核電站蒸汽發(fā)生器用690鎳基合金傳熱管制造過程中的渦流檢測

蒸汽發(fā)生器用690鎳基合金傳熱管是核電站一回路壓力邊界的關(guān)鍵部件，屬于核安全一級部件，傳熱管的質(zhì)量對核電站的安全性有重要影響。通常傳熱管設(shè)計(jì)使用壽命為60年，且在高溫、高壓、強(qiáng)輻射、腐蝕、潮濕的環(huán)境下運(yùn)行，因此為了提高反應(yīng)堆的可靠性和安全性，在制造過程中需多次進(jìn)行渦流檢測來保證傳熱管的質(zhì)量，同時采集信號為后續(xù)在役檢測提供數(shù)據(jù)支撐。1渦流檢測的時機(jī)和目的所檢測的690鎳基合金傳熱管如圖1所示，規(guī)格為17.48mm×1.01mm（直徑×壁厚）。傳熱管的制造工藝復(fù)雜，先由鋼錠經(jīng)過擠壓變形成為荒管管坯，再經(jīng)過反復(fù)多道軋制、矯直、固溶熱處理、酸洗、拋光等工序，最終變?yōu)樾枰某善?，成品階段還需經(jīng)過各種檢測、試驗(yàn)、時效熱處理、消應(yīng)力熱處理、定尺等工序，最終合格才交付給客戶。圖1

蒸汽發(fā)生器用690鎳基合金傳熱管實(shí)物在整個制造過程中，應(yīng)分別使用外穿式和內(nèi)穿式線圈，采用單頻、多頻、絕對式、差動式渦流檢測技術(shù)，對熱管至少進(jìn)行3次渦流檢測。首次渦流檢測是在最終矯直及帶式拋光之后進(jìn)行超聲渦流聯(lián)合檢測，此時可稱為直管外渦流檢測，其主要目的是檢測鋼管外壁缺陷。此時應(yīng)注意由于端部效應(yīng)，傳熱管兩端存在一定的盲區(qū)，應(yīng)在最終成品上切除。第二次渦流檢測是在直管時效熱處理后、彎管前進(jìn)行，此時可稱為直管內(nèi)渦流檢測，主要目的是控制信噪比，為提高和保證傳熱管在使用壽命中實(shí)施在役檢測的可行性。此時應(yīng)注意除盲區(qū)外，應(yīng)確保全長范圍內(nèi)渦流噪聲水平數(shù)據(jù)采集的完整性。第三次渦流檢測是在彎管、消應(yīng)力熱處理、水壓后進(jìn)行，此時可稱為彎管內(nèi)渦流檢測，主要目的是檢測壁厚減薄、磨損、凹痕等缺陷信號。其中第1～17排，彎管半徑R＜300mm的U形管通常要求在完成U形彎曲并進(jìn)行消應(yīng)力處理后進(jìn)行檢測，其余R≥300mm的U形管應(yīng)在完成U形彎曲后進(jìn)行檢測。2直管外渦流檢測直管外渦流檢測采用的是在線自動渦流檢測技術(shù)，一般和超聲檢測同時進(jìn)行。渦流檢測使用外穿過式差分線圈，渦流檢測線圈的尺寸應(yīng)與被檢管的尺寸相匹配，且填充系數(shù)大于0.7。一般采用內(nèi)徑為20mm的線圈，推薦頻率為60kHz，該頻率可以使得對比樣管上的標(biāo)準(zhǔn)人工缺陷信號幅值相近。直管外渦流檢測對比樣管結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2直管外渦流檢測對比樣管結(jié)構(gòu)通常對比樣管需包含以下標(biāo)準(zhǔn)人工缺陷：01內(nèi)外表面均應(yīng)刻有最大長度為12.7mm，最大深度為0.08mm，最大寬度為1.00mm的周向槽。023個在同一軸向位置沿周向間隔120°分布，最大直徑為0.78mm，最大深度為0.78mm的外壁平底孔。03一個直徑為1.57mm的貫穿單側(cè)管壁的通孔。