劉波　申國鋒　邱進杰　王仕村　趙偉

【摘 要】“死水管段現(xiàn)象”是影響相關設備壽命的主要因素，給相關設備的壽命和電站的安全運行帶來了很大的隱患。本文通過解析“死水管段”現(xiàn)象中裂紋產(chǎn)生的原理及超聲檢驗方法，為核電站的“死水管段”區(qū)域管道維護提供依據(jù)，對預防管道失效，保證管道完整性提供有效手段。

【關鍵詞】不銹鋼管道；死水管段；裂紋；超聲檢驗

0 前言

隨著核電站服役時間的增加，核電站的系統(tǒng)、部件會出現(xiàn)不同程度的老化和失效。“死水管段”現(xiàn)象作為核電站管道失效的一個主要原因，影響到核電站管道的完整性，直接影響到核電站的安全和能力因子，越來越引起相關國家和機構的廣泛關注。

目前國外核電廠都不同程度地發(fā)現(xiàn)了“死水管段”現(xiàn)象，1987年在美國的Farley核電站，1988年在比利時的Tihange核電站，1998年5月在法國核電站機組CIVAUX1，相繼出現(xiàn)泄漏性熱疲勞裂紋，并且也相應的采取了一些無損檢測措施，確定了產(chǎn)生熱疲勞裂紋的區(qū)域，為核電站“死水管段”區(qū)域管道維護提供依據(jù)。

近年來在國內某核電站的“死水管段”區(qū)域實施超聲檢查后也發(fā)現(xiàn)了一些熱疲勞裂紋，并且通過超聲檢驗確定了裂紋位置，為核電站管道更換和維護提供了依據(jù)。因此本文以某核電站“死水管段”區(qū)域超聲檢驗為例，研究分析該檢驗方法的特點，介紹“死水管段”區(qū)域中裂紋產(chǎn)生的原理以及超聲檢驗技術和現(xiàn)場應用情況，為其它核電站的“死水管段”區(qū)域檢驗和設備管理提供有效手段。

1 裂紋產(chǎn)生的原理

1.1 “死水管段”

反應堆冷卻劑回路和輔助回路之間的連接管段，在機組正常運行期間，連接管段涉及的所有閥門都處于關閉狀態(tài)，因此在入口隔離閥和出口隔離閥之間的水是靜止不動的死水，故稱之為死水管段。死水管段現(xiàn)象就是指這一管段出現(xiàn)汽（氣）水兩相分層的現(xiàn)象。當一回路在升溫升壓及正常運行的過程中，由于“死水管段”中壓力較低，水的飽和溫度也較低，較低壓力的水會被一回路側隔離閥加熱沸騰出現(xiàn)汽（氣）-水分層現(xiàn)象，介質中的添加物質（如硼）、雜質等會在汽（氣）-水界面發(fā)生富集，導致局部環(huán)境惡化（pH值降低），介質中含有一定的氧，將會促進汽（氣）-水界面環(huán)境更加惡化（富氧），汽（氣）-水界面處的管道、閥門材料長時間處于此惡劣環(huán)境中，將導致材料發(fā)生腐蝕（閥瓣）、熱疲勞裂紋（管道）、應力腐蝕（管道），經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)一條明顯的腐蝕線，如果情況嚴重還可觀察到小裂紋。

1.2 裂紋產(chǎn)生

不穩(wěn)定的熱分層可導致疲勞問題的發(fā)生，發(fā)生熱分層的主要模式有湍流滲入、閥門泄漏。

湍流滲入主要發(fā)生在與主管道相連接的輔助管道上，由于一次隔離閥處于常閉狀態(tài)，一回路冷卻劑會在主管道和一次隔離閥之間的管道內形成湍流進入到輔助管道內，而在一次隔離閥上游側的“死水管段”內不會發(fā)生湍流滲入現(xiàn)象。

湍流滲入和閥門泄漏可造成死水管段區(qū)域的冷、熱流體混合；冷、熱流體交界面隨著湍流加熱和閥門間歇性的泄漏會發(fā)生移動，在冷、熱流體交界移動的部位會發(fā)生疲勞裂紋。

如果管道在運行時存在高的拉應力、加上處于有腐蝕環(huán)境，則可能發(fā)生應力腐蝕開裂。

1.3 “死水管段”區(qū)域判據(jù)

根據(jù)死水管段區(qū)域產(chǎn)生的原理，與一回路相連接的管線并不一定都會發(fā)生死水管段現(xiàn)象，“死水管段”區(qū)域的主要判據(jù)如下：

