姚傳黨，夏清友，王家建，曾玉華，劉 欣

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

蒸汽發(fā)生器傳熱管結(jié)垢厚度的渦流檢測(cè)方法與應(yīng)用

姚傳黨，夏清友，王家建，曾玉華，劉 欣

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

蒸汽發(fā)生器二回路中有較多的沉積物存在并危害傳熱管安全，利用渦流檢測(cè)方法可以對(duì)傳熱管二次側(cè)泥渣進(jìn)行有效檢測(cè)。通過(guò)模擬傳熱管結(jié)垢的不同厚度并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可獲得厚度與幅值的對(duì)應(yīng)關(guān)系。本文描述了對(duì)蒸汽發(fā)生器傳熱管結(jié)垢的檢測(cè)方法及幅值與厚度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，為統(tǒng)計(jì)蒸汽發(fā)生器傳熱管外壁結(jié)垢情況提供了較為有效的參考基準(zhǔn)量。

渦流檢測(cè)；蒸汽發(fā)生器；傳熱管；泥渣；結(jié)垢

圖1 蒸汽發(fā)生器整體結(jié)構(gòu)及管板結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Steam generator structure andtubesheet composition

蒸汽發(fā)生器是核電站一回路壓力邊界完整性的關(guān)鍵部件。以法國(guó)法馬通公司設(shè)計(jì)的55/19B型立式自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器為例，主要由下封頭、管板、U形管束、汽水分離裝置及筒體組件組成。蒸汽發(fā)生器管板可以劃分為三個(gè)區(qū)域：管板中心管廊區(qū)、管板管間區(qū)和管板外管廊區(qū)，其進(jìn)水側(cè)為“熱側(cè)”，出水側(cè)為“冷側(cè)”。蒸汽發(fā)生器在熱交換過(guò)程中，將一回路的熱量傳給二回路冷卻劑，使其產(chǎn)生飽和蒸汽并供給二回路動(dòng)力裝置。蒸汽發(fā)生器的熱交換發(fā)生在傳熱管表面，其換熱面積約為5435m2。由于二回路設(shè)備中使用了較多的碳鋼和低合金鋼材料，而碳鋼被水氧化后形成的Fe3O4是一種體積很大的氧化物，形成的氧化層剝落后，將產(chǎn)生大量的沉積物并進(jìn)入蒸汽發(fā)生器二回路的水介質(zhì)中。經(jīng)過(guò)蒸發(fā)、濃縮，這些沉積物逐漸積累并附著于傳熱管外壁，形成結(jié)垢層。結(jié)垢可導(dǎo)致傳熱管材料發(fā)生各種類型的腐蝕，并嚴(yán)重影響蒸汽發(fā)生器的完整性、熱效率和水位控制。Fe3O4常溫時(shí)具有強(qiáng)的亞磁鐵性與頗高的導(dǎo)電率，有資料表明蒸汽發(fā)生器傳熱管表面的沉積物主要是Fe3O4[1]。鑒于沉積物的電磁特性加上渦流低頻有較好的滲透深度及檢測(cè)傳熱管外壁附著物的能力，可使用渦流方法對(duì)傳熱管外壁表面的結(jié)垢進(jìn)行檢測(cè)，并給出外壁結(jié)垢厚度及位置。對(duì)一臺(tái)蒸汽發(fā)生器中的全部傳熱管進(jìn)行結(jié)垢檢測(cè)，有助于統(tǒng)計(jì)傳熱管外壁的結(jié)垢分布，并了解蒸汽發(fā)生器的運(yùn)行狀況。目前的視頻檢查方法僅適用于對(duì)蒸汽發(fā)生器管板中心管廊區(qū)、管板外管廊區(qū)和管板管間區(qū)的泥渣沉積檢查[2]，且不能對(duì)傳熱管外壁結(jié)垢厚度進(jìn)行量化測(cè)量。

