编辑：无损检测证书挂靠网 时间：2025-03-10 20:56:00
作者简介：潘建浩（1983—）,男,本科,工程师,主要从事核电站在役蒸汽发生器涡流检测工作
蒸汽发生器在整个核动力装置中起着重要作用,不仅是传递热量的关键设备,也是一道重要的安全屏障,能够防止一回路中的辐射性介质扩散到二回路和外部环境中。蒸汽发生器内部传热管的损坏常常会影响整个设备的运行,从而带来很大的安全隐患,影响到整个核装置的经济性与安全性[1]。
支撑板及抗振条作为传热管的管束组件,支撑板的主要功能是防止传热管直管段的过度振动,抗振条则主要是对传热管的弯管段进行固定以防止其振动。文章主要对抗振条和传热管之间的距离与涡流信号之间的关系进行分析。
抗振条呈V形,其弯曲处搭接在特定排数的传热管上,对传热管有防振作用,传热管与抗振条在蒸汽发生器中的位置示意如图1所示。部分机组随着股役年限的增长而出现结构磨损,进而出现堵管的现象,若堵管数量较多会影响核电站的运行功率,故在蒸汽发生器的安装与运行过程中对于传热管与抗振条的间隙有着严格要求。在安装阶段,可以使用塞尺等工具对其间隙距离进行测量,但在设备运行时,由于蒸汽发生器的结构特殊性,使用常规方法无法进行测量[2]。
在役检查中,需要对蒸汽发生器的所有传热管进行检查,考虑到涡流检测具有较高的检测灵敏度,故使用该方法对传热管-抗振条的间隙进行测量,进而分析传热管与抗振条的间隙距离和涡流信号之间的关系,以此得到在使用Bobbin探头时可直接测量抗振条间隙的推荐排数范围。
针对蒸汽发生器传热管的特点,准备相应的Bobbin探头、标定样管及抗振条试件来对特定排数的传热管（不同排数的传热管长度及弯管段的曲率半径不同,排号大的传热管曲率半径较大）进行检测试验。
蒸汽发生器传热管均采用内穿式探头进行检测,此次间隙测量也使用内穿式常规Bobbin探头进行测量,确定Bobbin探头在测量过程中的最小距离与最大距离。因为传热管上下两侧均有抗振条,且排号越大的传热管和上下两侧的抗振条越靠近,因此需要对Bobbin探头轴向方向的分辨能力进行测量[3]。
半无限大导体表面x深度处的涡流密度为
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式中：I0为半无限大导体表面的涡流密度；f为交流电流的频率；μ为材料的磁导率；σ为材料的电导率。
当传热管与抗振条的间距变大时,由式（1）可知,距离越大,涡流密度越小。所以,对于传热管-抗振条间隙来说,接近间距越小,所采集的信号幅值越大[4]。即传热管-抗振条间隙信号幅值的大小与接近间距呈反比[5]。因此,可以将不同间距的信号幅值拟合为抗振条-传热管的距离和幅值关系曲线。
不同类型蒸汽发生器的抗振条数量（组数）不尽相同,试验采用了有7组抗振条的蒸汽发生器,其抗振条端部与传热管的接触方式示意如图2所示。
传热管在U形管直管段处使用塞尺将其隔开,以塞尺的特定厚度来设定传热管-抗振条间隙的大小,再进行数据采集,得出其间隙变化与涡流信号之间的对应关系（涡流信号采用幅值法分析）,具体试验步骤如下。
（1）将传热管固定在台架上,传热管与抗振条的材料及尺寸与实际蒸汽发生器中的材料、尺寸一致。
（2）使用塞尺控制传热管与抗振条的间隙距离,调整传热管与传热管上单侧抗振条的间隙依次为0,0.05,0.1,0.15,…,1.5 mm。
（3）探头标定后,对每个间隙进行数据采集,取其幅值进行记录,根据信号显示选择合适的测量通道,得到涡流数据。
（4）根据采集的数据,得出抗振条间隙距离与涡流信号幅值的关系曲线,如图3所示。
选用R50和R70（50排和70排）的传热管,分别采集不同间隙的传热管-抗振条信号,将两组数据进行对比,结果如图4所示。
由图4可知,两组数据在0.5 mm间隙范围内的最大差异为0.081 6 mm,可以认为不同排数的传热管对试验结果不会产生较大影响,故选用R50传热管进行后续试验。
取R50的弯管段进行对比分析,以塞尺的厚度来设定传热管-抗振条间隙的大小,进行数据采集,测量其幅值,来确定传热管直管段与弯管段间隙测量的区别,具体试验步骤如下。
（1）在传热管的弯管段使用塞尺控制抗振条与传热管的间隙,模拟第一组抗振条,调整两根抗振条的角度,将传热管与传热管上单侧抗振条间隙依次设置为0,0.05,0.1,0.15,…,1.5 mm。
（2） 标定Bobbin探头后,对每个间隙进行数据采集,取其幅值进行记录,由此得到涡流数据。
（3）通过采集的数据,绘制出抗振条间隙距离与涡流信号幅值的关系曲线,如图5所示。
由图5可知,相同间隙下直管段测量的幅值与弯管段的差异过大,平均差异为21%,故直管段无法代表弯管段进行试验。
依据试验方案模拟7组抗振条的排布,对不同夹角不同间隙的抗振条信号进行采集（其中第六及第七组抗振条夹角过小,Bobbin探头无法进行区分）,将得到的测量结果与距离-幅值曲线进行对比,结果如图6所示。
