蒸汽發(fā)生器傳熱管結垢厚度的渦流檢測方法與應用

姚傳黨，夏清友，王家建，曾玉華，劉 欣

(中核武漢核電運行技術股份有限公司，湖北武漢430223)

蒸汽發(fā)生器傳熱管結垢厚度的渦流檢測方法與應用

姚傳黨，夏清友，王家建，曾玉華，劉 欣

(中核武漢核電運行技術股份有限公司，湖北武漢430223)

蒸汽發(fā)生器二回路中有較多的沉積物存在并危害傳熱管安全，利用渦流檢測方法可以對傳熱管二次側泥渣進行有效檢測。通過模擬傳熱管結垢的不同厚度并進行實驗，可獲得厚度與幅值的對應關系。本文描述了對蒸汽發(fā)生器傳熱管結垢的檢測方法及幅值與厚度的對應關系，為統(tǒng)計蒸汽發(fā)生器傳熱管外壁結垢情況提供了較為有效的參考基準量。

渦流檢測；蒸汽發(fā)生器；傳熱管；泥渣；結垢

圖1 蒸汽發(fā)生器整體結構及管板結構圖Fig.1 Steam generator structure andtubesheet composition

蒸汽發(fā)生器是核電站一回路壓力邊界完整性的關鍵部件。以法國法馬通公司設計的55/19B型立式自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器為例，主要由下封頭、管板、U形管束、汽水分離裝置及筒體組件組成。蒸汽發(fā)生器管板可以劃分為三個區(qū)域：管板中心管廊區(qū)、管板管間區(qū)和管板外管廊區(qū)，其進水側為“熱側”，出水側為“冷側”。蒸汽發(fā)生器在熱交換過程中，將一回路的熱量傳給二回路冷卻劑，使其產(chǎn)生飽和蒸汽并供給二回路動力裝置。蒸汽發(fā)生器的熱交換發(fā)生在傳熱管表面，其換熱面積約為5435m2。由于二回路設備中使用了較多的碳鋼和低合金鋼材料，而碳鋼被水氧化后形成的Fe3O4是一種體積很大的氧化物，形成的氧化層剝落后，將產(chǎn)生大量的沉積物并進入蒸汽發(fā)生器二回路的水介質中。經(jīng)過蒸發(fā)、濃縮，這些沉積物逐漸積累并附著于傳熱管外壁，形成結垢層。結垢可導致傳熱管材料發(fā)生各種類型的腐蝕，并嚴重影響蒸汽發(fā)生器的完整性、熱效率和水位控制。Fe3O4常溫時具有強的亞磁鐵性與頗高的導電率，有資料表明蒸汽發(fā)生器傳熱管表面的沉積物主要是Fe3O4[1]。鑒于沉積物的電磁特性加上渦流低頻有較好的滲透深度及檢測傳熱管外壁附著物的能力，可使用渦流方法對傳熱管外壁表面的結垢進行檢測，并給出外壁結垢厚度及位置。對一臺蒸汽發(fā)生器中的全部傳熱管進行結垢檢測，有助于統(tǒng)計傳熱管外壁的結垢分布，并了解蒸汽發(fā)生器的運行狀況。目前的視頻檢查方法僅適用于對蒸汽發(fā)生器管板中心管廊區(qū)、管板外管廊區(qū)和管板管間區(qū)的泥渣沉積檢查[2]，且不能對傳熱管外壁結垢厚度進行量化測量。

1 結垢的檢測方法

1.1 基本原理

由于泥渣及結垢成分主要為Fe3O4，具有較高的導電率，適合使用渦流方法進行傳熱管外壁結垢的檢測。因金屬表面感應的渦流的滲透深度隨頻率而異，激勵頻率降低，渦流滲透深度增加，所以應選用較低的渦流激勵頻率對傳熱管外壁結垢厚度進行測量。

