WWER堆型保護(hù)管組件外表面底部的目視檢測

趙 偉，周小龍，趙 玄，吳東棟

(中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)股份有限公司， 武漢 430223)

在WWER-1000堆型的吊籃中，保護(hù)管組件是反應(yīng)堆的重要部件，長期運(yùn)行在一回路中，受到應(yīng)力、溫度、輻照、氫吸附、腐蝕、振動和磨損的影響，材料性能易發(fā)生變化。根據(jù)ПНАЭГ-7-008-89 《核動力裝置的設(shè)置和設(shè)備及管道的安全運(yùn)行規(guī)程》 和ПНАЭГ-7-010-89 《核動力裝置的設(shè)備和管道焊接接頭和堆焊層的檢測規(guī)程》 的要求，需要定期對吊籃底部的保護(hù)管組件進(jìn)行目視檢測，觀察其表面是否存在損傷，以評估損傷對核電廠安全運(yùn)行可能產(chǎn)生的影響。

保護(hù)管組件在役檢查需連續(xù)占用環(huán)吊約50 h，檢查期間環(huán)吊無法從事其他檢修作業(yè)，不利于大修關(guān)鍵路徑的優(yōu)化。為降低保護(hù)管組件在役檢查對環(huán)吊的占用率，以及優(yōu)化大修關(guān)鍵路徑提供支持，開發(fā)了一套新型保護(hù)管組件目視檢測系統(tǒng)。

1 檢測技術(shù)規(guī)范要求

被檢對象為田灣核電站W(wǎng)WER堆型保護(hù)管組件外表面底部，具體位置為與燃料組件頭部配對的下格柵表面，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 保護(hù)管組件外表面底部結(jié)構(gòu)示意

保護(hù)管組件處于吊籃底部，在役檢查期間，吊籃存放于反應(yīng)堆水池內(nèi)部，保護(hù)管組件距離水面較遠(yuǎn)，檢測保護(hù)管組件需要克服水下、輻照、低照度等問題。俄羅斯國家核動力和工業(yè)監(jiān)督委員會的標(biāo)準(zhǔn) 《核動力裝置設(shè)備與管道母材(半成品)焊接接頭和堆焊層的標(biāo)準(zhǔn)檢測方法 目視和測量檢測》 規(guī)定了目視和測量實施的測量精度需滿足標(biāo)準(zhǔn)ПНАЭГ-7-016-89 《核動力裝置設(shè)備與管道母材焊接接頭和堆焊層標(biāo)準(zhǔn)檢驗方法 目視和測量檢驗》 的要求。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ГОСТ 23479-79 《無損檢測光學(xué)方法 一般要求》，目視檢測時使用反射光。

2 檢測技術(shù)分析

對保護(hù)管組件實施目視檢測，并對缺陷進(jìn)行測量和記錄。針對保護(hù)管組件的檢測需求，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ПНАЭГ-7-016-89和ГОСТ 23479-79，檢測技術(shù)要滿足以下要求。

(1) 照度。進(jìn)行目視檢測工作時，受檢區(qū)域的光照強(qiáng)度應(yīng)不小于300 lx。

(2) 動態(tài)分辨能力測試。由于保護(hù)管組件處于水面以下，需通過定位裝置搭載攝像頭到達(dá)底部的保護(hù)管組件才能實現(xiàn)目視檢測，故為了清晰分辨出缺陷，需要測試定位裝置在運(yùn)動中的分辨率，即進(jìn)行動態(tài)分辨能力測試，要求至少分辨出分辨率試板上0.2 mm的細(xì)線。

(3) 觀察視角。由于水池底部的光照度低，為了獲得更佳的檢測靈敏度，水下攝像頭在自帶光源的輔助下，攝像頭與被檢表面的掃查角度不小于30°。

(4) 深度。受檢對象位于水下一定深度處，為保證檢測系統(tǒng)的有效分辨能力，需要對檢查系統(tǒng)的檢測深度進(jìn)行測試。

(5) 掃查速度。為保證檢測系統(tǒng)在檢測過程中具有有效的分辨能力，需要對檢查系統(tǒng)的掃查速度和步進(jìn)速度進(jìn)行測試，需滿足速度不大于100 mm·s-1的要求。

