分享：凝汽器傳熱管近管口區(qū)域的表面陣列渦流檢測(cè)

凝汽器作為核電廠常規(guī)島的重要組成部分，其安全可靠性直接影響到機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。而傳熱管作為凝汽器的主要換熱組件，是凝汽器最重要的部分。傳熱管材料為鈦合金，傳熱管管口與管板之間采用“脹管+密封焊”的形式連接，其結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。 

圖  1  凝汽器管口區(qū)域結(jié)構(gòu)示意

目前，主要采用Bobbin探頭對(duì)凝汽器傳熱管進(jìn)行渦流檢測(cè)，在近管口區(qū)域受脹管過渡段及管板邊緣的影響，該區(qū)域（整個(gè)管板區(qū)域+管板內(nèi)邊緣往內(nèi)部10 mm）為檢測(cè)盲區(qū)[1]，在役檢查階段往往需要對(duì)近管口區(qū)域補(bǔ)充進(jìn)行目視檢測(cè)。某電廠大修期間，目視檢測(cè)發(fā)現(xiàn)接排出水側(cè)近管口區(qū)域存在大量劃傷，如圖2所示。劃傷距管口約30 mm，該位置屬于管板區(qū)域，使用Bobbin探頭進(jìn)行渦流檢測(cè)時(shí)，未發(fā)現(xiàn)異常信號(hào)顯示。同時(shí)，由于該劃傷位于傳熱管內(nèi)壁，且劃傷較細(xì)（長度小于0.5 mm），采用傳統(tǒng)測(cè)量方法無法確定該缺陷的深度。 

圖  2  近管口區(qū)域劃傷示意

為解決該缺陷的檢出問題，并給出半定量的檢測(cè)方案，可采用的渦流檢測(cè)技術(shù)有MRPC、管陣列、表面陣列等。考慮到該缺陷屬于表面開口缺陷且位于管板區(qū)域，為盡量降低結(jié)構(gòu)信號(hào)的影響，擬采用更高頻的表面陣列渦流檢測(cè)技術(shù)實(shí)施檢測(cè)[2]，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證其檢測(cè)能力。 

1.   表面陣列渦流檢測(cè)原理

陣列渦流檢測(cè)基于常規(guī)的渦流檢測(cè)技術(shù)，主要通過設(shè)計(jì)合理的傳感器結(jié)構(gòu)使渦流探頭陣列化，并利用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)完成信號(hào)的激勵(lì)、運(yùn)放、采集、調(diào)理、顯示等功能，從而實(shí)現(xiàn)快速、高效的數(shù)字化檢測(cè)。與傳統(tǒng)單探頭渦流檢測(cè)相比，陣列渦流檢測(cè)采用電子學(xué)技術(shù)，對(duì)傳感器單元進(jìn)行分時(shí)切換，通過單次掃查就能達(dá)到傳統(tǒng)單探頭渦流檢測(cè)多次掃查的檢測(cè)效果。傳統(tǒng)渦流單探頭掃查與陣列渦流探頭掃查原理示意如圖3所示。 

圖  3  傳統(tǒng)渦流單探頭掃查與渦流陣列探頭掃查原理示意

表面陣列渦流檢測(cè)技術(shù)是陣列渦流技術(shù)在表面檢查中的特殊應(yīng)用，其主要特點(diǎn)是檢驗(yàn)頻率較常規(guī)陣列渦流技術(shù)的高。陣列線圈部分由多組按照一定方式排布的T/R（發(fā)射/接收）線圈組成[3]。目前的表面陣列渦流探頭多采用雙排線圈結(jié)構(gòu)，其中一排線圈與另一排線圈在周向錯(cuò)開一個(gè)線圈半徑的距離，如圖4所示。 

圖  4  陣列渦流探頭結(jié)構(gòu)示意

2.   檢測(cè)設(shè)備及工藝方案

2.1   檢測(cè)設(shè)備

試驗(yàn)采用ZETEC生產(chǎn)的Miz-200A型渦流檢測(cè)儀（見圖5）。選用SURFXTS0023型柔性薄片式表面陣列探頭（見圖6），其長度為56 mm，線圈排列形式為2×16（列×行），中心頻率為1 MHz~4 MHz。 