1.2 探頭及頻率選擇

核電站蒸汽發(fā)生器傳熱管的渦流檢驗期間，一般選用軸繞式探頭并設置一組不同的檢測頻率進行傳熱管材質缺陷的檢驗工作，其中包括檢驗管板泥渣沉積區(qū)及支撐定位所使用的低頻。由于渦流檢測方法具有集膚效應，且通過對比圖2中550kHz及20kHz絕對通道長條圖信號可以確認，低頻能更好地反應出結垢變化。因此可選用軸繞式探頭及相應的渦流低頻進行結垢測量工作。

以國內某核電站的法馬通55/19B型立式蒸汽發(fā)生器為例，其傳熱管渦流檢驗過程中所使用的探頭為軸繞式中頻磁飽和探頭，使用的低頻分別為20kHz的差分通道及20kHz的絕對通道。因絕對通道對傳熱管材質及外壁結垢等緩慢變化有較好的檢出靈敏度，故選擇20kHz絕對通道用于傳熱管外壁的結垢分析測量工作(該方法同樣適用于管板二次側泥渣區(qū)泥渣堆積高度的測量)。從圖2中可看出，TSP1-TSP2見有明顯的傳熱管外壁結垢情況。

圖2 TSP1結垢信號Fig.2 Sludge signal on TSP1

1.3 信號標定

為了使傳熱管外壁結垢信號能更好地辨識及檢出，并使得測量幅值保持一致性，需對結垢信號進行相位調整及標定幅值的處理。首先，調整20kHz絕對通道信號支撐板幅度為滿屏50%，并調整該通道泥渣信號相位為垂直(此時支撐板信號相位約為150°)。調節(jié)后的結垢信號如圖3所示，其結垢信號在垂直分量上將獲得最大值，使得結垢信號易于檢測。選取標定管中30%環(huán)槽的低頻渦流信號進行標定，并設置其幅值為30V。30%環(huán)槽及標定深度對照表見圖4。

圖3 結垢信號調整圖Fig.3 Sludge signal setup

圖4 標定管示意圖及深度對照表

Fig.4 Calibration standard sketch

1.4 信號標定

檢測過程中，對傳熱管結垢的低頻渦流信號垂直分量進行檢測，記錄信號幅值及位置，便可得到傳熱管外壁上的結垢信息。傳熱管表面結垢一般呈連續(xù)緩慢變化(結垢厚度在管壁上也呈連續(xù)緩慢變化)。通常對結垢位置進行的單點幅值測量方法，無法給出結垢的準確幅值(該方法只能獲得測量位置處鄰近兩點的結垢垂直分量的相對變化量，無法獲得該位置垂直分量的絕對變化量)。因此，測量過程中需將結垢測量點與無結垢區(qū)進行比較測量。傳熱管表面無結垢區(qū)域通常在冷端TSP3-TSP4之間，信號圖見圖2。利用CNPO 的CEddy-ANA渦流分析軟件，對結垢信號進行比較測量，便可得到每處結垢的幅值及相對于鄰近支撐結構的相對位置。

2 結垢幅值與厚度試驗

2.1 試驗過程

以軸繞式渦流探頭檢測傳熱管外壁結垢為例，其獲得的結垢信息表征為該位置管壁周向的整體效應。其測量幅值表征該處圓周上的整體泥渣結垢體積的大小。因幅值與體積成正比，因此幅值越大，結垢體積則越大。

傳熱管外壁結垢一般呈片狀(不同于管板、支撐板等位置的泥渣沉積區(qū))，并沿傳熱管表面周向分布(周向局部或整周分布)。為了模擬結垢的片狀分布，試驗過程中采用一般化處理，僅模擬整圓周的結垢分布情況，并在軸向長度上不低于40mm(遠大于檢測線圈的磁場寬度，使得結垢幅值變化僅與厚度變化正相關)。