(6) 可達(dá)性分析。為了實現(xiàn)對底部處于水面以下的保護(hù)管組件的檢測，要確保檢查裝置能到達(dá)水面以下，且檢測要覆蓋保護(hù)管組件。

(7) 缺陷定量。采用測量系統(tǒng)對發(fā)現(xiàn)的保護(hù)管組件外表面底部缺陷進(jìn)行尺寸測量。測量系統(tǒng)的幾何測量精度符合標(biāo)準(zhǔn)ПНАЭГ-7-016-89的要求，具體如表1所示。

表1 測量系統(tǒng)允許的誤差范圍 mm

3 目視檢測的實施方案

結(jié)合目視檢測技術(shù)要求，保護(hù)管組件外表面底部可采用目視檢測，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為ПНАЭГ-7-016-89，檢測靈敏度為至少能分辨出0.2 mm寬的黑線或刻傷，驗收標(biāo)準(zhǔn)按照ПНАЭГ-7-016-89標(biāo)準(zhǔn)和ГОСТ 23479-79標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行[1]。

應(yīng)選擇從底部外表面進(jìn)行目視檢測。在役檢查時，由于保護(hù)管組件外表面處于吊籃底部，通常采用浮游裝置攜帶攝像頭進(jìn)行檢查。檢查過程中，在視頻采集分析電腦上觀察實時視頻，發(fā)現(xiàn)缺陷顯示時需暫停采集，當(dāng)采集結(jié)束后再對缺陷顯示進(jìn)行分析。

3.1 檢測系統(tǒng)

保護(hù)管組件外表面底部目視檢測系統(tǒng)主要包括浮游裝置、控制系統(tǒng)、水下攝像頭、圖像采集及測量系統(tǒng)。

檢測系統(tǒng)采用浮游定位裝置[2-3]搭載水下攝像頭潛入水下，通過水下電纜與水面上作業(yè)平臺的控制系統(tǒng)進(jìn)行連接，通過遠(yuǎn)程交互的方式實現(xiàn)對水下浮游定位裝置和水下攝像頭的控制，由水下攝像頭采集保護(hù)管組件表面狀態(tài)的圖片和視頻，從而完成保護(hù)管組件檢測(見圖2)。

3.2 缺陷測量標(biāo)定試板

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，設(shè)計帶有各種形狀和寬度人工缺陷的測量標(biāo)定試板(見圖3，圖中T為板厚)，試板中的人工缺陷信息如表2所示。

表2 試板缺陷信息

圖3 測量系統(tǒng)標(biāo)定試板結(jié)構(gòu)

4 目視檢測技術(shù)的試驗驗證

4.1 檢測系統(tǒng)試驗驗證

4.1.1 照度

根據(jù)實際檢測的要求，浮游裝置搭載的水下攝像頭距離受檢對象最遠(yuǎn)距離不能超過320 mm，為測試3-1節(jié)中的照度要求，驗證在320 mm處受檢區(qū)域的照度。水下攝像頭距離受檢區(qū)域320 mm處，照度為352 lx；水下攝像頭距離受檢區(qū)域500 mm處，照度為768 lx(見圖4)。由圖4可見，受檢區(qū)域照度為768 lx的圖像清晰度優(yōu)于照度為352 lx圖像的清晰度。

圖4 水下照度測試圖像

4.1.2 攝像頭分辨率試驗

將分辨率標(biāo)定試板布置在保護(hù)管組件模擬體外表面底部，水下攝像頭與分辨率標(biāo)定試板的距離為掃查時的最遠(yuǎn)距離，此時，水下攝像頭掃過分辨率標(biāo)定試板時相對線速度最大。調(diào)整攝像機(jī)，使分辨率標(biāo)定試板位于圖像正中央;調(diào)整掃查軸的速度，使水下攝像頭勻速轉(zhuǎn)動;調(diào)整鏡頭焦距和聚焦，使水下攝像頭通過分辨率標(biāo)定試板時觀察到圖像清晰，記錄攝像機(jī)的運(yùn)動速度和鏡頭變焦倍數(shù)。記錄完畢后，提高攝像機(jī)的轉(zhuǎn)速，重復(fù)上述步驟，測試更高運(yùn)動速度下水下攝像頭的分辨能力。測試發(fā)現(xiàn)，0.2 mm的細(xì)線可以被清晰地觀察到(見圖5)，滿足要求。

