圖 1 凝汽器管口區域結構示意
分享：凝汽器傳熱管近管口區域的表面陣列渦流檢測
凝汽器作為核電廠常規島的重要組成部分，其安全可靠性直接影響到機組的安全穩定運行。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，其結構示意如圖1所示。
目前，主要采用Bobbin探頭對凝汽器傳熱管進行渦流檢測，在近管口區域受脹管過渡段及管板邊緣的影響，該區域（整個管板區域+管板內邊緣往內部10 mm）為檢測盲區[1]，在役檢查階段往往需要對近管口區域補充進行目視檢測。某電廠大修期間，目視檢測發現接排出水側近管口區域存在大量劃傷，如圖2所示。劃傷距管口約30 mm，該位置屬于管板區域，使用Bobbin探頭進行渦流檢測時，未發現異常信號顯示。同時，由于該劃傷位于傳熱管內壁，且劃傷較細（長度小于0.5 mm），采用傳統測量方法無法確定該缺陷的深度。
圖 2 近管口區域劃傷示意
為解決該缺陷的檢出問題，并給出半定量的檢測方案，可采用的渦流檢測技術有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域，為盡量降低結構信號的影響，擬采用更高頻的表面陣列渦流檢測技術實施檢測[2]，并通過試驗驗證其檢測能力。
1. 表面陣列渦流檢測原理
陣列渦流檢測基于常規的渦流檢測技術，主要通過設計合理的傳感器結構使渦流探頭陣列化，并利用數字信號處理技術和計算機技術完成信號的激勵、運放、采集、調理、顯示等功能，從而實現快速、高效的數字化檢測。與傳統單探頭渦流檢測相比，陣列渦流檢測采用電子學技術，對傳感器單元進行分時切換，通過單次掃查就能達到傳統單探頭渦流檢測多次掃查的檢測效果。傳統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
表面陣列渦流檢測技術是陣列渦流技術在表面檢查中的特殊應用，其主要特點是檢驗頻率較常規陣列渦流技術的高。陣列線圈部分由多組按照一定方式排布的T/R（發射/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構，其中一排線圈與另一排線圈在周向錯開一個線圈半徑的距離，如圖4所示。
圖 4 陣列渦流探頭結構示意
2. 檢測設備及工藝方案
2.1 檢測設備
試驗采用ZETEC生產的Miz-200A型渦流檢測儀（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型渦流儀實物
圖 6 SURFXTS0023型薄片式表面陣列探頭實物
柔性表面陣列探頭結構的局限性，導致其穩定性以及與被檢工件的貼合性較差，故試驗設計了一款輔助工裝（見圖7），以使探頭能夠較大程度地貼合被檢工件，提高檢測穩定性及靈敏度，并在探頭表面加裝了一層保護膜，以免探頭受損。
圖 7 輔助工裝結構示意
使用時，將探頭的長軸與輔助工裝的長軸對齊，同時將探頭的短軸中心線與工裝手柄端圓弧中心線對齊，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，在對比試件上設計了6個長度為10 mm，深度不同的周向線性槽。對比試件人工缺陷參數如表1所示（傳熱管壁厚為0.7 mm），尺寸示意及實物如圖9所示。
Table 1. 對比試件人工缺陷參數
| 編號 | 類型 | 深度/mm | 傷深占壁厚的百分比/% | 寬度/mm |
|---|---|---|---|---|
| A | 周向線性槽 | 0.1 | 14.3 | 0.13 |
| B | 周向線性槽 | 0.2 | 28.6 | 0.13 |
| C | 周向線性槽 | 0.3 | 42.9 | 0.13 |
| D | 周向線性槽 | 0.4 | 57.1 | 0.13 |
| E | 周向線性槽 | 0.5 | 71.4 | 0.13 |
| F | 周向線性槽 | 0.6 | 85.9 | 0.13 |
圖 9 對比試件尺寸示意及實物
2.2 檢測工藝
（1）檢測頻率
渦流標準滲透深度δ可用公式
（2）檢測要求
在被檢件上的掃查速度不得超過在對比試件上校準時的掃查速度，信噪比大于3，數字化率應不小于每毫米2個點。
（3）掃查方式
掃查速度不應超過200 mm/s，施加在探頭上的壓力應足以保持其與被檢件的接觸。掃查時，將探頭伸入管內，再沿管內拉出并進行數據采集；周向旋轉一定角度后，再次重復之前的探頭伸入、拉出采集操作，直至覆蓋周向360°。相鄰兩次掃查時的探頭覆蓋率應不小于50%。探頭掃查示意如圖10所示。
圖 10 探頭掃查示意
（4）對比試件的校準
對對比試件上的人工缺陷進行數據采集，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，定義為0.5 V，相位調整至90°，并歸一化至其他軸向通道。對比試件人工缺陷的信號響應參數如表2所示（幅值測量方式為VMx，下同），信號響應圖譜如圖11所示。
