蒸汽發(fā)生器傳熱管內(nèi)穿渦流檢測的噪聲特性及其測量方法

蒸汽發(fā)生器傳熱管內(nèi)穿渦流檢測的噪聲特性及其測量方法郭韻;王華鋒;胡恩義【摘要】對蒸汽發(fā)生器傳熱管管材生產(chǎn)階段內(nèi)穿渦流檢測噪聲的2種測算方法(峰峰值和均方根)、影響噪聲的因素和來源、噪聲峰峰值與均方根之間換算比值進行了試驗.結(jié)果表明，渦流檢測時冷軋管噪聲主要呈現(xiàn)周期性，拉拔管(Inconel690合金管)噪聲主要呈現(xiàn)隨機性，峰峰值和均方根之間的比值推薦為n.同時還研究了噪聲對缺陷(點狀缺陷和裂紋)的影響.％Measuringmethodsofnoisepeaktopeakvoltage(VPP)andnoiserootmeansquare(RMS),noiseinfluencefactorsandsources,andratioofVPPtoRMSareresearchedinthepaper.Theresultsindicatethatrollingtubingnoisemainlyappearsperiodicallyanddrawntubing(Inconel690alloytube)noisemainlyoccursrandomly,andtheratioofVPPtoRMSisrecommendedtoben.Additionally,theinfluenceofnoiseondefects(pittingandcrack)isalsoresearched.【期刊名稱】《無損檢測》【年(卷)，期】2017(039)011【總頁數(shù)】7頁(P20-26)【關(guān)鍵詞】蒸汽發(fā)生器傳熱管;渦流噪聲;峰峰值;均方根【作者】郭韻;王華鋒湖恩義【作者單位】國核電站運行服務(wù)技術(shù)有限公司，上海200233;寶銀特種鋼管有限公旬宜興214200;國核電站運行服務(wù)技術(shù)有限公司，上海200233【正文語種】中文【中圖分類】TG115.28蒸汽發(fā)生器傳熱管是核島一回路和二回路的壓力邊界，傳熱管管壁的破損會引起一回路放射性介質(zhì)泄漏，所以傳熱管從生產(chǎn)、安裝和在役各階段都需要進行渦流檢測。三代核電蒸汽發(fā)生器用換熱管在制造出廠前需要對其進行內(nèi)穿渦流檢測，內(nèi)穿渦流檢測包括直管階段的信噪比檢測和彎管后的缺陷檢測。渦流檢測的靈敏度和可行性是由信噪比，即渦流信號幅值和渦流噪聲幅值之比決定的。內(nèi)穿渦流噪聲檢測的目的是為了提高和保證蒸汽發(fā)生器用傳熱管在60a運行壽命期內(nèi)進行的在役檢測的可行性。RCCM《壓水堆核電站核島機械設(shè)備設(shè)計與建造法則》規(guī)范中要求控制壓水堆蒸汽發(fā)生器管束（鎳鉻鐵合金無縫管）渦流檢測的背景噪聲水平，即以4個直徑為中1mm通孔所產(chǎn)生的基準信號峰峰值間的幅度（VPP）為基準，所測得的背景信噪比應(yīng)不低于7,允許在一個檢測區(qū)域局部不均勻性的信噪比不低于6。AP1000/CAP1400核電機組堆型的設(shè)計符合ASME（美國機械工程師學(xué)會）規(guī)范，ASME規(guī)范中未闡述渦流檢測信噪比的相關(guān)內(nèi)容。AP1000/CAP1400核電機組堆型的蒸汽發(fā)生器傳熱管無損檢測技術(shù)條件中要求，直管內(nèi)穿渦流信噪比是以4個中0.66mm通孔為基準的，任意0.5m管子長度范圍內(nèi)平均信噪比不低于20。