圖5 分辨率試板上0.2 mm細(xì)線清晰可見

4.1.3 浮游深度測試

浮游裝置搭載水下耐輻照攝像頭深潛至一定深度，采用計量合格的卷尺，測量浮游裝置的表面至水面的實際距離。浮游裝置可潛至4501 450 mm深。

4.1.4 掃查速度驗證

浮游裝置沿著已布置好的卷尺運(yùn)動，記錄其從起點(diǎn)到終點(diǎn)的時間，同時計算起點(diǎn)到終點(diǎn)的距離，得出浮游裝置的掃查速度。測試的速度為93 mm·s-1。

4.1.5 可達(dá)性驗證

設(shè)計一個范圍模擬體，將其放在容器內(nèi)部，再通過控制系統(tǒng)控制浮游裝置將水下攝像頭運(yùn)載至保護(hù)管組件底部，設(shè)定浮游裝置的浮游深度，將機(jī)械定位裝置定位在水下一定的深度處，呈懸浮狀態(tài)，保證攝像系統(tǒng)與保護(hù)管組件底部有一定的安全距離，再控制機(jī)械定位裝置在同一深度到達(dá)保護(hù)管組件邊緣。在模擬體表面布置卷尺，控制浮游裝置從起點(diǎn)運(yùn)動到終點(diǎn)，確認(rèn)浮游裝置的可達(dá)范圍?？蛇_(dá)性驗證結(jié)果表明，浮游裝置具備全覆蓋的功能。

4.1.6 攝像頭與被檢表面的水平夾角試驗

通過理論計算，為了保證30°觀察視角的要求，浮游裝置頂面距離被檢對象最遠(yuǎn)距離不能超過320 mm。保護(hù)管組件檢查范圍如圖6所示。

圖6 保護(hù)管組件檢查范圍示意

設(shè)計一個與實際大小相同的保護(hù)管組件模擬體，用以驗證攝像頭角度。保護(hù)管角度模擬體外觀如圖7所示。

圖7 保護(hù)管角度模擬體外觀

試驗結(jié)果表明，當(dāng)浮游裝置定深至一定深度，保證與保護(hù)管組件的距離在320 mm內(nèi)，可以清晰觀察到檢測對象。

4.2 缺陷測長試驗

使用浮游式檢查系統(tǒng)搭載XRAD-PTZ型水下攝像頭，按照規(guī)定對標(biāo)定試板進(jìn)行檢測，上述6處人工缺陷均能被檢測到。使用Size5.0軟件對采集的圖像進(jìn)行缺陷分析和測量，模擬缺陷測量尺寸與實際尺寸的對比如表3所示。模擬缺陷的目視檢測結(jié)果如圖8所示。

圖8 模擬缺陷的目視檢測結(jié)果

表3 模擬缺陷測量尺寸與實際尺寸的對比 mm

對標(biāo)定試板模擬缺陷的測量結(jié)果分析如下：① 試板中所有人工缺陷均能被檢測出；② 對于尺寸(尺寸指代長，寬，直徑)不大于0.5 mm的缺陷，測量誤差為-0.010.09 mm，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的不大于0.1 mm；③ 對于尺寸為0.51 mm的缺陷，測量誤差為+0.02～+0.10 mm，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的不大于0.2 mm；④ 對于尺寸為2.5～4 mm的缺陷，測量誤差為-0.11～-0.06 mm，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的不大于0.5 mm；⑤ 對于尺寸為4～6 mm的缺陷，測量誤差為-0.38 ～+0.02 mm，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的不大于0.6 mm；⑥ 對于尺寸為10 mm的缺陷，測量誤差為-0.95～+0.02 mm，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的不大于1.0 mm。

上述測量結(jié)果表明，測量系統(tǒng)幾何測量精度符合ПНАЭГ-7-016-89的要求。

5 結(jié)語

(1) 采用目視檢測系統(tǒng)對保護(hù)管組件底部外表面實施檢測，檢測系統(tǒng)的靈敏度滿足分辨出0.2 mm寬細(xì)線的要求。

(2) 試驗結(jié)果表明，目視檢測技術(shù)可以對試塊中的缺陷進(jìn)行精準(zhǔn)定位和測長，所有誤差范圍滿足ПНАЭГ-7-016-89對測量精度的要求。

(3) 試驗結(jié)果表明較高照度更有利于發(fā)現(xiàn)缺陷。