核電站役前和在役檢查中的聲發(fā)射檢測(cè)

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(1.中廣核檢測(cè)技術(shù)有限公司，蘇州 215026;2.大亞灣核電運(yùn)營(yíng)管理有限責(zé)任公司，深圳 518124)

1 聲發(fā)射檢測(cè)原理

聲發(fā)射(AE)是指材料局部由于能量快速釋放而產(chǎn)生的瞬間彈性波的現(xiàn)象，又被稱為應(yīng)力發(fā)射波[1]。用儀器探測(cè)、記錄和分析聲發(fā)射信號(hào)，利用接收的聲發(fā)射信號(hào)推斷聲發(fā)射源的技術(shù)稱為聲發(fā)射技術(shù)。聲發(fā)射源發(fā)出的彈性波經(jīng)過(guò)傳播，被聲發(fā)射傳感器接收，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再經(jīng)放大、處理后形成特性參數(shù)，其檢測(cè)原理如圖1所示。常見的聲發(fā)射源包括裂紋、未熔合、未焊透等缺陷的開裂和擴(kuò)展，殘余應(yīng)力的釋放，腐蝕、分層脫黏、泄漏等。在核電站水壓試驗(yàn)期間，聲發(fā)射主要用來(lái)監(jiān)測(cè)泄漏。泄漏過(guò)程中，在泄漏點(diǎn)處由于內(nèi)外壓差的存在，內(nèi)部流體在泄漏處形成多相湍射流，流體的正常流動(dòng)發(fā)生紊亂[2]，多相湍流與外壁及周圍介質(zhì)相互作用向外輻射能量，在外壁上產(chǎn)生并傳遞高頻應(yīng)力波，用聲發(fā)射傳感器接收這種信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行采集和分析處理，就可以對(duì)泄漏及其位置進(jìn)行判斷。

圖1 聲發(fā)射檢測(cè)原理示意

聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)與其他無(wú)損檢測(cè)方法相比，具有兩個(gè)特點(diǎn)：一是檢測(cè)動(dòng)態(tài)缺陷，比如缺陷的擴(kuò)展，而不像其他檢測(cè)方法是檢查靜態(tài)缺陷；二是采集缺陷自身發(fā)出的能量，而不是用外部能量對(duì)缺陷進(jìn)行檢查。

聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)具有的優(yōu)點(diǎn)為：(1) 可檢測(cè)對(duì)部件安全性有危害的活動(dòng)性缺陷。(2) 對(duì)于大型部件，只需要布置好足夠多的傳感器，就可提供整體檢測(cè)，提高檢測(cè)效率。(3) 能提供缺陷隨載荷、時(shí)間等外在變量變化的連續(xù)信息，數(shù)據(jù)具有復(fù)現(xiàn)性，適用于對(duì)部件的在線監(jiān)控和早期危害預(yù)報(bào)。(4) 對(duì)被檢部件的接近程度要求不高，常適用于高低溫、高輻射、易燃易爆等環(huán)境。(5) 對(duì)部件幾何形狀不敏感，適用于其他方法受限制的復(fù)雜形狀的部件。

2 被檢對(duì)象

核電站反應(yīng)堆主冷卻劑系統(tǒng)是防止裂變產(chǎn)物外逸的第二道屏障，由反應(yīng)堆壓力容器、主泵、穩(wěn)壓器、蒸發(fā)器和相應(yīng)管道等組成。法國(guó)于1978年開始就針對(duì)壓水堆核電站一回路的相關(guān)焊縫展開了聲發(fā)射檢測(cè)[3]。目前，在壓水堆核電站的役前和在役檢查中，聲發(fā)射檢測(cè)主要用于主冷卻劑系統(tǒng)水壓試驗(yàn)期間的監(jiān)測(cè)。核電站一回路示意如圖2所示，在水壓試驗(yàn)期間的聲發(fā)射檢測(cè)范圍如表1所示[4]。

圖2 核電站一回路示意

裝置說(shuō)明反應(yīng)堆壓力容器穩(wěn)壓器堆芯中子通量測(cè)量裝置示意(見圖3)控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(CRDM)、熱電偶和排氣管穩(wěn)壓器加熱元件(見圖6)貫穿管與反應(yīng)堆壓力容器底封頭的焊縫①儀表導(dǎo)向管與貫穿管的連接焊縫②管座法蘭和管座的連接焊縫①(61根CRDM和4根熱電偶)(見圖4)管座與頂蓋的焊縫③(61根CRDM、4根熱電偶和1根排氣管)(見圖5)加熱元件套管與底封頭連接焊縫(4a)法蘭與加熱元件套管的連接焊縫(4b)加熱元件與法蘭的連接焊縫(4c)