1 結(jié)垢的檢測(cè)方法

1.1 基本原理

由于泥渣及結(jié)垢成分主要為Fe3O4，具有較高的導(dǎo)電率，適合使用渦流方法進(jìn)行傳熱管外壁結(jié)垢的檢測(cè)。因金屬表面感應(yīng)的渦流的滲透深度隨頻率而異，激勵(lì)頻率降低，渦流滲透深度增加，所以應(yīng)選用較低的渦流激勵(lì)頻率對(duì)傳熱管外壁結(jié)垢厚度進(jìn)行測(cè)量。

1.2 探頭及頻率選擇

核電站蒸汽發(fā)生器傳熱管的渦流檢驗(yàn)期間，一般選用軸繞式探頭并設(shè)置一組不同的檢測(cè)頻率進(jìn)行傳熱管材質(zhì)缺陷的檢驗(yàn)工作，其中包括檢驗(yàn)管板泥渣沉積區(qū)及支撐定位所使用的低頻。由于渦流檢測(cè)方法具有集膚效應(yīng)，且通過(guò)對(duì)比圖2中550kHz及20kHz絕對(duì)通道長(zhǎng)條圖信號(hào)可以確認(rèn)，低頻能更好地反應(yīng)出結(jié)垢變化。因此可選用軸繞式探頭及相應(yīng)的渦流低頻進(jìn)行結(jié)垢測(cè)量工作。

以國(guó)內(nèi)某核電站的法馬通55/19B型立式蒸汽發(fā)生器為例，其傳熱管渦流檢驗(yàn)過(guò)程中所使用的探頭為軸繞式中頻磁飽和探頭，使用的低頻分別為20kHz的差分通道及20kHz的絕對(duì)通道。因絕對(duì)通道對(duì)傳熱管材質(zhì)及外壁結(jié)垢等緩慢變化有較好的檢出靈敏度，故選擇20kHz絕對(duì)通道用于傳熱管外壁的結(jié)垢分析測(cè)量工作(該方法同樣適用于管板二次側(cè)泥渣區(qū)泥渣堆積高度的測(cè)量)。從圖2中可看出，TSP1-TSP2見(jiàn)有明顯的傳熱管外壁結(jié)垢情況。

圖2 TSP1結(jié)垢信號(hào)Fig.2 Sludge signal on TSP1

1.3 信號(hào)標(biāo)定

為了使傳熱管外壁結(jié)垢信號(hào)能更好地辨識(shí)及檢出，并使得測(cè)量幅值保持一致性，需對(duì)結(jié)垢信號(hào)進(jìn)行相位調(diào)整及標(biāo)定幅值的處理。首先，調(diào)整20kHz絕對(duì)通道信號(hào)支撐板幅度為滿屏50%，并調(diào)整該通道泥渣信號(hào)相位為垂直(此時(shí)支撐板信號(hào)相位約為150°)。調(diào)節(jié)后的結(jié)垢信號(hào)如圖3所示，其結(jié)垢信號(hào)在垂直分量上將獲得最大值，使得結(jié)垢信號(hào)易于檢測(cè)。選取標(biāo)定管中30%環(huán)槽的低頻渦流信號(hào)進(jìn)行標(biāo)定，并設(shè)置其幅值為30V。30%環(huán)槽及標(biāo)定深度對(duì)照表見(jiàn)圖4。