1）管線上是否有兩個隔離閥；

2）如果有兩個隔離閥，在系統(tǒng)正常運行時，隔離閥是否處于隔離狀態(tài)；

3）分析死水管段產(chǎn)生的溫度和壓力，最后確認檢驗范圍。

2 超聲檢驗技術

缺陷基本是從管道內部開始產(chǎn)生，而且需要對管道金屬母材全部區(qū)域進行檢查，因此選擇超聲方法作為最終檢測方法。

2.1 檢驗范圍

檢驗范圍為RCP/RIS/RRA系統(tǒng)（反應堆冷卻劑系統(tǒng)/安全注入系統(tǒng)/余熱排出系統(tǒng)）死水管段管可能出現(xiàn)疲勞裂紋、應力腐蝕裂紋的區(qū)域，這些區(qū)域為：

1）一次閥上游（非主管道側）1500mm區(qū)域；

2）一次閥下游（主管道側）500mm區(qū)域；

3）二次閥上游（非主管道側）300mm區(qū)域。

各管線在上述區(qū)域內，可能出現(xiàn)彎頭、水平直管段、豎直管段、傾斜直管段、T型管段，檢查區(qū)域按以下原則進行。

1）彎頭，對全部面積作檢驗；

2）水平直管段，對全部面積作檢驗；

3）豎直直管段，對全部面積作檢驗；

4）傾斜直管段，對全部面積作檢驗；

5）T型管段，對T型管段的背面中心線兩側盡可能多的區(qū)域作檢驗。

2.2 檢驗設備

檢驗時所用的設備，包括超聲波探傷儀、探頭、標準試塊、參考試塊、耦合劑。

2.2.1 超聲波探傷儀

使用脈沖反射式超聲波探傷儀。

2.2.2 探頭

1）探頭的選擇

（1）檢驗波型的選擇

由“端角反射”可知，縱波入射時，端角反射率都很低，這是因為縱波在端角的兩次反射中分離出較強的橫波。橫波入射時，入射角為35°～55°時端角反射率達100%，檢驗靈敏度高，見圖3所示。管道內、外壁的裂紋情況類似這種情況。另外在檢驗中希望管道中存在的波形單一，形成的A顯示波形清晰簡單，便于缺陷信號的正確判斷。所以“死水管段”區(qū)域超聲檢驗選擇橫波。

圖1 橫波端角反射率示意圖

（2）探頭角度的選擇

為了保證管道超聲檢驗為純橫波，聲束入射角應選擇在第一臨界角和第二臨界角之間。

設：管道中橫波的折射角為β，管道中橫波的最小折射角為βmin，管道中橫波的最大折射角為βmax（聲束軸線與管道內壁相切的角度）。為了保證管道超聲檢驗為純橫波，根據(jù)折射定律，管道中橫波的最小折射角應大于等于32.7°（βmin= sin-1（CS/CL） ≈32.7°）（不銹鋼中的橫波速度CS≈3100m/s，縱波速度為CL≈5740m/s）。為保證沿管道外圓作周向掃查時，可檢出管道內壁的軸向（縱向）裂紋，管道中橫波的折射角應小于等于βmax，βmax= sin-1βmax sinβmax=r/R=1-（2t/D） （r 為內半徑，R為外半徑，t為壁厚，D為外徑）見圖2所示。

圖2 橫波折射角及主聲束傳播情況示意圖

考慮到被檢管道的規(guī)格，端角反射率，r/R=接近臨界值時產(chǎn)生的表面波引起的聲程偏差，折射角度的計算結果，探頭選用T45°、T35°。

（3）探頭頻率、尺寸的選擇

探頭頻率選擇2MHz、2.25MHz、4MHz，考慮到管道的曲率半徑（耦合性），缺陷的定位、定量精度，近場區(qū)大小，探頭晶片尺寸選擇8×9mm、Φ6.35mm。具體的主要探頭參數(shù)見表1。

表1 檢驗中使用的主要探頭參數(shù)表

注：檢驗過程中若有缺陷顯示，可以選用參數(shù)相同但頻率為4MHz的探頭進行輔助檢驗.

2.3 試塊

2.3.1 標準試塊

使用CSK-IA和V2試塊，用于儀器和探頭性能的測試及靈敏度設置。

2.3.2 參考試塊

參考試塊材料和熱處理狀態(tài)應與被檢件相同或聲學與特性相接近的材料，表面粗糙度不超過6.3？滋m，用于弧面探頭性能的測試，靈敏度設置。

2.4 檢驗方法

死水管段區(qū)域不銹鋼管段包括水平和傾斜直管、垂直直管段和90°垂直彎頭，掃查方向如下圖3所示，具體檢驗方法如下：

1）彎頭

（1）對厚度<25mm的彎頭只使用T 45°探頭，對厚度≥25mm彎頭使用T45°探頭和T35°探頭；

（2）用T45°平面探頭，按一個方向（1或5）軸向掃查彎頭的外脊背和兩側，掃查同時探頭做適當?shù)臄[動。如果在此次掃查中檢測到缺陷，則用另一個尚未使用的方向（即5或1）進行掃查；