為便于將泥渣覆于試驗管外壁進行模擬試驗，試驗期間加工了不同規(guī)格套管，套管為不導電材料加工制成，如圖5所示。在套管與管壁外側的縫隙間進行泥渣裝填使泥渣試樣均勻分布在傳熱管外表面，以模擬不同厚度的周向結垢情況。通過改變d值大小，從而使得附著于試驗管外壁泥渣厚度t隨之改變。試驗過程中共加工了44個套管，經(jīng)過實際測量，其厚度分布在0.145～7.075mm的區(qū)間范圍內。使用套管將泥渣環(huán)繞于試驗管外壁(泥渣高度為40mm)，其泥渣厚度t從不等，分別對不同厚度泥渣環(huán)繞的試驗管進行數(shù)據(jù)采集并測量分析。

圖5 套管示意圖Fig.5 Annular tube sketch

(1)

式中：t——泥渣厚度，mm；

d——套管內徑，mm。

注：本次試驗中所使用的泥渣為蒸汽發(fā)生器二次側的實際泥渣。

2.2 試驗結果

按照1.3節(jié)的標定方法對渦流檢查系統(tǒng)進行標定，并對44個不同厚度泥渣試樣進行數(shù)據(jù)采集、測量與分析得出一系列結果。通過測的得試驗結果可以得出一組泥渣厚度及幅值的離散點，其橫坐標為結垢幅值，縱坐標為模擬的結垢厚度，如圖6所示。

圖6 泥渣厚度—幅值對應曲線Fig.6 Sludge thickness-amplitude corresponding curve

利用最小二乘法對離散點進行數(shù)據(jù)擬合后，可得到整周分布狀態(tài)下，結垢厚度與幅值的對應曲線及函數(shù)關系，其函數(shù)關系式為：

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：該函數(shù)關系式僅在上述模擬情況及數(shù)學處理方法條件下有效。

由圖6可知，隨著模擬結垢厚度的增加，幅值變化趨于不變。因渦流密度隨滲透深度的增加逐漸減小，當模擬結垢厚度增加至某一界限值后，厚度變化將不再影響渦流磁場的變化。

3 方法的應用

該方法在國內某核電站的十年大修蒸汽發(fā)生器傳熱管100%檢驗過程中進行了首次應用。結合模擬的結垢函數(shù)關系及實際測量結果，該核電站蒸汽發(fā)生器傳熱管外壁結垢最大厚度的計算值約為0.6mm。經(jīng)統(tǒng)計，整臺蒸汽發(fā)生器傳熱管外壁的結垢主要分布在分流板至第2支撐板和熱側第6～9支撐板之間。對冷側第1～2支撐板間的結垢情況進行視頻檢查后，視頻檢查結果與渦流方法的測量結果基本吻合。

4 結論

結合上述檢測方法、試驗以及實際檢驗結果可得出以下結論：

(1) 渦流檢測方法低頻對檢測管材外壁結垢有較好的檢測能力。只需對獲得的傳熱管渦流數(shù)據(jù)進行二次分析便可得到結垢在傳熱管表面的分布情況，無需進行單獨的檢查工作。該方法快速有效且不受環(huán)境影響，是目前已知全部傳熱管結垢情況的最有效手段。

(2) 使用渦流檢測方法對管材外壁結垢的研究可以有效補充視頻檢查的盲區(qū)，并適合對結垢厚度進行量化計算。

(3) 渦流檢測方法可對蒸汽發(fā)生器傳熱管進行多周期的監(jiān)測與對比，則可得到結垢的變化情況，并具有較強的追溯性及可對比性。

圖7 某核電站蒸汽發(fā)生器結垢情況Fig.7 Sludge situation of steam generator in one of nuclear power plants

[1] 孔祥純等.蒸汽發(fā)生器沉積物模擬垢樣制備研究.中國科學技術進展報告，2011.782

[2] 李江等.蒸汽發(fā)生器二次側管板視頻檢查及檢查裝置的近期發(fā)展.第十屆無損檢測學會年會論文集，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

姚傳黨(1987—)，男，河南濮陽，助理工程師，現(xiàn)主要從事核設備無損檢驗技術研究和檢查工作

TL4

A

0258-0918(2017)01-0012-05