Table 2. 對比試件人工缺陷的信號響應參數
| 編號 | 傷深占壁厚的百分比/% | 最大幅值/V | 說明 |
|---|---|---|---|
| A | 14.3 | 0.50 | 標定 |
| B | 28.6 | 0.85 | — |
| C | 42.9 | 1.42 | — |
| D | 57.1 | 1.98 | — |
| E | 71.4 | 2.48 | — |
| F | 85.9 | 3.19 | — |
圖 11 對比試件人工缺陷信號響應圖譜
根據對比試件上不同深度的人工缺陷信號響應情況，繪制了幅值與傷深的關系曲線，如圖12所示。由圖12可知，隨著缺陷深度增加，信號幅值逐漸增大，且存在一定的比例關系。因此，可以通過渦流軟件對幅值和傷深進行曲線擬合，用于后續缺陷傷深的判定，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 信號幅值與傷深的關系曲線
圖 13 渦流軟件擬合得到的幅值-傷深曲線
（5）檢測重復性試驗
由于該工裝為手持式，故需要驗證其檢測重復性。驗證時，采用上述工藝對同一缺陷（對比試件上0.1 mm深的周向線性槽）采集16次數據，每次采集后的幅值響應如表3所示。
Table 3. 重復性試驗的幅值響應
| 次數 | 最大幅值 | 次數 | 最大幅值 |
|---|---|---|---|
| 1 | 0.51 | 9 | 0.52 |
| 2 | 0.71 | 10 | 0.51 |
| 3 | 0.56 | 11 | 0.62 |
| 4 | 0.63 | 12 | 0.54 |
| 5 | 0.54 | 13 | 0.55 |
| 6 | 0.57 | 14 | 0.56 |
| 7 | 0.52 | 15 | 0.52 |
| 8 | 0.52 | 16 | 0.53 |
由表3可知，大部分情況下檢測重復性良好，僅有2~3次偏差較大（2，4，11次），后續檢測過程中，可通過采取多次重復采集、選取重復出現的幅值進行記錄的方式，減小人為因素導致的結果不準確性。
3. 檢測能力驗證
為驗證上述工藝對凝汽器近管口區域劃傷缺陷的檢測效果，設計加工了模擬試件進行試驗驗證。模擬試件由管板與帶人工缺陷的傳熱管脹接而成，人工缺陷相關參數如表4所示，人工缺陷結構示意及模擬試件實物如圖14所示。
Table 4. 模擬試件人工缺陷相關參數
| 人工缺陷編號 | 人工缺陷類型 | 傷深 | 寬度 |
|---|---|---|---|
| A-1 | 內環槽 | 0.1 | 0.13 |
| A-2 | 內環槽 | 0.1 | 0.13 |
| B-1 | 內環槽 | 0.2 | 0.13 |
| B-2 | 內環槽 | 0.2 | 0.13 |
圖 14 人工缺陷結構示意及模擬試件實物
對模擬試件上的人工缺陷進行數據采集和分析，并記錄人工缺陷信號響應信息，響應參數如表5所示，信號響應圖譜如圖15所示。由圖15可知，所有人工缺陷均能有效檢出，同時根據圖13所示的曲線可給出缺陷深度當量，傷深最大偏差為6.6%。
Table 5. 對比試件信號響應參數
| 人工缺陷編號 | 傷深百分比/% | 最大幅值/V | 估算傷深百分比/% | 偏差/% |
|---|---|---|---|---|
| A-1 | 14.3 | 0.51 | 16 | −1.7 |
| A-2 | 14.3 | 0.58 | 18 | −3.7 |
| B-1 | 28.6 | 0.88 | 28 | 0.6 |
| B-2 | 28.6 | 0.70 | 22 | 6.6 |
圖 15 模擬試件人工缺陷信號響應圖譜
渦流的端部效應會使得表面陣列探頭存在盲區，其大小與檢測頻率、探頭線圈尺寸以及與端部的距離有關。由模擬試驗可知，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的盲區不大于5 mm。
4. 現場應用
某次大修期間，挑選了一些近管口區域存在劃傷的傳熱管進行現場試驗，使用加工的工裝搭載柔性表面陣列探頭，采用文章工藝參數進行檢測，檢測結果如圖16所示。
圖 16 現場部分近管口區域劃傷示意及檢測結果
根據幅值-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%。經設備工程師評估，確定后續需對其進行跟蹤檢測。
5. 結論
（1）文章工藝至少能夠檢出凝汽器近管口區域深度為0.1 mm、寬度為0.13 mm的表面開口缺陷。
（2）由模擬試驗結果可知，該表面陣列技術的盲區不大于5 mm。
（3）信號幅值與傷深存在一定的線性關系，幅值大小可以在一定程度上用于評判缺陷傷深，進而為缺陷評估和處理提供參考依據。
（4）探頭工裝能夠有效提高檢測穩定性，但仍為手持式，且需多次掃查才能保證覆蓋率及準確性，故檢測效率低。
文章來源——材料與測試網
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