涡流检测在核电站中的应用

王元辉 肖镇官 刘毅

【摘 要】在我国核电站的高速发展阶段，核电设备可靠安全不容忽视，如何保证核设备的安全则成为重中之重。核电站在服役期间，定期对相关部件进行在役检查，涡流检测作为无损检测方法之一，发挥着其不可替代的作用。本文从涡流检测在蒸汽发生器传热管、反应堆螺栓/螺母、冷凝器钛管等方面，描述了涡流检测在核电厂中的应用。

【关键词】涡流检测;核电厂;无损检测;应用

中图分类号： TM623 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）04-0242-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.04.094

Application of eddy current testing in nuclear power plant

WANG Yuan-hui1，2 XIAO Zhen-guan1，2 LIU Yi1，2

（1.Research Institute of Nuclear Power Operation， Wuhan Hubei 430074， China;

2.China Nuclear Power Operation Technology Co.，Ltd.，Wuhan Hubei 430223， China）

【Abstract】During the rapid development of nuclear power plants in China， the reliability and safety of nuclear power equipment cannot be ignored. As one of the nondestructive testing methods， eddy current testing plays an irreplaceable role in the in-service inspection of relevant components of nuclear power plants. This paper describes the application of eddy current testing in nuclear power plant， Such as the steam generator tubes，  the reactor bolt/nut and the condenser Titanium tubes and so on.

【Key words】Eddy current testing; Nuclear power plant; Nondestructive testing; Application

1 背景

1991年，中国第一座核电站秦山核电站并网发电，结束了我国无核电的历史。历经30年的核电发展，已建成了秦山、田湾、福清、海南等多个运行核电基地。从“潮”起秦山，到“潮”涌海湾，从“国之光荣”到“国之重器”。30年来，中国核电先后建设了30万、60万、70万、100万、VVER、AP1000、华龙一号、快堆，中国核电续写的奇迹每天都在上演，夺目的数据每天都在刷新，成为当之无愧的“国家名片”。

随着核电的稳步发展，装机容量逐年提升，核电机组越来越多。核电站在运行期间，其承压机械部件会受到辐照、温度、压力等多种因素的作用，导致部件材料性能恶化，各种形式的裂纹萌发并扩展，从而对部件的正常运行以及核安全产生重大影响。因此，在核电站服役期间应定期对相关部件进行在役检查，以保证核电站的安全经济运行，降低机组运行期间的故障率提供技术保障。

2 涡流检测概述

涡流检测是无损检测的主要方法之一，也是核电在役检查不可或缺的检查方法之一。涡流检测技术是利用电磁感应原理，通过测定被检工件内感生涡流的变化来无损评定导电材料及其工件的某些性能，或发现缺陷的无损检测方法。

根据线圈的结构主要分为轴绕式探头、点式涡流探头、旋转探头（RPC）等。轴绕式探头是涡流检测中最常见的探头形式，一般用于管材的检验。轴绕式探头用于从管材的内壁侧进行检验或从管材的外壁侧进行检验。此类探头多用于管材、棒材、丝材等的在线检测或出厂检测，是传热管涡流检测中使用最为广泛、检查速度最快、最经济有效的探头种类。

点式涡流探头具有较高的检测灵敏度，通常用于表面及近表面缺陷的检查，也适合于非金属涂层测厚等应用。常见的点式探头结构有平面线圈和柱状线圈两种，分别适用于平面和特殊曲面的检查。 在民用核安全设备涡流检验领域，点式探头已经在压力容器主螺栓/主螺母检查、主泵主轴等部件检查中得到广泛应用。

旋转探头（RPC）实际是点式探头结构的延伸，它以平面线圈（Pancake Coil）或正交线圈（Cross Wind Coil）为基础，附加旋转装置和类似直流电机换向刷的滑刷（Slip Ring），用于实现旋转与直线运动同步进行的螺线形扫查。旋转探头具有极高的检测灵敏度但检测速度大为下降。这种探头通常用于对可疑显示进行三维显示定性确认，并且可以测量缺陷的轴向长度和周向宽度，但不具备对缺陷深度精确定量的能力。