043個最大直徑為0.78mm的通孔，其沿周向120°分布且在軸向方向分散分布，以避免相互干擾。采用對比樣管上的標(biāo)準(zhǔn)人工缺陷調(diào)整靈敏度，使標(biāo)準(zhǔn)人工缺陷的最小信號幅值達(dá)到顯示屏滿屏高度的60%左右。檢測時在基準(zhǔn)靈敏度上提高2～3dB作為掃查靈敏度。樣管的直管外渦流檢測結(jié)果如圖3所示，可見內(nèi)壁人工缺陷的信號幅度最小，只有保證了線圈內(nèi)壁人工缺陷的靈敏度，才可以保證整個管壁的檢測靈敏度。圖3樣管的直管外渦流檢測結(jié)果傳熱管在進(jìn)行直管外渦流檢測時的驗(yàn)收評定較為簡單，即通過幅值的大小來判定合格與否，只要渦流信號不超過閘門即判定為合格，產(chǎn)品的直管外渦流檢測結(jié)果如圖4所示。圖4產(chǎn)品的直管外渦流檢測結(jié)果應(yīng)注意超過閘門的信號不應(yīng)都立即判定為不合格，且應(yīng)目視查看缺陷打標(biāo)處是否有明顯的缺陷，如無明顯缺陷，應(yīng)重新進(jìn)行渦流檢測復(fù)驗(yàn)。同時，應(yīng)注意所有管子兩端均存在盲區(qū)，可通過對比樣管確定其盲區(qū)，盲區(qū)一般不大于200mm，應(yīng)在報(bào)告中記錄并在最終成品時將盲區(qū)切除。3直管內(nèi)渦流檢測直管內(nèi)渦流檢測信噪比的測量主要依靠數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析軟件。檢測探頭采用渦流內(nèi)穿過式差分線圈，要求填充系數(shù)不小于0.8，且不大于0.88，通常采用外徑為14.2mm的線圈，線圈寬度為1.5mm，線圈間距為1.5mm；一般采用的頻率為630kHz。直管內(nèi)渦流檢測對比樣管結(jié)構(gòu)如圖5所示。對比樣管的尺寸、材料、熱處理工藝及表面狀態(tài)應(yīng)與被檢管的相同。用于信噪比檢測的對比樣管應(yīng)包含4個在同一軸向位置沿周向間隔90°分布，直徑為0.66±0.05mm的通孔。圖5直管內(nèi)渦流檢測對比樣管結(jié)構(gòu)示意在630kHz差分通道下，將對比樣管上4個直徑為0.66mm的通孔信號的相位設(shè)置為40°，幅值（峰-峰值）設(shè)置為10V，將信號調(diào)至為滿屏高度的80%。在一個標(biāo)定組開始時采集對比樣管數(shù)據(jù)，連續(xù)采集3次作為起始標(biāo)定；在一個標(biāo)定組結(jié)束時采集對比樣管數(shù)據(jù)，連續(xù)采集3次作為結(jié)束標(biāo)定。直管內(nèi)渦流檢測樣管標(biāo)定結(jié)果如圖6所示。圖6直管內(nèi)渦流檢測樣管標(biāo)定結(jié)果信噪比測量由軟件自動完成，應(yīng)測量每根被檢管每個測量段的平均噪聲值，取最大平均噪聲作為被檢管的評價(jià)依據(jù)。任意0.5m長直管段上信噪比平均值小于20的管子應(yīng)判定為不合格。產(chǎn)品的直管內(nèi)渦流檢測結(jié)果如圖7所示，紅色標(biāo)識即為低于20的超標(biāo)數(shù)值。圖7產(chǎn)品的直管內(nèi)渦流檢測結(jié)果此時應(yīng)注意每個測量段重疊不低于6mm。