圖3 堆芯中子通量測(cè)量裝置示意

圖4 管座法蘭和管座的連接焊縫示意

圖5 管座與頂蓋的焊縫位置示意

圖6 穩(wěn)壓器加熱元件焊縫示意

檢測(cè)反應(yīng)堆壓力容器下封頭50根堆芯測(cè)量?jī)x表貫穿件上的各2條焊縫(即貫穿管與反應(yīng)堆壓力容器底封頭的焊縫和儀表導(dǎo)向管與貫穿管的連接焊縫)，在役檢查中該區(qū)域空間狹小，有保溫阻擋，且屬于永久紅區(qū)，環(huán)境輻照劑量高，用常規(guī)的直接目視檢查方法無(wú)法進(jìn)行上述部位焊縫的泄漏檢查；檢測(cè)管座法蘭和管座的連接焊縫(即61根CRDM和4根熱電偶)、管座與頂蓋的焊縫(61根CRDM、4根熱電偶和1根排氣管)，在役檢查中反應(yīng)堆壓力容器上封頭環(huán)境劑量率高，且在換料水池中沾污風(fēng)險(xiǎn)大，部分區(qū)域存在保溫阻擋；檢測(cè)穩(wěn)壓器加熱元件套管與底封頭連接焊縫(4a)、法蘭與加熱元件套管的連接焊縫(4b)以及加熱元件與法蘭的連接焊縫(4c)，該區(qū)域空間狹小，環(huán)境劑量率高，且需要登腳手架；此外，核電廠水壓試驗(yàn)壓力平臺(tái)持續(xù)的時(shí)間長(zhǎng)，因此運(yùn)用了聲發(fā)射檢測(cè)。

為了進(jìn)一步分析判斷泄漏源的位置，以便判定是由堆芯測(cè)量導(dǎo)管與隔離閥(或密封閥)的連接焊縫產(chǎn)生的泄漏信號(hào)還是堆芯測(cè)量?jī)x表貫穿件焊縫產(chǎn)生的泄漏信號(hào)，須在堆芯儀表小室布置探頭，檢測(cè)50根堆芯測(cè)量導(dǎo)管與隔離閥(或密封閥)的連接焊縫；在穩(wěn)壓器上封頭靠近人孔處布置檢測(cè)探頭，以便判定是由穩(wěn)壓器上部區(qū)域產(chǎn)生的泄漏噪聲信號(hào)還是由穩(wěn)壓器下封頭區(qū)域加熱器貫穿件焊縫產(chǎn)生的泄漏信號(hào)。

3 檢測(cè)實(shí)施過(guò)程

3.1 檢測(cè)儀器

一臺(tái)多通道聲發(fā)射儀；一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)，用于數(shù)據(jù)采集、分析和顯示；若干聲發(fā)射探頭；若干有帶通濾波器的前置放大器，放大器的增益有20，40，60 dB 三檔開關(guān)供選擇；若干高頻信號(hào)電纜以及探頭固定磁性?shī)A；耦合劑為高真空脂，其氟、氯、硫的含量符合RCC-M F6000《壓水堆核電站核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)與建造法則 防污染要求》中的要求，而且能耐檢測(cè)期間的環(huán)境溫度。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定

泄漏源產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)屬于連續(xù)型信號(hào)，表示連續(xù)型聲發(fā)射信號(hào)的大小常用平均信號(hào)電平(ASL)和有效電壓(RMS)來(lái)表示。ASL是用dB表示的信號(hào)幅度平均值，RMS是用電壓V表示的信號(hào)幅度的平均值。檢測(cè)所使用的多通道聲發(fā)射儀，采用平均信號(hào)電平ASL表示信號(hào)的大小。按照檢測(cè)區(qū)域焊縫的數(shù)量和分布情況，確定需要的探頭數(shù)量和安裝位置，對(duì)探頭進(jìn)行編號(hào)，并與相應(yīng)的通道號(hào)對(duì)應(yīng)。采用寬頻帶噪聲信號(hào)發(fā)生器驅(qū)動(dòng)校核探頭，產(chǎn)生與泄漏信號(hào)相類似的模擬噪聲信號(hào)，使安裝在這一區(qū)域的所有探頭都能接收到這一噪聲信號(hào)，從而校核所有探頭的耦合情況。在保證主回路系統(tǒng)充滿水、沒有加壓、主泵停止運(yùn)轉(zhuǎn)、沒有任何系統(tǒng)投入運(yùn)行，以及所有的噪聲干擾被清除之后，通道的ASL電平就是本底噪聲電平，并記錄該電平；根據(jù)測(cè)量的本底噪聲的ASL，調(diào)整通道的報(bào)警閾值至高于本底噪聲電平3 dB。

核電站一回路水壓試驗(yàn)期間，聲發(fā)射信號(hào)監(jiān)測(cè)主要針對(duì)上行172 bar保壓平臺(tái)、228 bar(在役檢查為206 bar)保壓平臺(tái)、下行172 bar保壓平臺(tái)。