圖  5  Miz-200A型渦流儀實(shí)物

圖  6  SURFXTS0023型薄片式表面陣列探頭實(shí)物

柔性表面陣列探頭結(jié)構(gòu)的局限性，導(dǎo)致其穩(wěn)定性以及與被檢工件的貼合性較差，故試驗(yàn)設(shè)計(jì)了一款輔助工裝（見圖7），以使探頭能夠較大程度地貼合被檢工件，提高檢測(cè)穩(wěn)定性及靈敏度，并在探頭表面加裝了一層保護(hù)膜，以免探頭受損。 

圖  7  輔助工裝結(jié)構(gòu)示意

使用時(shí)，將探頭的長軸與輔助工裝的長軸對(duì)齊，同時(shí)將探頭的短軸中心線與工裝手柄端圓弧中心線對(duì)齊，并使用耐高溫耐磨的膠帶將探頭固定在工裝上。探頭和工裝的組合示意如圖8所示。 

圖  8  探頭和工裝的組合示意

參考劃傷的型式，在對(duì)比試件上設(shè)計(jì)了6個(gè)長度為10 mm，深度不同的周向線性槽。對(duì)比試件人工缺陷參數(shù)如表1所示（傳熱管壁厚為0.7 mm），尺寸示意及實(shí)物如圖9所示。 

圖  9  對(duì)比試件尺寸示意及實(shí)物

2.2   檢測(cè)工藝

（1）檢測(cè)頻率 

渦流標(biāo)準(zhǔn)滲透深度δ可用公式$\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">?</span>}\text{<span style="font-size: 16px; color: rgb(0, 0, 0);">=</span>}\frac{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">1</span>}}{\sqrt{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">?</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">?</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">?</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">?</span>}}}$（f為頻率，μ為材料磁導(dǎo)率，σ為材料電導(dǎo)率）表示，可見檢測(cè)頻率越低，渦流能量滲透深度越大，管外側(cè)管板對(duì)缺陷信號(hào)的影響就越大。故在針對(duì)表面開口較淺的缺陷進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，為減小管外側(cè)管板的影響，并得到盡可能高的檢測(cè)靈敏度，應(yīng)提高檢測(cè)頻率。而檢測(cè)頻率越高，待檢件表面形成的噪聲信號(hào)對(duì)缺陷信號(hào)的影響就越大，從而導(dǎo)致信噪比降低。因此，為了同時(shí)兼顧高靈敏度和高信噪比，在使用不同的檢測(cè)頻率對(duì)對(duì)比試件進(jìn)行信號(hào)采集和分析后，最終將頻率設(shè)置為1 MHz。 

（2）檢測(cè)要求 

在被檢件上的掃查速度不得超過在對(duì)比試件上校準(zhǔn)時(shí)的掃查速度，信噪比大于3，數(shù)字化率應(yīng)不小于每毫米2個(gè)點(diǎn)。 

（3）掃查方式 

掃查速度不應(yīng)超過200 mm/s，施加在探頭上的壓力應(yīng)足以保持其與被檢件的接觸。掃查時(shí)，將探頭伸入管內(nèi)，再沿管內(nèi)拉出并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；周向旋轉(zhuǎn)一定角度后，再次重復(fù)之前的探頭伸入、拉出采集操作，直至覆蓋周向360°。相鄰兩次掃查時(shí)的探頭覆蓋率應(yīng)不小于50%。探頭掃查示意如圖10所示。 

圖  10  探頭掃查示意

（4）對(duì)比試件的校準(zhǔn) 

對(duì)對(duì)比試件上的人工缺陷進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，觀察各軸向通道，選取深度為0.1 mm的線性槽的最大幅值信號(hào)，定義為0.5 V，相位調(diào)整至90°，并歸一化至其他軸向通道。對(duì)比試件人工缺陷的信號(hào)響應(yīng)參數(shù)如表2所示（幅值測(cè)量方式為VMx，下同），信號(hào)響應(yīng)圖譜如圖11所示。 