在結(jié)束標(biāo)定時，應(yīng)使用標(biāo)定數(shù)據(jù)對檢測系統(tǒng)進(jìn)行校驗(yàn)。如果4個直徑為0.66mm的通孔信號幅值不超過(10±1)V，同時相位不超過(0±2)°，則系統(tǒng)校驗(yàn)合格。系統(tǒng)校驗(yàn)時若發(fā)現(xiàn)不合格，則應(yīng)重新建立數(shù)據(jù)采集標(biāo)定組，自上次校驗(yàn)以來的所有被檢管子應(yīng)在系統(tǒng)重新校準(zhǔn)后重新檢測。另外注意此處信噪比要求在0.5m長度上的平均值不低于20，雖然較RCC-M標(biāo)準(zhǔn)（要求信噪比整體不低于7，局部不低于6）更為嚴(yán)格，但是可能會存在局部噪聲較大的問題，而給在役檢查帶來較大困擾，因此信噪比接近20的區(qū)域應(yīng)特別關(guān)注局部噪聲。4彎管內(nèi)渦流檢測彎管內(nèi)渦流檢測的難點(diǎn)主要是對采集的渦流信號進(jìn)行分析。探頭采用內(nèi)穿過式線圈，要求填充系數(shù)應(yīng)不小于0.8，且不大于0.88，通常采用外徑為14.2mm的線圈，線圈寬度為1.5mm，線圈間距為1.5mm。一般采用的頻率為630，320，160，35kHz，分別對應(yīng)差分和絕對共8個通道。彎管內(nèi)渦流檢測對比樣管結(jié)構(gòu)示意如圖8所示，對比樣管應(yīng)含有下列人工缺陷：011個貫穿單側(cè)管壁的通孔，其直徑為1.32mm。021個直徑為2.8mm的外壁平底孔，深度為壁厚的60%。031個直徑為4.8mm的外壁平底孔，深度為壁厚的40%。044個直徑為4.8mm的外壁平底孔，在同一軸向位置沿周向間隔90°分布，深度為壁厚的20%。圖8彎管內(nèi)渦流檢測對比樣管結(jié)構(gòu)示意在630kHz差分通道下，將對比樣管上4個20%外壁平底孔所產(chǎn)生信號的峰-峰間幅值設(shè)置為4V。以此為基準(zhǔn)，歸一化至其他通道。然后，在一個標(biāo)定組開始時采集對比樣管數(shù)據(jù)，連續(xù)采集3次作為起始標(biāo)定；在一個標(biāo)定組結(jié)束時采集對比樣管數(shù)據(jù)，連續(xù)采集3次作為結(jié)束標(biāo)定。彎管內(nèi)渦流檢測樣管人工缺陷對應(yīng)信號如圖9所示。圖9彎管內(nèi)渦流檢測樣管人工缺陷對應(yīng)信號在渦流檢測過程中，傳熱管制造廠常發(fā)現(xiàn)的渦流信號類型有皮爾格漂移（PDS）、差分自由段顯示（DFI）、磨損（MBM）、凹痕（DNG）、壁厚減?。═WD）、彎管處正切信號（TAS）等。筆者對常見信號產(chǎn)生的原因和特征進(jìn)行了分析。（1）皮爾格漂移信號通常是由于軋機(jī)在連續(xù)軋制過程中發(fā)生卡頓而產(chǎn)生的，其在6號絕對通道上的信息較為明顯，垂直分量信號為有尖角的、開口較大的山峰形狀，經(jīng)驗(yàn)證，6號通道垂直分量信號山峰向左表示壁厚變厚，山峰向右表示壁厚變薄，皮爾格漂移信號如圖10所示。圖10皮爾格漂移信號（2）差分自由段顯示通常由真空爐熱處理時，傳熱管受熱膨脹，管與管之間相互摩擦產(chǎn)生，信號主要在3，6號通道上顯示，表現(xiàn)為不規(guī)則的8字形，角度變化不規(guī)律，6號通道垂直分量需放大才會開口，差分自由段顯示信號如圖11所示。