蒸汽發(fā)生器傳熱管的在役渦流檢查蘇州院陸念文

1、壓水堆蒸汽發(fā)生器傳熱管的在役渦流檢查陸念文汪小龍(熱工研究院215004)摘要：蒸汽發(fā)生器傳熱管是壓水堆一回路壓力邊界的重要組成部分。傳熱管破裂后，一回路放射性冷卻劑將進(jìn)入二回路，發(fā)生冷卻劑喪失事故。因此蒸汽發(fā)生器傳熱管檢查的可靠性極為重要。本文論述了傳熱管渦流在役檢查方法與其局限性。關(guān)鍵詞：蒸汽發(fā)生器傳熱管，應(yīng)力腐蝕開裂，渦流檢查蒸汽發(fā)生器傳熱管是壓水堆一回路壓力邊界的重要組成部分，是防止放射性裂變產(chǎn)物 外泄的主要屏障，因此傳熱管對核安全的重要性僅次于反應(yīng)堆壓力容器、安全殼和一回路 主管。傳熱管破裂后，一回路放射性冷卻劑將進(jìn)入二回路，發(fā)生冷卻劑喪失事故。放射性 裂變產(chǎn)物或者進(jìn)入常規(guī)島，或者通

2、過安全閥排向大氣，造成核污染。因此蒸汽發(fā)生器傳熱 管的檢查極為重要，各國都非常重視，進(jìn)行了大量的研究。.傳熱管的材料早期傳熱管材料選用奧氏體不銹鋼，例如304不銹鋼。由于抗應(yīng)力腐蝕能力較差，歐美國家開發(fā)出鍥基合金鋼作為傳熱管的材料。最早的鍥基材料是Alloy 600 o后來發(fā)現(xiàn)Alloy 600材料抗應(yīng)力腐蝕的能力仍不理想，因此又開發(fā)出 Alloy 800和Alloy 690材料, 目前西歐、日本和美國的核電廠都使用鍥基合金作傳熱管材料，一部分老核電廠仍然使用 Alloy 600 , 一部分新核電廠已使用 Alloy 800和Alloy 690。俄羅斯核電廠傳熱管仍然 使用奧氏體不銹鋼。核電集

3、團(tuán)下屬核電廠的蒸汽發(fā)生器傳熱管均使用Alloy 690 。山1期使用Alloy 800，田灣核電廠使用俄羅斯奧氏體不銹鋼。除了強(qiáng)度和韌性考慮外，傳熱管選材的兩個原則：抗應(yīng)力腐蝕；抗材料流失(Loss of Material ),防止一回路活化產(chǎn)物過多。.傳熱管的主要老化機(jī)理和發(fā)生部位3各種老化機(jī)理主要有：PWSCC Primary Water SCC ）PWSCC一回路水環(huán)境應(yīng)力腐蝕開裂。有3類因素影響傳熱管材料對PWSCC敏感性： 材料微觀特性，如合金成分、晶界碳化物； 較高的環(huán)境應(yīng)力或殘余應(yīng)力；腐蝕性環(huán)境，例如一回路水化學(xué)和溫度。PWSCC要發(fā)生在以下部位（對再循環(huán)蒸汽發(fā)生器而言）：管板的

4、近脹管過渡區(qū)；u形彎管處，曲率半徑越小，pwscc能性越大；管板、支撐板處管子發(fā)生凹陷的部位；熱段區(qū)域管子pwscC,冷段區(qū)域pwscC。前面3條說明殘余應(yīng)力大，PWSCC能性大，最后一條說明環(huán)境溫度高（僅指 PW電 電廠運行環(huán)境），pwscc能性大。pwscC紋形態(tài)有以下特點：U形彎管處裂紋主要是軸向；管板近脹管過渡區(qū)裂紋主要呈軸向，偶爾在兩條軸向裂紋間存在短的環(huán)向裂 紋。未發(fā)現(xiàn)孤立的環(huán)向裂紋；脹管區(qū)主要是環(huán)向裂紋；凹陷部位如果發(fā)現(xiàn)壁裂紋，則裂紋往往是軸向。軸向裂紋發(fā)展為穿透裂紋后管子表現(xiàn)為泄漏而不是失穩(wěn)破裂。環(huán)向裂紋如何擴(kuò)展未研 究，核電廠發(fā)現(xiàn)環(huán)向裂紋后均立即堵管。ODSCC Out-Di