將AP1000/CAP1400堆型的蒸汽發(fā)生器設(shè)計文件與RCCM規(guī)范進行對比可知：①AP1000/CAP1400核電機組堆型的蒸汽發(fā)生器傳熱管無損檢測技術(shù)條件中，要求直管內(nèi)穿渦流信噪比是以4個中0.66mm通孔為基準的；RCCM要求為以4個中1mm通孔為基準，渦流基準信號幅值后者約為前者的2.3倍，若均以4個中1mm通孔為基準，AP1000/CAP1400堆型的蒸汽發(fā)生器傳熱管無損檢測技術(shù)條件中信噪比要求約為46，遠高于RCCM規(guī)范。②RCCM規(guī)范規(guī)定了局部和背景信噪比的下限，AP1000/CAP1400堆型的蒸汽發(fā)生器傳熱管無損檢測技術(shù)條件中，規(guī)定了全管任意軸向0.5m長度的信噪比下限（相當(dāng)于背景信噪比），對于噪聲的測量范圍要求不同。③以上兩者都沒有明確規(guī)定具體的噪聲測量方法（噪聲信號實際上存在峰峰值、均方根等的測量方法）。AP1000/CAP1400堆型蒸汽發(fā)生器傳熱管無損檢測技術(shù)條件中對傳熱管直管信噪比檢測的要求與RCCM規(guī)范存在噪聲測量范圍和驗收要求的不同，同時也未明確測量方法。筆者針對AP1000/CAP1400堆型蒸汽發(fā)生器傳熱管無損檢測技術(shù)條件中，傳熱管直管渦流檢測的噪聲測量方法和驗收要求進行了分析和試驗研究。1.1渦流噪聲源分析渦流檢測信號的噪聲可能來自于多方面，包括外界干擾信號、設(shè)備電路噪聲、管材內(nèi)表面粗糙度、管材材料或尺寸不均勻、探頭抖動信號等，這些影響因素均會成為渦流信號的噪聲源。外界干擾信號一般是局部的信號（見圖1），由于其僅影響范圍較小的渦流信號，且發(fā)生的概率較低，重新采集之后大部分會消失，所以對于0.5m（管子軸向長度）平均噪聲這種測算方法的影響很小。目前，經(jīng)核電裝備的制造設(shè)備加工后的管材內(nèi)表面粗糙度Ra基本都能達到小于0.8pm,管材內(nèi)表面粗糙度對檢測的影響很小。渦流檢測信號的電路本底噪聲是指包括放大器在內(nèi)的渦流電路器件引起的渦流信號電噪聲，與其他電路電噪聲相同，其信號大小和分布呈隨機性，是渦流噪聲的主要來源之一。渦流探頭抖動信號是探頭在管內(nèi)移動過程中發(fā)生晃動產(chǎn)生的信號，目前AP1000/CAP1400蒸汽發(fā)生器傳熱管采用的渦流探頭的線圈直徑約為中14.2mm,探頭與管內(nèi)壁（內(nèi)徑中15.46mm）間隙較小，雖然探頭有支撐結(jié)構(gòu)，但其仍會發(fā)生晃動并產(chǎn)生噪聲。Inconel690合金管材尺寸的不均勻是指外徑和壁厚的不均勻，如外徑橢圓和單邊壁厚。其主要由采用的管坯尺寸偏差不佳、變形工裝形狀不佳、矯直操作不佳等因素引起(見圖2)。AP1000/CAP1400蒸汽發(fā)生器傳熱管的生產(chǎn)對于最終U型管的橢圓度(安裝在蒸汽發(fā)生器后面的傳熱管Row16-146最大允許1.6%)、夕卜徑中(17.48±0.09)mm、壁厚(0.92~1.10mm)都有控制，對于渦流630kHz差分Bobbin探頭的通道管橢圓和單邊壁厚變化影響可以忽略。但渦流對于管材壁厚和內(nèi)徑的變化都比較靈敏，所以直徑變化和壁厚的變化都可能造成渦流噪聲。AP1000/CAP1400蒸汽發(fā)生器傳熱管目前的生產(chǎn)工藝有冷軋和冷拔2種。周期式冷軋管軋輥隨機架的往復(fù)運動在軋件上滾軋，軋輥進程時管坯被旋轉(zhuǎn)送進，管坯被變形至需要的尺寸，管內(nèi)壁的芯棒也作相應(yīng)旋轉(zhuǎn)，軋輥返程時可以消除壁厚不均并提高尺寸精度，如此進行往復(fù)運動。加工使得管內(nèi)呈現(xiàn)了螺旋狀尺寸微觀不均勻的現(xiàn)象，這也是周期式冷軋管的特點，也因此增大了渦流的噪聲。對于冷拔管，其工藝特點是〃變形過程的連續(xù)性”，所以管材尺寸精度較高，渦流噪聲較小。