圖11差分自由段顯示信號（3）磨損信號通常由表面修磨時產(chǎn)生的不連續(xù)引起。一般在6號低頻160kHz絕對通道垂直分量上顯示，開口閉合，需放大才會開口，不呈8字形顯示，磨損信號如圖12所示。圖12磨損信號（4）凹痕信號主要是由工件內(nèi)表面或外表面因軋制或碰撞產(chǎn)生的凹坑引起。通常在主頻率630kHz差分通道上顯示，信號基本在水平方向，形成8字形信號。內(nèi)表面凹痕相位在0°附近，深度越大，相位越大；外表面凹痕相位在180°附近，深度越大，相位越小。凹痕信號如圖13和圖14所示。圖13內(nèi)表面凹痕信號圖14外表面凹痕信號（5）壁厚減薄信號主要是軋制過程中芯棒偏移導(dǎo)致厚度不均勻面引起。信號類似于8字形，在1、3、5通道上顯示，相位隨頻率減小逐漸增大，且增大的更快。一般在之前的直管自動超聲測厚工序中即會被發(fā)現(xiàn)并去除。壁厚減薄信號如圖15所示。圖15壁厚減薄信號（6）折疊信號一般是軋制時產(chǎn)生的裂紋、扎傷或擦傷在后續(xù)的冷軋中被疊壓在鋼管表面上又未熔合成牢固的金屬重疊而引起的。信號為扁平的8字形，通常在1、3、5通道上水平分量較大，相位通常為12°左右，根據(jù)折疊深度而略有變化。通常在之前直管內(nèi)渦流檢測工序時就會發(fā)現(xiàn)并去除。折疊信號如圖16所示。圖16折疊信號（7）停機(jī)信號主要是因?yàn)檐垯C(jī)突然停機(jī)而產(chǎn)生，一般發(fā)生在端部，在1、3、5通道水平分量上顯示較大信號。停機(jī)信號如圖17所示。圖17停機(jī)信號（8）彎管處正切信號是因?yàn)閺澒鼙诤褡兓a(chǎn)生，在直管和彎管連接的兩端都產(chǎn)生了較大的水平分量信號。對于記錄彎管處正切信號的管子，可采用目視或者接觸檢測的方法檢查有無異常，并將結(jié)果記入電子分析報(bào)告。彎管處正切信號如圖18所示。圖18彎管處正切信號制造廠皮爾格軋制管的驗(yàn)收要求如表1所示。另外，實(shí)施彎管內(nèi)渦流檢測時還應(yīng)注意如下事項(xiàng)：（1）通常數(shù)據(jù)分析由3種分析人員實(shí)施，分別為一次分析人員、二次分析人員和決議分析人員。所有的數(shù)據(jù)必須在一次分析和二次分析后，由決議人員審核并決議出最終的分析結(jié)果。（2）應(yīng)控制采樣率和采集速度，一般要求每英寸（25.4mm）不少于30個采樣點(diǎn)。探頭采集數(shù)據(jù)的速度應(yīng)盡量保持均勻，并采用回拉的方式，這種方式受阻力變化較小，速度也較為穩(wěn)定。（3）對于小彎管渦流數(shù)據(jù)采集，應(yīng)至少分兩次進(jìn)行。第一次采集彎管區(qū)和標(biāo)識端直管段處數(shù)據(jù)，起始點(diǎn)應(yīng)包括彎管非標(biāo)識端切向過渡點(diǎn)，在探頭回拉時進(jìn)行采集，至管子標(biāo)識端結(jié)束；第二次采集彎管區(qū)和非標(biāo)識直管段處數(shù)據(jù)，起始點(diǎn)應(yīng)包括彎管標(biāo)識端切向過渡點(diǎn)，探頭回拉時記錄采集數(shù)據(jù)，至管子非標(biāo)識端結(jié)束。