圖3 結(jié)垢信號(hào)調(diào)整圖Fig.3 Sludge signal setup

圖4 標(biāo)定管示意圖及深度對(duì)照表

Fig.4 Calibration standard sketch

1.4 信號(hào)標(biāo)定

檢測(cè)過(guò)程中，對(duì)傳熱管結(jié)垢的低頻渦流信號(hào)垂直分量進(jìn)行檢測(cè)，記錄信號(hào)幅值及位置，便可得到傳熱管外壁上的結(jié)垢信息。傳熱管表面結(jié)垢一般呈連續(xù)緩慢變化(結(jié)垢厚度在管壁上也呈連續(xù)緩慢變化)。通常對(duì)結(jié)垢位置進(jìn)行的單點(diǎn)幅值測(cè)量方法，無(wú)法給出結(jié)垢的準(zhǔn)確幅值(該方法只能獲得測(cè)量位置處鄰近兩點(diǎn)的結(jié)垢垂直分量的相對(duì)變化量，無(wú)法獲得該位置垂直分量的絕對(duì)變化量)。因此，測(cè)量過(guò)程中需將結(jié)垢測(cè)量點(diǎn)與無(wú)結(jié)垢區(qū)進(jìn)行比較測(cè)量。傳熱管表面無(wú)結(jié)垢區(qū)域通常在冷端TSP3-TSP4之間，信號(hào)圖見(jiàn)圖2。利用CNPO 的CEddy-ANA渦流分析軟件，對(duì)結(jié)垢信號(hào)進(jìn)行比較測(cè)量，便可得到每處結(jié)垢的幅值及相對(duì)于鄰近支撐結(jié)構(gòu)的相對(duì)位置。

2 結(jié)垢幅值與厚度試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)過(guò)程

以軸繞式渦流探頭檢測(cè)傳熱管外壁結(jié)垢為例，其獲得的結(jié)垢信息表征為該位置管壁周向的整體效應(yīng)。其測(cè)量幅值表征該處圓周上的整體泥渣結(jié)垢體積的大小。因幅值與體積成正比，因此幅值越大，結(jié)垢體積則越大。

傳熱管外壁結(jié)垢一般呈片狀(不同于管板、支撐板等位置的泥渣沉積區(qū))，并沿傳熱管表面周向分布(周向局部或整周分布)。為了模擬結(jié)垢的片狀分布，試驗(yàn)過(guò)程中采用一般化處理，僅模擬整圓周的結(jié)垢分布情況，并在軸向長(zhǎng)度上不低于40mm(遠(yuǎn)大于檢測(cè)線圈的磁場(chǎng)寬度，使得結(jié)垢幅值變化僅與厚度變化正相關(guān))。

為便于將泥渣覆于試驗(yàn)管外壁進(jìn)行模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)期間加工了不同規(guī)格套管，套管為不導(dǎo)電材料加工制成，如圖5所示。在套管與管壁外側(cè)的縫隙間進(jìn)行泥渣裝填使泥渣試樣均勻分布在傳熱管外表面，以模擬不同厚度的周向結(jié)垢情況。通過(guò)改變d值大小，從而使得附著于試驗(yàn)管外壁泥渣厚度t隨之改變。試驗(yàn)過(guò)程中共加工了44個(gè)套管，經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)量，其厚度分布在0.145～7.075mm的區(qū)間范圍內(nèi)。使用套管將泥渣環(huán)繞于試驗(yàn)管外壁(泥渣高度為40mm)，其泥渣厚度t從不等，分別對(duì)不同厚度泥渣環(huán)繞的試驗(yàn)管進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并測(cè)量分析。

圖5 套管示意圖Fig.5 Annular tube sketch

(1)

式中：t——泥渣厚度，mm；

d——套管內(nèi)徑，mm。

注：本次試驗(yàn)中所使用的泥渣為蒸汽發(fā)生器二次側(cè)的實(shí)際泥渣。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

按照1.3節(jié)的標(biāo)定方法對(duì)渦流檢查系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，并對(duì)44個(gè)不同厚度泥渣試樣進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、測(cè)量與分析得出一系列結(jié)果。通過(guò)測(cè)的得試驗(yàn)結(jié)果可以得出一組泥渣厚度及幅值的離散點(diǎn)，其橫坐標(biāo)為結(jié)垢幅值，縱坐標(biāo)為模擬的結(jié)垢厚度，如圖6所示。

圖6 泥渣厚度—幅值對(duì)應(yīng)曲線Fig.6 Sludge thickness-amplitude corresponding curve

利用最小二乘法對(duì)離散點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合后，可得到整周分布狀態(tài)下，結(jié)垢厚度與幅值的對(duì)應(yīng)曲線及函數(shù)關(guān)系，其函數(shù)關(guān)系式為：

泥查厚度：f(x)=0.191 7×x-

0.012 3×x2+0.000 3×x3

(2)