3 在核电站的应用

3.1 蒸汽發生器传热管的检验

蒸汽发生器（Steam Generator）是核电站中的重要设备，承担着一次侧与二次侧的热交换任务，又是防止核泄漏的第二道屏障。蒸汽发生器进行交换热量，主要依靠内部的数千根传热管，换热面积占一回路压力边界总面积的80%以上，其安全重要性不言而喻。传热管的局部腐蚀及机械磨损是导致其承压能力降低而破裂的原因。传热管遭受腐蚀及机械磨损的主要类型包括：一次侧的应力腐蚀、二次侧的应力腐蚀/晶界腐蚀、点蚀、凹痕， 耗蚀、微振磨损、机械损伤等。

因传热管数量比较大，在有限的时间需要完成传热管使用寿命的评估，目前最为快速有效的方法就是涡流检验。蒸发器传热管检查，主要采用了内穿轴绕式线圈（Bobbin）对受检蒸汽发生器传热管进行全长度涡流检验。Bobbin 探头检测技术能快速对传热管缺陷进行检测并确定缺陷深度，但在传热管的胀管过渡区附近有一定的检验盲区，可能会导致胀管过渡区缺陷漏检的风险，从而给蒸汽发生器的使用帶来安全隐患。

为了更有效和可靠地检测出胀管过渡区出现的缺陷，需要使用涡流旋转探头（RPC）检验技术对胀管过渡段进行检查，从而弥补Bobbin探头检验在胀管区存在盲区的缺点，使得在役检查能够覆盖全部传热管的所有区域，充分保证了传热管的安全运行。

3.2 在叶片检测的应用

核电站每个机组汽轮机包含有多个高压缸和低压缸，它们每侧都有几级叶片，叶片均有围带，叶片围带与围带之间通过连接片连成一体，连接片是最易产生缺陷的部位，由于围带连接片的位置较为隐蔽，进行目视检验及渗透检验较为困难，不易发现裂纹，容易产生漏检。为了消除隐患，确保裂纹缺陷准确、可靠的检出率，保证机组的安全运，采用涡流检验方法，可以消除裂纹这种常见缺陷。

检验使用多频涡流仪器，仪器的频率选择范围较宽，有多频检测功能，有显示器、打印机、模拟信号输出、图象存储等多种输出记录功能，可配接各种类型的探头。检验使用差动点式探头，采用采用以下两个频率进行检验， 主检验频率用来检验连接片表面和近表面的缺陷;辅助检验频率可检验到连接片的背面缺陷。标定片为更换下的带有真实缺陷的围带连接片，缺陷为贯穿性裂纹。调整标定片的裂纹涡流信号，调整相位及走向，直至能准确区分凶边缘效应、提离效应、几何形状等非缺陷所产信号。

涡流检验与目视检验相配合，可以使目视检验的灵敏度大大提高。引入涡流检验方法后，通过在涡流检验的记录可疑信号的部位进行重点目视检验，使目视检验的针对性大大增强，避免漏检，将叶片产生的裂纹及其他缺陷检验出，消除汽轮机组运行期间的安全隐患。

3.3 在高压加热器的应用

高压加热器是给水循环的一个重要组成部分，在高压加热器运行期间出现的故障中，热交换器管束泄漏事故是常见的故障的占70%以上，对高压加热器热交换管束的检测十分必要。

高压加热器热交换管材质一般为铁磁性，因此常规涡流（Bobbin）检测不适用，在役监督、检测的最有效手段就是远场涡流检测技术，它是基于远场涡流效应的一种检测技术，内置式探头置于被检测钢管内，探头上有一个激励线圈和一个（或两个）检测线圈（图1）。除了具有一般涡流检测的优点以外，对铁磁性导电管的内外壁损失具有相同的灵敏度，而且不受集肤效应的限制，便能使用一个探头检查出凹坑、裂纹和壁厚减薄等缺陷，有效预防热交换管的泄漏，保障高压加热器安全运行。