圖  11  對(duì)比試件人工缺陷信號(hào)響應(yīng)圖譜

根據(jù)對(duì)比試件上不同深度的人工缺陷信號(hào)響應(yīng)情況，繪制了幅值與傷深的關(guān)系曲線，如圖12所示。由圖12可知，隨著缺陷深度增加，信號(hào)幅值逐漸增大，且存在一定的比例關(guān)系。因此，可以通過渦流軟件對(duì)幅值和傷深進(jìn)行曲線擬合，用于后續(xù)缺陷傷深的判定，通過渦流軟件擬合后得到的幅值-傷深曲線如圖13所示。 

圖  12  信號(hào)幅值與傷深的關(guān)系曲線

圖  13  渦流軟件擬合得到的幅值-傷深曲線

（5）檢測(cè)重復(fù)性試驗(yàn) 

由于該工裝為手持式，故需要驗(yàn)證其檢測(cè)重復(fù)性。驗(yàn)證時(shí)，采用上述工藝對(duì)同一缺陷（對(duì)比試件上0.1 mm深的周向線性槽）采集16次數(shù)據(jù)，每次采集后的幅值響應(yīng)如表3所示。 

由表3可知，大部分情況下檢測(cè)重復(fù)性良好，僅有2~3次偏差較大（2，4，11次），后續(xù)檢測(cè)過程中，可通過采取多次重復(fù)采集、選取重復(fù)出現(xiàn)的幅值進(jìn)行記錄的方式，減小人為因素導(dǎo)致的結(jié)果不準(zhǔn)確性。 

3.   檢測(cè)能力驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述工藝對(duì)凝汽器近管口區(qū)域劃傷缺陷的檢測(cè)效果，設(shè)計(jì)加工了模擬試件進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。模擬試件由管板與帶人工缺陷的傳熱管脹接而成，人工缺陷相關(guān)參數(shù)如表4所示，人工缺陷結(jié)構(gòu)示意及模擬試件實(shí)物如圖14所示。 

圖  14  人工缺陷結(jié)構(gòu)示意及模擬試件實(shí)物

對(duì)模擬試件上的人工缺陷進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析，并記錄人工缺陷信號(hào)響應(yīng)信息，響應(yīng)參數(shù)如表5所示，信號(hào)響應(yīng)圖譜如圖15所示。由圖15可知，所有人工缺陷均能有效檢出，同時(shí)根據(jù)圖13所示的曲線可給出缺陷深度當(dāng)量，傷深最大偏差為6.6%。 

圖  15  模擬試件人工缺陷信號(hào)響應(yīng)圖譜

渦流的端部效應(yīng)會(huì)使得表面陣列探頭存在盲區(qū)，其大小與檢測(cè)頻率、探頭線圈尺寸以及與端部的距離有關(guān)。由模擬試驗(yàn)可知，距離端部5 mm的0.1 mm深的線性槽能夠有效檢出，因此該表面陣列技術(shù)的盲區(qū)不大于5 mm。 

4.   現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

某次大修期間，挑選了一些近管口區(qū)域存在劃傷的傳熱管進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，使用加工的工裝搭載柔性表面陣列探頭，采用文章工藝參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如圖16所示。 

圖  16  現(xiàn)場(chǎng)部分近管口區(qū)域劃傷示意及檢測(cè)結(jié)果

根據(jù)幅值-傷深曲線可知，C1R040005幅值為0.7 V，傷深百分比為22%；C2R002012幅值為1.18 V，傷深百分比為37%。經(jīng)設(shè)備工程師評(píng)估，確定后續(xù)需對(duì)其進(jìn)行跟蹤檢測(cè)。 

5.   結(jié)論

（1）文章工藝至少能夠檢出凝汽器近管口區(qū)域深度為0.1 mm、寬度為0.13 mm的表面開口缺陷。 

（2）由模擬試驗(yàn)結(jié)果可知，該表面陣列技術(shù)的盲區(qū)不大于5 mm。 

（3）信號(hào)幅值與傷深存在一定的線性關(guān)系，幅值大小可以在一定程度上用于評(píng)判缺陷傷深，進(jìn)而為缺陷評(píng)估和處理提供參考依據(jù)。 

（4）探頭工裝能夠有效提高檢測(cè)穩(wěn)定性，但仍為手持式，且需多次掃查才能保證覆蓋率及準(zhǔn)確性，故檢測(cè)效率低。

文章來源——材料與測(cè)試網(wǎng)