式中：x——幅值，V；

f(x)——泥渣厚度，mm。

注：該函數(shù)關(guān)系式僅在上述模擬情況及數(shù)學(xué)處理方法條件下有效。

由圖6可知，隨著模擬結(jié)垢厚度的增加，幅值變化趨于不變。因渦流密度隨滲透深度的增加逐漸減小，當(dāng)模擬結(jié)垢厚度增加至某一界限值后，厚度變化將不再影響渦流磁場(chǎng)的變化。

3 方法的應(yīng)用

該方法在國(guó)內(nèi)某核電站的十年大修蒸汽發(fā)生器傳熱管100%檢驗(yàn)過(guò)程中進(jìn)行了首次應(yīng)用。結(jié)合模擬的結(jié)垢函數(shù)關(guān)系及實(shí)際測(cè)量結(jié)果，該核電站蒸汽發(fā)生器傳熱管外壁結(jié)垢最大厚度的計(jì)算值約為0.6mm。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，整臺(tái)蒸汽發(fā)生器傳熱管外壁的結(jié)垢主要分布在分流板至第2支撐板和熱側(cè)第6～9支撐板之間。對(duì)冷側(cè)第1～2支撐板間的結(jié)垢情況進(jìn)行視頻檢查后，視頻檢查結(jié)果與渦流方法的測(cè)量結(jié)果基本吻合。

4 結(jié)論

結(jié)合上述檢測(cè)方法、試驗(yàn)以及實(shí)際檢驗(yàn)結(jié)果可得出以下結(jié)論：

(1) 渦流檢測(cè)方法低頻對(duì)檢測(cè)管材外壁結(jié)垢有較好的檢測(cè)能力。只需對(duì)獲得的傳熱管渦流數(shù)據(jù)進(jìn)行二次分析便可得到結(jié)垢在傳熱管表面的分布情況，無(wú)需進(jìn)行單獨(dú)的檢查工作。該方法快速有效且不受環(huán)境影響，是目前已知全部傳熱管結(jié)垢情況的最有效手段。

(2) 使用渦流檢測(cè)方法對(duì)管材外壁結(jié)垢的研究可以有效補(bǔ)充視頻檢查的盲區(qū)，并適合對(duì)結(jié)垢厚度進(jìn)行量化計(jì)算。

(3) 渦流檢測(cè)方法可對(duì)蒸汽發(fā)生器傳熱管進(jìn)行多周期的監(jiān)測(cè)與對(duì)比，則可得到結(jié)垢的變化情況，并具有較強(qiáng)的追溯性及可對(duì)比性。

圖7 某核電站蒸汽發(fā)生器結(jié)垢情況Fig.7 Sludge situation of steam generator in one of nuclear power plants

[1] 孔祥純等.蒸汽發(fā)生器沉積物模擬垢樣制備研究.中國(guó)科學(xué)技術(shù)進(jìn)展報(bào)告，2011.782

[2] 李江等.蒸汽發(fā)生器二次側(cè)管板視頻檢查及檢查裝置的近期發(fā)展.第十屆無(wú)損檢測(cè)學(xué)會(huì)年會(huì)論文集，2013.1186

The Eddy Current Testing Method and Application in theHeat Transfer Tube Fouling of Steam Generator

YAO Chuan-dang，XIA Qing-you，WANG Jia-jian，ZENG Yu-hua，LIU Xin，

(China Nuclear Power Operation Technology Corporation Wuhan of Hubei Prov.430223，China)

There are much sediment in secondary circuit of the steam generator and endanger the safety of the tubes，the eddy current testing method can effectively detect the sludge of the secondary side.Through the experiment of simulating different thickness of fouling，get the corresponding relation of thickness and amplitude.This article describes the detection method of fouling in the tube of steam generator，and the relationship between the amplitude and the thickness，which provides an effective reference for the heat transfer tube fouling of steam generator.

Eddy Current Testing；Steam Generator；Tube Sludge；Fouling

2016-04-08

姚傳黨(1987—)，男，河南濮陽(yáng)，助理工程師，現(xiàn)主要從事核設(shè)備無(wú)損檢驗(yàn)技術(shù)研究和檢查工作

TL4

A

0258-0918(2017)01-0012-05