蒸汽发生器传热管结垢厚度的涡流检测方法与应用

姚传党，夏清友，王家建，曾玉华，刘 欣

(中核武汉核电运行技术股份有限公司，湖北武汉430223)

蒸汽发生器传热管结垢厚度的涡流检测方法与应用

姚传党，夏清友，王家建，曾玉华，刘 欣

(中核武汉核电运行技术股份有限公司，湖北武汉430223)

蒸汽发生器二回路中有较多的沉积物存在并危害传热管安全，利用涡流检测方法可以对传热管二次侧泥渣进行有效检测。通过模拟传热管结垢的不同厚度并进行实验，可获得厚度与幅值的对应关系。本文描述了对蒸汽发生器传热管结垢的检测方法及幅值与厚度的对应关系，为统计蒸汽发生器传热管外壁结垢情况提供了较为有效的参考基准量。

涡流检测；蒸汽发生器；传热管；泥渣；结垢

图1 蒸汽发生器整体结构及管板结构图Fig.1 Steam generator structure andtubesheet composition

蒸汽发生器是核电站一回路压力边界完整性的关键部件。以法国法马通公司设计的55/19B型立式自然循环蒸汽发生器为例，主要由下封头、管板、U形管束、汽水分离装置及筒体组件组成。蒸汽发生器管板可以划分为三个区域：管板中心管廊区、管板管间区和管板外管廊区，其进水侧为“热侧”，出水侧为“冷侧”。蒸汽发生器在热交换过程中，将一回路的热量传给二回路冷却剂，使其产生饱和蒸汽并供给二回路动力装置。蒸汽发生器的热交换发生在传热管表面，其换热面积约为5435m2。由于二回路设备中使用了较多的碳钢和低合金钢材料，而碳钢被水氧化后形成的Fe3O4是一种体积很大的氧化物，形成的氧化层剥落后，将产生大量的沉积物并进入蒸汽发生器二回路的水介质中。经过蒸发、浓缩，这些沉积物逐渐积累并附着于传热管外壁，形成结垢层。结垢可导致传热管材料发生各种类型的腐蚀，并严重影响蒸汽发生器的完整性、热效率和水位控制。Fe3O4常温时具有强的亚磁铁性与颇高的导电率，有资料表明蒸汽发生器传热管表面的沉积物主要是Fe3O4[1]。鉴于沉积物的电磁特性加上涡流低频有较好的渗透深度及检测传热管外壁附着物的能力，可使用涡流方法对传热管外壁表面的结垢进行检测，并给出外壁结垢厚度及位置。对一台蒸汽发生器中的全部传热管进行结垢检测，有助于统计传热管外壁的结垢分布，并了解蒸汽发生器的运行状况。目前的视频检查方法仅适用于对蒸汽发生器管板中心管廊区、管板外管廊区和管板管间区的泥渣沉积检查[2]，且不能对传热管外壁结垢厚度进行量化测量。

1 结垢的检测方法

1.1 基本原理

由于泥渣及结垢成分主要为Fe3O4，具有较高的导电率，适合使用涡流方法进行传热管外壁结垢的检测。因金属表面感应的涡流的渗透深度随频率而异，激励频率降低，涡流渗透深度增加，所以应选用较低的涡流激励频率对传热管外壁结垢厚度进行测量。

1.2 探头及频率选择

核电站蒸汽发生器传热管的涡流检验期间，一般选用轴绕式探头并设置一组不同的检测频率进行传热管材质缺陷的检验工作，其中包括检验管板泥渣沉积区及支撑定位所使用的低频。由于涡流检测方法具有集肤效应，且通过对比图2中550kHz及20kHz绝对通道长条图信号可以确认，低频能更好地反应出结垢变化。因此可选用轴绕式探头及相应的涡流低频进行结垢测量工作。

以国内某核电站的法马通55/19B型立式蒸汽发生器为例，其传热管涡流检验过程中所使用的探头为轴绕式中频磁饱和探头，使用的低频分别为20kHz的差分通道及20kHz的绝对通道。因绝对通道对传热管材质及外壁结垢等缓慢变化有较好的检出灵敏度，故选择20kHz绝对通道用于传热管外壁的结垢分析测量工作(该方法同样适用于管板二次侧泥渣区泥渣堆积高度的测量)。从图2中可看出，TSP1-TSP2见有明显的传热管外壁结垢情况。

图2 TSP1结垢信号Fig.2 Sludge signal on TSP1

1.3 信号标定

为了使传热管外壁结垢信号能更好地辨识及检出，并使得测量幅值保持一致性，需对结垢信号进行相位调整及标定幅值的处理。首先，调整20kHz绝对通道信号支撑板幅度为满屏50%，并调整该通道泥渣信号相位为垂直(此时支撑板信号相位约为150°)。调节后的结垢信号如图3所示，其结垢信号在垂直分量上将获得最大值，使得结垢信号易于检测。选取标定管中30%环槽的低频涡流信号进行标定，并设置其幅值为30V。30%环槽及标定深度对照表见图4。

图3 结垢信号调整图Fig.3 Sludge signal setup

图4 标定管示意图及深度对照表

Fig.4 Calibration standard sketch

1.4 信号标定

检测过程中，对传热管结垢的低频涡流信号垂直分量进行检测，记录信号幅值及位置，便可得到传热管外壁上的结垢信息。传热管表面结垢一般呈连续缓慢变化(结垢厚度在管壁上也呈连续缓慢变化)。通常对结垢位置进行的单点幅值测量方法，无法给出结垢的准确幅值(该方法只能获得测量位置处邻近两点的结垢垂直分量的相对变化量，无法获得该位置垂直分量的绝对变化量)。因此，测量过程中需将结垢测量点与无结垢区进行比较测量。传热管表面无结垢区域通常在冷端TSP3-TSP4之间，信号图见图2。利用CNPO 的CEddy-ANA涡流分析软件，对结垢信号进行比较测量，便可得到每处结垢的幅值及相对于邻近支撑结构的相对位置。