5、ameter SCC ）ODSC可管外壁應(yīng)力腐蝕開裂。主要有兩種表現(xiàn)形式：IGSCC（沿晶SCC和IGA （晶 間腐蝕），總稱ODSCC多發(fā)生在管子和管板、支撐板的縫隙。但在管子自由段（Free Band 也發(fā)現(xiàn)了 ODSCC影響IGSCC勺因素與PWSCC同，其裂紋與最大主應(yīng)力垂直。IGA是晶 界材料的腐蝕，IGA的發(fā)生不需要很大的拉伸應(yīng)力。但是較大的應(yīng)力會促進(jìn)IGA的發(fā)生與擴(kuò)展。EPRI認(rèn)為，IGA是發(fā)生IGSCCW先兆，不斷的IGA造成局部區(qū)域減薄，應(yīng)力變大， 個別IGA于是發(fā)展為IGSCC因此傳熱管外壁往往發(fā)現(xiàn)IGSCC/IGA伴生現(xiàn)象3。ODSC他決于雜質(zhì)在蒸汽發(fā)生器二次側(cè)的濃縮程度

6、，蒸汽發(fā)生器二次側(cè)的雜質(zhì)水平分 布不均，至少和以下因素有關(guān)：縫隙的幾何特征；二回路冷凝器系統(tǒng)冷卻水的類型（淡水、微咸水或海水）；二回路材料（例如進(jìn)入蒸汽發(fā)生器二次側(cè)的水中是否含 PB Cu等）； 冷凝器泄漏歷史；水處理狀況；蒸汽發(fā)生器二次側(cè)水化學(xué)。要指出的是，發(fā)生ODSCCJ管子自由段上往往有明顯的腐蝕結(jié)垢物。ODSC纓紋形態(tài)有如下特征：主要是軸向裂紋；在管板近脹管過渡區(qū)和凹陷區(qū)也發(fā)現(xiàn)少量裂紋，呈環(huán)向； 軸向裂紋可以是單個，也可是多個，中間可能夾雜著少量IGA補丁區(qū)域；在IGA影響區(qū)域可能存在淺網(wǎng)狀裂紋。ODSCC紋形態(tài)多樣，渦流探傷的難易程度也不同。例如使用差分探頭時，管板處ODSCC 最難

7、探測（比起該處的PWSCC但當(dāng)ODSCC紋足夠大（尚未達(dá)到臨界尺寸）時，渦流探 傷可以探測，因此可以對管子采取修補措施。軸向ODSC纓紋可用差分探頭檢測，而環(huán)向裂紋則需要使用點式探頭檢測。自由段的IGSCC?DIGA極難探測，普通的探頭根本感覺不 到任何信號，必須采用一種“絕對式”探頭才能探測，目前已發(fā)生了自由段ODSCC起的管子破裂案例。傳熱管其它幾種老化機(jī)理不作介紹。圖1是EPRI調(diào)查的堵管原因統(tǒng)計圖網(wǎng)，可以看出， 目前傳熱管的主要的老化機(jī)理是 PWSCC ODSC,C為此而堵管的比例最大。0%箱 M m itR frl 股M 陋 & IT 慧 * 加加 g XWw 6dLMtl就加|Eg

8、dutoa3此寓I 如5型曲|妙frUFERC*品1皿卻歸; rfpromwl ya-uwil 圖1卜表是因為SCCW堵管的美國和加拿大一些核電廠清單3：Hain- 2ASOO-1St. Lucie - 1Iroganhlh Anna. - 1 ifcavtr Valley * iBugey . 5 1ANO-lD.Cr Cook - INorth Anna - 2Oconee - 1 asto- iV.C. SummerWonh Anna * 2Byrun - 1Csitaii Jla *- 10r Bruce - AYea 1990 IWO 1W 1M11991 1W11WI 199119

9、919921992 版 121992泗 1湖 l期 l雙1W3R* Tubes Plugged 54s si7 62446S 1580 碗760311400 3M 15452761235364620顏 74D431440- 11CausePWSCC, IG.Aa1AVB FrettingPWSCC IGA- ODSCCHGA 0DS0C71GA PWSCCh IGA ODSCITKiAPWSCC GD6OC4GA ODSC1C4GA ODSCtaGA ODSOCICiA1ErasicHUoonoQDn1 ODSOCrlGAIPWSCC IGA* PWSCC,【GV PW90Cb IGjV PW

10、SOQ GA，ODSCCIGA ODSOC1GASeconttiry side.熱管的檢查要求和方法3要求美國早期對傳熱管檢查的原則要求表達(dá)在核管會文件RG1.83 （1975年）5。RG1.83要求檢查儀器能查出深度為壁厚 20%勺缺陷，對某些形式的缺陷來說，目前最先進(jìn)的儀器 也達(dá)不到這一要求3。80年代后NRC寸傳熱管檢查的原則要求有所變化。主要是檢查采用分級制度（ C1、C2 和C3級），每級要求的抽查數(shù)量、使用的儀器類型不同。檢查方法渦流檢查渦流檢查是應(yīng)用最廣泛的檢查手段，原因有 2點：能有效檢查出管子減?。═hinning ）,注意這里的“減薄”是指管壁材料均勻 的丟失；檢查速度快。

