度來體現，未脹合間隙深度定義為脹管和管板的最后接觸點與管板二次側端面之間縫隙的長度(見圖2)。

圖2 未脹合間隙深度示意

一般國內核電蒸汽發(fā)生器制造企業(yè)都參考RCC-M 《壓水堆核電站核島機械設備設計與制造法則》 第Ⅴ卷F4400中的要求，推薦的未脹合間隙深度為26 mm，但隨著工藝要求的提高，有些設計院要求將未脹合間隙深度控制在03 mm，且平均間隙深度小于2 mm，這大大提高了制造企業(yè)的難度，也對渦流測量的精度提出了更高的要求。為滿足新工藝條件下未脹合間隙深度的要求，筆者通過脹管試驗件的渦流輪廓曲線來測量脹管未脹合間隙深度，優(yōu)化了渦流系統及參數，并與內徑百分表尺寸檢查、金相剖切顯微測量法進行對比，找出渦流測量系統的偏差，提高了渦流測量的精度。

2 渦流輪廓曲線測量未脹合間隙深度的原理

渦流輪廓曲線測量法利用渦流檢測的趨膚效應，使用高頻和低頻渦流信號，對蒸汽發(fā)生器傳熱管的起脹點及管板二次側端面位置進行測量。使用內穿軸繞式渦流探頭對脹管區(qū)進行測量時，由于渦流趨膚效應的影響，頻率越高，傳熱管內表面的渦流密度越大，對內徑尺寸變化越敏感；頻率越低，透入深度越大。傳熱管和管板材料的電導率也不同，渦流信號響應也不同，低頻可探測到管板端部的結構信號。通過高頻和低頻信號的配合，可對未脹合間隙深度進行測量，使用渦流輪廓曲線測量未脹合間隙深度的方法如圖3所示。試驗中，將核電蒸汽發(fā)生器脹管過渡段內徑上拐點與未脹管區(qū)域內徑差的10%位置作為脹管過渡段與管板的最后接觸點(TMR)。

圖3 渦流輪廓曲線測量未脹合間隙深度的方法示意

3 脹管未脹合間隙深度渦流測量試驗

3.1 試驗設備與對象

渦流儀型號為OMNI-200R，頻率為1 kHz～1 000 kHz；渦流探頭為軸繞式探頭，填充率大于85%，其用于傳熱管脹管段檢測；標定管是基于RSE-M 《壓水堆核電廠核島機械設備在役檢查規(guī)則》 標準設計的，用于信號標定；試驗要求采集速度變化率應在其標稱值的±5%范圍內；用液壓脹接的管板試驗件。

3.2 試驗方案

渦流采樣率是影響渦流測量未脹合間隙精度的一個重要因素，管板試件A為有15根脹管的管板試件，脹接設計的未脹合間隙深度為1.5 mm，對每根脹管分別以2 (采集速度為300 mm·s-1)，5(采集速度為300 mm·s-1)，10點·mm-1(采集速度為150 mm·s-1)的采樣率進行采集，對渦流測量得到的未脹合間隙深度結果進行分析比較。

管板試件B為有17根脹管的管板試件，脹接要求將未脹合間隙深度控制在03 mm，且平均間隙深度小于2 mm；分別采用渦流測量、內徑百分表尺寸檢查和金相檢驗測量法對這17根脹管的未脹合間隙深度進行比較，以優(yōu)化系統參數，找出渦流測量的系統偏差。

對管板試件C的133根脹管未脹合間隙深度進行渦流測量，通過前兩個方案對渦流參數進行優(yōu)化和修正，并對測量結果進行數學分析與統計。

3.3 試驗結果分析

對管板試件A的15根脹管進行3種不同采樣率的測量,得到的測量結果如表1所示。

表1 不同渦流采樣率對未脹合間隙深度的測量結果 mm

進而得到3種不同采樣率下15根脹管未脹合間隙深度的渦流測量曲線，如圖4所示。

圖4 3種不同采樣率下未脹合間隙深度渦流測量曲線

(1) 一般理論上認為渦流采樣率越高，每單位長度上分布的采樣點越多，渦流測量的分辨率就越高，測量的精度就越高，從圖4可看出，2點·mm-1采樣率的采樣點較少，所得的測量結果距設計值偏離較大，很難滿足工藝中對測量精度的要求。

(2) 從圖4中采樣率為5，10點·mm-1的曲線可看出，在采集時間增加一倍的前提下，10點·mm-1的采樣率和5點·mm-1的采樣率的結果并沒有明顯不同。試驗發(fā)現，在采集速度為300 mm·s-1(采樣率為5點·mm-1)的條件下，采集速度變化率在其標稱值的±5%時，測得的未脹合間隙尺寸有±0.15 mm的變化，所以渦流測量精度還受探頭推拔器采集速度的變化和其他因素的影響，綜合各種因素，從工程應用上考慮，推薦采樣率為5點·mm-1。

對管板模擬件B的17 根脹管渦流數據進行采集分析，同時逐一用內徑百分表進行尺寸檢查，完成后進行金相檢驗測量(使用25 倍低倍鏡觀察測量)。最后對3種方法的測量結果進行比較，詳細結果如表2所示。

表2 3種方法的未脹合間隙深度測量結果 mm

這3種測量方法有其各自的適用性：金相檢驗測量法適用于工藝試驗件及樣件等的脹接質量檢測，可對渦流測量、內徑百分表尺寸檢查結果進行校準，不適用于產品檢測；內徑百分表尺寸檢查適用于試驗及產品脹接過程中的實時質量控制，檢測方便，但對操作者手法要求較高；渦流輪廓曲線測量技術具有重復性好、結果客觀、顯示圖形直觀等優(yōu)點，配以自動分析技術，可大大縮短檢查時間，適用于最終測量和整體質量控制。

金相檢驗時，未脹合間隙深度=渦流測量值+0.35 mm，檢驗結果如圖5所示。

圖5 管板試驗件B4管左側和右側未脹合間隙深度金相檢驗結果

(3) 對采集到的133根脹管修正TMR數據進行分析，并進行數學統計處理，結果如圖6所示，133根脹管未脹合間隙深度滿足03 mm，且平均間隙深度小于2 mm的設計要求，結果呈現正態(tài)分布，符合統計學規(guī)律。

圖6 試件C的未脹合間隙深度統計結果

4 結語

(1) 渦流采樣率對未脹合間隙深度的渦流測量精度有較大影響，采樣點過少會引起測量結果偏差較大，但采樣率并非越高越好，在推拔器速率變化和其他因素的影響下，采樣率提高到一定程度后，其對測量精度的影響會變得很小，從工程應用上考慮，推薦采樣率為5點·mm-1。

(2) 通過金相檢驗的方法測量未脹合間隙深度，可為渦流測量偏差的調整提供校核依據,提高了渦流測量未脹合間隙深度的可靠性與精確度。

(3) 在無法進行金相檢驗時，考慮到蒸汽發(fā)生器管板的最終厚度制造公差有0.5 mm左右，百分表尺檢測無法將這部分偏差考慮進去，所以一般認為渦流和百分表尺檢測結果精度的數量級一致。