（3）用T45°弧面探頭按一個方向（3或7）周向掃查彎頭的外脊背和兩側，如果在此次掃查中檢測到缺陷，則用另一個尚未使用的方向（7或3）進行掃查；

（4）用T45Alpha探頭按一個方向（1或5）軸向掃查彎頭的內脊背，如果在此次掃查中檢測到缺陷，則用另一個尚未使用的方向（即5或1）進行掃查；

（5）用T45Alpha探頭按一個方向（3或7）周向掃查彎頭的內脊背，如果在此次掃查中檢測到缺陷，則用另一個尚未使用的方向（即7或3）進行掃查；

（6）若使用T35°平面和弧面探頭，采取與T45°探頭同樣的方法。

2）直管段（水平直管段、豎直直管段、傾斜直管段）

（1）對厚度<25mm的直管只使用T45°探頭；對厚度≥25mm直管使用T45°探頭和T35°探頭；

（2）用T45°平面探頭，按一個方向（1或5）軸向掃查直管段管材，掃查同時探頭做適當?shù)臄[動。如果在此次掃查中檢測到缺陷，則用另一個尚未使用的方向（即5或1）進行掃查；

（3）用T45°弧面探頭按一個方向（3或7）周向掃查直管段管材，如果在此次掃查中檢測到缺陷，則用另一個尚未使用的方向（7或3）進行掃查；

（4）若使用T35°平面和弧面探頭，采取與T45°探頭同樣的方法。

3）T型管段

（1）對厚度<25mm的T型管段只使用T 45°探頭，對厚度≥25mmT型管段使用T45°探頭和T35°探頭；

（2）用T45°平面探頭，按一個方向（1或5）掃查T型管段背面區(qū)域，掃查同時探頭做適當?shù)臄[動。如果在此次掃查中檢測到缺陷，則用另一個尚未使用的方向（即5或1）進行掃查；

（3）用T45°弧面探頭按一個方向（3或7）掃查T型管段背面區(qū)域，如果在此次掃查中檢測到缺陷，則用另一個尚未使用的方向（7或3）進行掃查；

（4）若使用T35°平面和弧面探頭，采取與T45°探頭同樣的方法。

圖3 掃查方向的定義

2.5 缺陷顯示特征

死水管段的裂紋垂直于內壁，并且具有明顯的取向性，當從兩個相反方向探測此時，信號的聲程和幅值十分相似。

2.6 掃查要求

在信噪比允許的情況下（≦10%）盡量提高掃查靈敏度，探頭的掃查方向分為軸向和周向掃查，探頭掃查速度不大于100mm/s；當探頭移動時，每個步距至少有20%探頭（壓電晶體）面積重疊。當掃查中出現(xiàn)“顯示”時，則用另一個尚未使用的掃查方向進行掃查，對“顯示”應選用4 MHz橫波探頭進行驗證。對“缺陷顯示”采用-6dB法測量顯示長度。

2.7 記錄和驗收標準

2.7.1 記錄標準

在掃查靈敏度下能夠與噪聲信號明顯區(qū)分的所有缺陷信號均需要進行記錄和分析。

2.7.2 驗收標準

裂紋不可接受。

3 應用情況

在國內某核電的換料大修期間，采用該超聲檢驗技術，對選定的死水管段進行超聲檢驗，在管道內壁母材區(qū)檢測到多條軸向裂紋顯示，典型的裂紋信號見圖4所示。該處管道位于與一回路相連接的一次隔離閥和二次隔離閥之間。閥門移除后，對該管道內表面母材進行滲透檢驗，在管道內壁發(fā)現(xiàn)多條軸向裂紋顯示，滲透檢驗與超聲檢驗結果進行比較，檢驗結果一致。核電廠根據(jù)檢驗結果對該管段進行了更換。

對裂紋的微觀檢查結果，判斷產(chǎn)生裂紋的原因是死水管段現(xiàn)象引起的熱疲勞裂紋。

4 結論

缺陷原理分析和現(xiàn)場實際應用中死水管段超聲檢驗發(fā)現(xiàn)的裂紋顯示與滲透檢驗結果一致，證明了死水管段裂紋超聲檢驗技術的有效性。采用超聲檢驗對死水管段進行檢驗，是預防管道失效，保證管道完整性的有效手段。

【參考文獻】

[1]超聲檢測.NDT全國特種設備無損檢測人員資格考核統(tǒng)編教材[M].2版.

[責任編輯：湯靜]