由图6可知,在抗振条间隙小于0.7 mm时,使用传热管弯管段的距离-幅值拟合曲线（y = 0.716 6x2－2.173 3x+3.655 6）测量的误差为－0.125~0.048 mm（根据设计图纸,最终95%的U形管-抗振条径向间隙不超过0.127 mm）,可以认为得出的弯管段距离-幅值响应曲线能够代表不同组抗振条在不同间隙上的一般规律,其判定曲线如图7所示。
测量结果的误差产生原因可能有两方面：一是采集中Bobbin探头在弯管段上存在对中性偏差,导致探头线圈与抗振条的距离发生变化；二是数据分析过程中,弯管段噪声较大,信号框选时很难区分抗振条与噪声信号的界限。但是在测量误差满足要求时,其能够代表抗振条间隙测量的一般规律。
在采集数据的过程中,当两根抗振条接近时,信号的显示会相互干扰（临近方向信号回不到零点,导致幅值偏小）,严重时两根抗振条信号甚至会重合为一个信号,如图8所示。当信号幅值降低20%时,测量误差超过0.2 mm。因此,在测量时的判定幅值降到原幅值80%的情况下,则认为该排数超过了Bobbin探头可测量的范围。
仿真软件可计算传热管之间的位置关系,由试验数据可得出,在第一组抗振条中,传热管在沿抗振条方向前进了900 mm,抗振条信号降低了20%,故将此位置定为第一组抗振条的极限测量排数。传热管位置关系如图9所示,可见,每间隔一排传热管,上下两排传热管中心距离为24.892 mm,竖直方向相邻两排传热管的中点相距12.446 mm。通过计算得出,由零点（50排）向上（1排至164排方向为向上）的位移距离为889.28 mm（见图10）。
由图9,10可知,Bobbin探头实际向上移动了约71排,由于第一组抗振条在测量时以50排为零点,故第一组抗振条的最大可区分排数为121排。同理,分别计算出7组抗振条的可区分排数,结果如表1所示。
| 抗振条组号 | 最小可区分排数 | 最大可区分排数 |
|---|---|---|
| 1 | 1 | 121 |
| 2 | 13 | 103 |
| 3 | 25 | 92 |
| 4 | 36 | 81 |
| 5 | 52 | 80 |
| 6 | — | — |
| 7 | — | — |
由于6组与7组的抗振条夹角较小,两组抗振条间距过近,无法区分两抗振条之间的信号,故不考虑6组与7组抗振条的测量范围。
上述Bobbin探头的测量范围为理论计算结果,实际使用中对于抗振条折弯处及可能产生的抗振条插入深度不够等情况,需要进一步更正测量范围,同时对于抗振条折弯处的间隙测量,没有相应的手段进行对比,无法进行一般规律的模拟测量。对于无法区分的抗振条之间的涡流信号,可以采用旋转探头或者阵列探头进行验证[6]。
对现场采集的蒸汽发生器传热管涡流信号进行随机的二次分析,取靠近直管段的抗振条信号,得到其幅值,以验证前面获得曲线的实用性,数据如表2所示。
| 采集排数 | 幅值/V | 计算间隙/mm |
|---|---|---|
| 100 | 3.85 | 0.086 956 03 |
| 99 | 3.65 | 0.002 578 92 |
| 98 | 3.79 | 0.060 629 38 |
| 97 | 3.62 | 0.016 470 06 |
| 96 | 3.85 | 0.086 956 03 |
| 95 | 3.83 | 0.078 228 77 |
| 94 | 3.65 | 0.002 578 92 |
| 93 | 3.81 | 0.069 453 49 |
| 92 | 3.94 | 0.082 598 35 |
| 91 | 3.69 | 0.015 746 70 |
| 90 | 3.66 | 0.002 023 22 |
将随机试验的传热管-抗振条涡流信号幅值代入公式y = 0.716 6x2－2.173 3x+3.655 6,计算出的间隙均小于0.09 mm,满足关系曲线的特性以及蒸汽发生器的设计要求,证明了曲线的实用性。
使用文章方法对Bobbin探头的传热管-抗振条间隙进行测量试验,得出以下结论。
（1）抗振条距离-幅值判定曲线公式为：y = 0.716 6x2－2.173 3x+3.655 6,测量误差为－0.125~0.048 mm。
（2） Bobbin探头适用的测量排数范围如下：1组抗振条中推荐排数为1至121排；2组抗振条中推荐排数为13至103排；3组抗振条中推荐排数为25至92排；4组抗振条中推荐排数为36至81排；5组抗振条中推荐排数为52至80排；6组及7组抗振条无法使用Bobbin探头进行测量。
（3）在实际抗振条间隙测量的应用过程中,测量误差满足要求的情况下,可以使用Bobbin探头的一般规律进行判定。
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