11、目前渦流檢查使用的探頭主要有 2種：差分探頭，即BC （Bobbin Coil ）探頭；多頻旋轉(zhuǎn)扁平感應(yīng)圈探頭，即 MRPCS頭（Multifrequency Rotating Pancake Coil ）。渦流檢查一個的缺點是對缺陷的長度和深度不能準(zhǔn)確定量，這一點已由拔管的金屬學(xué) 檢驗證實3。下面主要談PWSCCIGA和ODSC宓化條件下渦流檢查的特點。PWSCC在脹管過渡區(qū)的裂紋信號常常被淹沒在由管子幾何變化引起的噪聲信號中； 裂紋深度達(dá)到壁厚50犯上才能被探測到；U形區(qū)域的裂紋達(dá)到一定的數(shù)量、或裂紋達(dá)到一定長度時才能被探測到；可以探測裂紋深度，但很難準(zhǔn)確探測出裂紋長度，因此無法定量裂紋的

12、幾何形 式，渦流檢查測量的環(huán)向裂紋長度往往比實際長度（拔管檢查）?。粺o法分辨具有復(fù)雜形態(tài)的裂紋，例如，一條長的軸向裂紋伴隨有一條短的環(huán)向 裂紋，渦流檢查時，軸向裂紋的信號會淹沒環(huán)向裂紋的信號，造成漏檢（比利 時）；軸向裂紋的擴(kuò)展速率可以通過在役檢查判定，但環(huán)向裂紋目前無法判定。IGA渦流檢查對付IGA非常困難，這點由美國Trojan核電廠的渦流檢查經(jīng)驗證實，現(xiàn)在 還搞不清楚渦流（使用BC和MRPC?頭）能才查到的IGA裂紋長度的門檻值到底是多大。 IGA部位的電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率變化緩慢，BC探頭根本探測不到任何信號，MRP除頭可以感應(yīng) 一些信號，但卻無法分析。陣列式探頭比上述兩種探頭要好些，勉強(qiáng)可

13、作些分析。因此如 果探測到任何IGA信號（或懷疑是IGA信號），EPRI建議都要復(fù)探3。ODSCC這里的ODSCC；際就是指IGSCCODSCC1難探測，原因是信噪比??；差分探頭會漏檢支撐板處的軸向 ODSC裂紋，例如有些裂紋深度已達(dá)到壁厚的 62%但使用差分探頭卻沒有檢測到；渦流檢查測量的環(huán)向裂紋長度往往比實際長度(拔管檢查)小，例如拔管檢查 發(fā)現(xiàn)環(huán)向裂紋角達(dá)270度，但渦流檢查的判斷只有90度； 無法分辨具有復(fù)雜形態(tài)的裂紋，這一點和PWSCC查類似；對ODSC裂紋，目前最好的渦流探傷技術(shù)達(dá)到的水平是：能夠檢查出位于凹陷區(qū)、深度為壁厚50%角為50度的裂紋(或穿透性、角為23度的裂紋)，其

14、角測量誤差為土 3745度(EPRI組織的對西屋公司傳熱管的渦流檢查循環(huán)試 驗)。破壞性檢查通常通過拔管來進(jìn)行破壞性檢查，目的是：核實渦流和超聲波檢查的準(zhǔn)確性；檢查管子的老化機(jī)理；檢查二次側(cè)的水化學(xué)狀態(tài)與其對老化的影響；檢查管子的爆破壓力，用于結(jié)構(gòu)完整性評估；破壞性檢查拔管對象是那些渦流或超聲波檢查有信號顯示的管子。4.總結(jié)(1)在特定的裂紋形態(tài)、部位、探頭和人因條件下渦流檢查可能發(fā)生漏檢，例如裂紋閉合 時會漏檢；有些部位沉積物多，噪聲信號淹沒裂紋信號，造成漏檢；差分探頭和多頻 旋轉(zhuǎn)探頭對軸向和環(huán)向敏感度不同，只使用一種探頭檢查就可能發(fā)生漏檢；(2)有時會出現(xiàn)虛假信號；IGA裂紋極難探測；(4)渦流檢查不能只使用一種探頭，對可疑部位應(yīng)盡量使用差分、多頻旋轉(zhuǎn)和陣列3種探頭進(jìn)行分析；(5)渦流檢查方便、高效，但不是決定性檢查方法，其可靠性最終要通過模擬試驗或拔管 金屬學(xué)檢查驗證；(6)通過大量模擬試驗或拔管金屬學(xué)檢查， 才能摸清傳熱管缺陷形態(tài)、尺寸和分布的規(guī)律， 由此建立缺陷數(shù)據(jù)庫以與適宜的分析模型，由此準(zhǔn)確評估渦流等檢查方法的在役檢查結(jié)果，保證狀態(tài)監(jiān)測和運行評估的可靠性。參考文獻(xiàn)材料科學(xué)與技術(shù)叢書（第10B卷）一一核材料（第II部分），美B.R.T.弗羅斯特 主 編，科學(xué)，1999年7月第1版。IAEA-TECDOC