表1皮爾格軋制管的驗(yàn)收要求5整體消應(yīng)力熱處理對內(nèi)渦流檢測信號的影響傳熱管在制造過程中，R＜300mmU形管，如第1～17排U形傳熱管，在冷彎時如果變形量過大，可能產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，因此需要進(jìn)行整體消應(yīng)力熱處理（RST），而其余R≥300mm的U形管則不需要消應(yīng)力熱處理。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，采用電極加熱的局部熱處理方法對彎管段進(jìn)行消應(yīng)力熱處理時，在熱處理過渡區(qū)存在工藝加工信號。針對整體消應(yīng)力熱處理是否產(chǎn)生新的工藝信號，是否對原有內(nèi)渦流信號有影響以及內(nèi)渦流檢測時機(jī)是選擇在消應(yīng)力熱處理之前還是之后的問題，筆者通過對比試驗(yàn)對其進(jìn)行了研究。對R＜300mm的U形管，分別在整體消應(yīng)力熱處理前后采集數(shù)據(jù)，研究整體消應(yīng)力熱處理前后內(nèi)渦流數(shù)據(jù)的差異，分析整體消應(yīng)力熱處理是否給渦流檢測信號帶來變化。在差分通道上將標(biāo)準(zhǔn)管上Φ1.32mm通孔相位設(shè)置為40°，絕對通道上Φ1.32mm通孔噪聲設(shè)置為水平。主頻差分通道上將4個20%平底槽幅值設(shè)置為4V，并進(jìn)行歸一化。隨機(jī)選取1~17排中7個彎管半徑的U形傳熱管，在消應(yīng)力處理前進(jìn)行U形管內(nèi)渦流信號的采集，采集過程中按照管材標(biāo)識逐一做好記錄，消應(yīng)力處理后采用與之前相同的設(shè)備等條件重新按照管號標(biāo)識進(jìn)行彎管內(nèi)渦流數(shù)據(jù)采集。部分U形傳熱管在消應(yīng)力前后的內(nèi)渦流信號對比如圖19所示。圖19部分U形傳熱管在消應(yīng)力前后的內(nèi)渦流信號對比隨機(jī)選取7個不同彎曲半徑的U形傳熱管在消應(yīng)力熱處理前后的采集數(shù)據(jù)，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和匯總，由結(jié)果可以看出，整體消應(yīng)力熱處理工藝對內(nèi)渦流信號基本無影響，幅值和相位的變化也都在標(biāo)準(zhǔn)偏離范圍內(nèi)，同時也沒有出現(xiàn)因熱處理而產(chǎn)生的工藝信號（按照標(biāo)準(zhǔn)NB/T20003.6—2010《核電廠核島機(jī)械設(shè)備無損檢測第6部分管材制品渦流檢測》規(guī)定，幅值漂移≤±10%、相位漂移≤±2°）。另外利用分析軟件對這7組U形傳熱管未變形的直管段也進(jìn)行了消應(yīng)力熱處理前后的信噪比自動測量，對比發(fā)現(xiàn)噪聲水平?jīng)]有改變，幾乎一致。U形傳熱管中隨機(jī)抽取的試樣不管是同一位置還是直管段的同一區(qū)段，消應(yīng)力熱處理前后的內(nèi)渦流采集數(shù)據(jù)都沒有顯著變化，說明整體消應(yīng)力處理對傳熱管內(nèi)渦流信號基本無影響，內(nèi)渦流檢測時機(jī)可以選擇在整體消應(yīng)力熱處理之前，也可以在之后。結(jié)束語對蒸汽發(fā)生器用690鎳基合金傳熱管制造過程中的渦流檢測方法進(jìn)行介紹，并研究了整體消應(yīng)力熱處理對渦流檢測的影響，得出以下結(jié)論：（1）直