1.2噪聲測量方法渦流噪聲的測量方法目前主要有2種：峰峰值(VPP)測量法和均方根(RMS)測量法。前者為局部峰峰值最大值，后者為與均值的偏差均方根值。而相對于這兩種不同的噪聲測量方法，信噪比的測算方式也有2種。第一種為國內(nèi)目前主要采用的方法。式中：SNR為信噪比；VPPs為信號的峰峰值；VPPn為噪聲的峰峰值。采用VPP進行測量，測量窗口內(nèi)測出的是最大值，測量窗口中的其他位置噪聲對測量值沒有影響。對于AP1000/CAP1400堆型蒸汽發(fā)生器傳熱管信噪比的測量，則噪聲VPP替換為任意0.5m的平均噪聲PP。式中：m為在0.5m范圍內(nèi)選取噪聲測量的取樣數(shù)，取樣數(shù)m由測量窗口大小、測量窗口步進數(shù)和0.5m范圍3者(數(shù)據(jù)點數(shù))共同決定。第二種為國夕卜主要采用的方法。式中：k取2,2或n;RMS為噪聲的均方根。不同于VPP的測量，采用RMS進行測量，測出的是整個測量窗口中的噪聲情況。對于AP1000/CAP1400堆型蒸汽發(fā)生器傳熱管信噪比的測量，國夕卜廠商對k值的選取也不相同。RMS的x,y方向分量的計算方式如下所述。式中：RMSx為RMS的x方向分量；n為數(shù)據(jù)點數(shù)量。式中：RMSy為RMS的y方向分量。對于AP1000/CAP1400規(guī)范要求的平均信噪比，將RMS替換為0.5m平均噪聲。如果不同廠商對信噪比的測量和計算方法不相同，會造成最終信噪比結(jié)果的不同。各信噪比相互之間不具有可比性，也會存在驗收要求不一致的問題。所以，對于以上2種信噪比的測量及計算方法(VPP和RMS)，需要通過試驗進行分析比較，才能得到VPP和RMS之間的折算系數(shù)k。1.3噪聲RMS和VPP比值的研究對于連續(xù)的波形，RMS的值等于波函數(shù)的平方在一個周期內(nèi)的積分除以周期開根號，從數(shù)學(xué)上可以用式(10)表示。式中：V(t)為電壓幅值；T為時間。利用式(10)計算不同波形信號(見圖3)的RMS與VPP的關(guān)系。對于方波信號VPP與RMS有以下的關(guān)系：對于正弦信號VPP與RMS有以下的關(guān)系：對于三角波信號VPP與RMS有以下的關(guān)系：—般波形所占面積越大，其RMS也越高，而VPP僅代表波形局部幅值，所以就方波、正弦波以及三角波而言，若波幅相同，則方波RMS最高，正弦波介于三角波和正弦波之間。呈隨機性電噪聲（白噪聲）的信號一般服從高斯分布（正態(tài)分布），其概率分布函數(shù)（一維）如式（14）所示。式中：□為均值；。為標準差。則約68.3%的數(shù)值分布在距離平均值有1個標準差之內(nèi)的范圍，約95.4%的數(shù)值分布在距離平均值有2個標準差之內(nèi)的范圍，約99.7%的數(shù)值分布在距離平均值有3個標準差之內(nèi)的范圍，電噪聲正態(tài)分布示意如圖4所示。隨機電噪聲的VPP與RMS以及取樣數(shù)量（測量范圍）有直接的關(guān)系：①最大噪聲值VPP<2xRMS，這部分噪聲占比68.3%:②最大噪聲值VPP<4xRMS,這部分噪聲占比為95.4%:③最大噪聲值VPP<6xRMS,這部分噪聲占比為99.7%。理論上講，隨著測量數(shù)量的增大，噪聲信號的VPP與RMS之間的比值就越大。2.1噪聲VPP和RMS的值受到測量范圍影響的研究選擇某管材生產(chǎn)廠的核電堆CAP1400鎳基合金管材（長1.5m），采樣率1800點?s-1,檢測速度300mm-s-1，測量窗口選在長為1.5m管的中央，對噪聲的RMS進行測量，逐步增大測量窗口，結(jié)果如表1所示。依據(jù)表1得出，噪聲RMS受到測量窗口大小的影響不大。再測量噪聲VPP隨測量窗口大小的變化情況，結(jié)果如圖5所示。