制作对比试样的管材与被检热交换管应为同批次，相同材质。在对比试样上加工不同的人工缺陷，例如通孔、不同深度和宽度的环形槽来模拟实际磨损缺陷等。在数据分析时，根据相位进行分析评判，准确对热交换管进行评估，保证高价加热器的运行安全。

3.4 在冷凝器等换热器的应用

冷凝器换热管在常规火电厂和核能电厂中都是蒸汽侧与冷却水侧的分水岭，主要用于已完成发电的残余热量与海水进行热交换，使蒸汽凝结成水后重新进入循环。根据各核电站发电机组功率大小及设计的不同，凝汽器换热管的数量和尺寸也各不相同，壁厚0.6-0.7mm左右，长度约16m，数量约数千根。

换热管处于蒸汽侧与冷却水侧之间，为了有效地将蒸汽中的热量带走，必须在满足工况的条件下尽可能采用薄壁管， 同时根据所采用冷却水情况选择不同材质的管材，在核电厂一般选用钛管。由于换热管本身比较薄，经历一段时间运行后，换热管会出现壁厚减薄、磨损、凹陷等各种形式引起的泄漏现象。一旦出现泄漏，电厂一般都被迫降低功率停用堵管以免影响蒸汽侧水的品质。

根据凝汽器钛管的特点，其在役检查一般采用多频涡流技术，使用内插式探头进行检查。一般从进水侧水室由人工对钛管进行定位并拉拔探头，在探头拉出的过程中完成数据采集，然后由数据分析工作站远程调用采集好的涡流数据完成数据分析。

冷凝器换热管使用涡流检测技术进行检验，可以检测出换热管的凹陷、裂纹、冲蚀的凹坑、壁厚减薄等缺陷，切实保证换热管的安全使用。

3.5 在螺栓螺母的应用

反应堆压力容器主螺栓/主螺母是固定反应堆压力容器本体和顶盖的承力部件，长期在高温高压辐照环境下运行，使用条件十分恶劣，是核动力装置中重要的承压易损部件，属检验规范规定的必检部件。

主螺栓一般为双头螺栓，上部有供螺栓安装和拆卸用的拉伸螺纹。其规格从M90到M160不等，长度大约1至2米，材料一般为碳钢，属于铁磁性材料。一般有两段紧固螺纹和一段拉伸用螺纹。在役运行中的螺栓/螺母螺纹区的主要缺陷形式有应力裂纹、氧化腐蚀、材料移位、变形（冲击、敲击）、磨损、过厚、加工缺陷、材料缺损、本底噪声等。

涡流探头为带螺纹的楔型点式探头，能较好的适应螺纹区的形状，使探头对螺纹根部的裂纹具有较高的检测能力，以满足规范要求的检测灵敏度。因此通过严格的质量控制和定期检测，确保其高效安全的运行。

4 结论

涡流检测在核电站不仅在上述设备中运用，还应用于反应堆中子通量测量指形套管、设备冷却水热交换器、汽水分离再热器、反应堆压力容器堆焊层、反应堆压力容器顶部贯穿件、控制棒束组件（RCCA）、底封头贯穿件、CRDM密封焊缝、主泵主轴等。

随着核电机组的增加，涡流检测技术也在快速进步发展，比如阵列检测技术、脉冲涡流检测技术等的研究。随着涡流检测技术的研究，在检测灵敏度、定量等各方面都会有一定的提高，其应用也会越来越广泛。

【参考文献】

[1]徐可北，周俊华.涡流检测[M].北京：机械工业出版社，2004.

[2]王琛，等.涡流检验在汽轮机转子围带连接片上的应用[J].第十届全国电站焊接学术研讨会，349-350.