2 结垢幅值与厚度试验

2.1 试验过程

以轴绕式涡流探头检测传热管外壁结垢为例，其获得的结垢信息表征为该位置管壁周向的整体效应。其测量幅值表征该处圆周上的整体泥渣结垢体积的大小。因幅值与体积成正比，因此幅值越大，结垢体积则越大。

传热管外壁结垢一般呈片状(不同于管板、支撑板等位置的泥渣沉积区)，并沿传热管表面周向分布(周向局部或整周分布)。为了模拟结垢的片状分布，试验过程中采用一般化处理，仅模拟整圆周的结垢分布情况，并在轴向长度上不低于40mm(远大于检测线圈的磁场宽度，使得结垢幅值变化仅与厚度变化正相关)。

为便于将泥渣覆于试验管外壁进行模拟试验，试验期间加工了不同规格套管，套管为不导电材料加工制成，如图5所示。在套管与管壁外侧的缝隙间进行泥渣装填使泥渣试样均匀分布在传热管外表面，以模拟不同厚度的周向结垢情况。通过改变d值大小，从而使得附着于试验管外壁泥渣厚度t随之改变。试验过程中共加工了44个套管，经过实际测量，其厚度分布在0.145～7.075mm的区间范围内。使用套管将泥渣环绕于试验管外壁(泥渣高度为40mm)，其泥渣厚度t从不等，分别对不同厚度泥渣环绕的试验管进行数据采集并测量分析。

图5 套管示意图Fig.5 Annular tube sketch

(1)

式中：t——泥渣厚度，mm；

d——套管内径，mm。

注：本次试验中所使用的泥渣为蒸汽发生器二次侧的实际泥渣。

2.2 试验结果

按照1.3节的标定方法对涡流检查系统进行标定，并对44个不同厚度泥渣试样进行数据采集、测量与分析得出一系列结果。通过测的得试验结果可以得出一组泥渣厚度及幅值的离散点，其横坐标为结垢幅值，纵坐标为模拟的结垢厚度，如图6所示。

图6 泥渣厚度—幅值对应曲线Fig.6 Sludge thickness-amplitude corresponding curve

利用最小二乘法对离散点进行数据拟合后，可得到整周分布状态下，结垢厚度与幅值的对应曲线及函数关系，其函数关系式为：

泥查厚度：f(x)=0.191 7×x-

0.012 3×x2+0.000 3×x3

(2)

式中：x——幅值，V；

f(x)——泥渣厚度，mm。

注：该函数关系式仅在上述模拟情况及数学处理方法条件下有效。

由图6可知，随着模拟结垢厚度的增加，幅值变化趋于不变。因涡流密度随渗透深度的增加逐渐减小，当模拟结垢厚度增加至某一界限值后，厚度变化将不再影响涡流磁场的变化。

3 方法的应用

该方法在国内某核电站的十年大修蒸汽发生器传热管100%检验过程中进行了首次应用。结合模拟的结垢函数关系及实际测量结果，该核电站蒸汽发生器传热管外壁结垢最大厚度的计算值约为0.6mm。经统计，整台蒸汽发生器传热管外壁的结垢主要分布在分流板至第2支撑板和热侧第6～9支撑板之间。对冷侧第1～2支撑板间的结垢情况进行视频检查后，视频检查结果与涡流方法的测量结果基本吻合。

4 结论

结合上述检测方法、试验以及实际检验结果可得出以下结论：

(1) 涡流检测方法低频对检测管材外壁结垢有较好的检测能力。只需对获得的传热管涡流数据进行二次分析便可得到结垢在传热管表面的分布情况，无需进行单独的检查工作。该方法快速有效且不受环境影响，是目前已知全部传热管结垢情况的最有效手段。

(2) 使用涡流检测方法对管材外壁结垢的研究可以有效补充视频检查的盲区，并适合对结垢厚度进行量化计算。

(3) 涡流检测方法可对蒸汽发生器传热管进行多周期的监测与对比，则可得到结垢的变化情况，并具有较强的追溯性及可对比性。

图7 某核电站蒸汽发生器结垢情况Fig.7 Sludge situation of steam generator in one of nuclear power plants

[1] 孔祥纯等.蒸汽发生器沉积物模拟垢样制备研究.中国科学技术进展报告，2011.782

[2] 李江等.蒸汽发生器二次侧管板视频检查及检查装置的近期发展.第十届无损检测学会年会论文集，2013.1186

The Eddy Current Testing Method and Application in theHeat Transfer Tube Fouling of Steam Generator

YAO Chuan-dang，XIA Qing-you，WANG Jia-jian，ZENG Yu-hua，LIU Xin，

(China Nuclear Power Operation Technology Corporation Wuhan of Hubei Prov.430223，China)

There are much sediment in secondary circuit of the steam generator and endanger the safety of the tubes，the eddy current testing method can effectively detect the sludge of the secondary side.Through the experiment of simulating different thickness of fouling，get the corresponding relation of thickness and amplitude.This article describes the detection method of fouling in the tube of steam generator，and the relationship between the amplitude and the thickness，which provides an effective reference for the heat transfer tube fouling of steam generator.

Eddy Current Testing；Steam Generator；Tube Sludge；Fouling

2016-04-08

姚传党(1987—)，男，河南濮阳，助理工程师，现主要从事核设备无损检验技术研究和检查工作

TL4

A

0258-0918(2017)01-0012-05