從圖5可以得出：隨著測量窗口的增大，噪聲VPP逐漸增大；測量窗口增大到一定的程度（500點左右，約83mm）,噪聲VPP逐漸趨于飽和。噪聲VPP會隨著測量窗口而增大，所以對測量窗口有必要做統(tǒng)一規(guī)定。實際渦流檢測中，測量窗口的選取原則為能夠框住渦流標定樣管的渦流信號。對渦流標定樣管上人工缺陷的信號長度進行測量，測量結(jié)果如表2所示。基于表2的結(jié)論，參考EPRIPressurizedWaterReactorSteamGeneratorExaminationGuidelines標準中對Bobbin探頭信噪比檢測窗口的規(guī)定，渦流噪聲VPP測量的窗口應(yīng)設(shè)為15.24mm或更大。2.2不同管材噪聲的RMS和VPP測量的比較研究了國內(nèi)外幾家690合金管材生產(chǎn)廠的管材渦流信號的噪聲測量結(jié)果，不同廠家RMS與VPP測量結(jié)果比較如圖6所示（J公司的是非SG的傳熱管，S公司的是Row138的傳熱管，B公司的是Row123的傳熱管，Z公司的是Row11的傳熱管）。分別測量了其VPP和RMS。選取1.5m長的管材，測量窗口15.24mm，步進15.24mm。根據(jù)以上的測試結(jié)果，可以得到：①渦流噪聲的VPP比RMS的幅值要大；②渦流噪聲VPP變化的幅度要明顯大于RMS；③渦流噪聲RMS和VPP變化均無明顯規(guī)律可循。為了進一步了解渦流噪聲RMS和VPP之間的數(shù)值關(guān)系，對以上4根管材的數(shù)據(jù)RMS和VPP進行相除，結(jié)果如圖7所示。根據(jù)以上的測量結(jié)果進行統(tǒng)計得到：①VPP與RMS的比值對應(yīng)不同位置不斷變化，無明顯規(guī)律可循；②J公司管材噪聲VPP與RMS的比值大部分落在2.8~3.5（約83.5%的數(shù)據(jù)點）之間，平均值為3.1:③S公司管材噪聲VPP與RMS的比值大部分落在2.8~3.8（約83.5%的數(shù)據(jù)點）之間，平均值為3.2:④B公司管材噪聲VPP與RMS的比值大部分落在2.85~4.42（約82.6%的數(shù)據(jù)點）之間，平均值為3.6:⑤Z公司管材噪聲VPP與RMS的比值大部分落在2.8~4.38（約83%的數(shù)據(jù)點）之間，平均值為3.9。上述結(jié)果表明，對于不同廠商生產(chǎn)的相同690合金管材，其VPP與RMS的比值不相同，對于同一根管材的不同區(qū)域也不同。下面結(jié)合噪聲信號的分析，進一步研究這一比值。截取國內(nèi)外幾家690合金管材生產(chǎn)廠的渦流檢測信號圖并放大，計算VPP與RMS的比值，比較結(jié)果如表3所示。各公司合金管材的渦流檢測噪聲信號號放大結(jié)果如圖8所示。基于表3可得，渦流噪聲若近似周期性波動信號，則其VPP/RMS的值接近于正弦波（VPP/RMS為2.83）和三角波（VPP/RMS為3.46）比值的區(qū)間，若渦流噪聲更近似隨機電噪聲信號，則其VPP/RMS的值將會超出2.83~3.46這個范圍，而趨向于更大的比值。目前，對于國外廠商采用的折算系數(shù)（2、2和n）法，n與試驗中的數(shù)值范圍最接近，而實際上VPP/RMS的值隨著信號波形會一直變化，若一定要將VPP與RMS進行折算的話，則折算系數(shù)選擇n比較嚴格。另外，除了Z公司生產(chǎn)的管材采用拉拔工藝外，其他公司均采用軋制工藝，根據(jù)理論分析，拉拔管不存在周期性噪聲。經(jīng)推斷，軋制管的噪聲主要來源于軋制管的工藝產(chǎn)生的周期性管材不均勻，事實上這一點也經(jīng)過國內(nèi)管材廠的證實。2.3噪聲對缺陷的影響2.3.1不同尺寸點狀缺陷信號與