3.3 實(shí)例一

某核電廠在役水壓試驗(yàn)期間，在206 bar的保壓平臺(tái)，經(jīng)過(guò)信號(hào)監(jiān)測(cè)，反應(yīng)堆壓力容器(RPV)頂蓋的相關(guān)通道信號(hào)持續(xù)超過(guò)報(bào)警閘門(圖中紅線)，典型信號(hào)見圖7，其中橫坐標(biāo)為時(shí)間軸，縱坐標(biāo)為信號(hào)幅值(dB)。在保壓期間系統(tǒng)接收到了3個(gè)高幅脈沖信號(hào)，經(jīng)判斷為突發(fā)型信號(hào)，該信號(hào)不具備持久性，為干擾信號(hào)所致。在206 bar保壓平臺(tái)反應(yīng)堆壓力容器上封頭(RPV)各通道的報(bào)警閘門閾值、信號(hào)超閘門平均值、信號(hào)降至報(bào)警閘門以下的時(shí)間見表2。206 bar保壓平臺(tái)降壓后4號(hào)通道信號(hào)下降示意如圖8所示。

圖7 反應(yīng)堆壓力容器上封頭典型信號(hào)示意

通道號(hào)報(bào)警閘門/dB信號(hào)超閘門平均值/dB信號(hào)降至報(bào)警閘門以下時(shí)間157+404：06257+304：07358+404：13454+504：40552+404：12656+204：06

圖8 206 bar保壓平臺(tái)降壓后4號(hào)通道信號(hào)下降示意

從數(shù)據(jù)上，由于反應(yīng)堆壓力容器頂蓋區(qū)域范圍相對(duì)較小(頂蓋直徑為4 070 mm)，各探頭超標(biāo)的平均幅值與探頭離聲發(fā)射源的距離之間沒有明顯的聯(lián)系。從信號(hào)偏高持續(xù)的時(shí)間來(lái)看，4號(hào)通道持續(xù)的時(shí)間最長(zhǎng)，降得最慢(見圖8)；經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)目視檢查，在頂蓋上表面56號(hào)(圖9中圓圈部位，靠近4號(hào)探頭)控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)邊緣存在硼結(jié)晶的現(xiàn)象。

圖9 反應(yīng)堆壓力容器上封頭探頭布置示意

3.4 實(shí)例二

某電廠役前檢查時(shí)，在228 bar保壓平臺(tái)，穩(wěn)壓器相關(guān)通道信號(hào)持續(xù)偏高，且離開228 bar保壓平臺(tái)，壓力開始下降過(guò)程中，超標(biāo)信號(hào)依舊存在，典型信號(hào)見圖10；經(jīng)過(guò)目視檢查，這是穩(wěn)壓器上部筒體一接管出現(xiàn)漏水而對(duì)信號(hào)產(chǎn)生的干擾(不屬于聲發(fā)射檢測(cè)范圍)。

圖10 穩(wěn)壓器典型信號(hào)示意

在現(xiàn)場(chǎng)，聲發(fā)射檢測(cè)往往易受外界干擾源的影響，諸如過(guò)高的加壓速度、系統(tǒng)內(nèi)流體的沖擊、泵的運(yùn)轉(zhuǎn)、交叉作業(yè)，部件附近存在的切割打磨、敲擊等活動(dòng)。因此，排除外界干擾源的影響也是保證聲發(fā)射檢測(cè)時(shí)正常有效信號(hào)采集的關(guān)鍵。

3.5 小結(jié)

核電站一回路水壓期間的聲發(fā)射檢查主要是指聲發(fā)射泄漏檢查，是聲發(fā)射技術(shù)的重要分支，其主要是對(duì)主冷卻劑系統(tǒng)承壓設(shè)備的相關(guān)焊縫泄漏導(dǎo)致的振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。泄漏源產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)特點(diǎn)為：(1) 泄漏聲發(fā)射信號(hào)屬于連續(xù)信號(hào)。(2) 泄漏聲發(fā)射信號(hào)在系統(tǒng)內(nèi)傳播，能反映諸如漏點(diǎn)位置和大小等的信息。(3) 一回路泄漏所產(chǎn)生的聲發(fā)射現(xiàn)象涉及到諸多因素，如泄漏點(diǎn)尺寸大小和形狀，以及系統(tǒng)壓力、湍流等，很難建立完備的數(shù)學(xué)物理模型。(4) 受聲發(fā)射源的自身特性(多樣性、信號(hào)的突發(fā)性和不確定性)、聲發(fā)射信號(hào)傳遞至傳感器的路徑、傳感器的性能、環(huán)境噪聲和聲發(fā)射檢測(cè)儀器系統(tǒng)等多種復(fù)雜因素的影響，最終顯示出的信號(hào)波形十分復(fù)雜，其與真實(shí)的聲發(fā)射源信號(hào)相差很大。因此，聲發(fā)射信號(hào)本質(zhì)上屬于一種非平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)[5]。(5) 由于在傳播過(guò)程中能量的衰減，距離泄漏源不同距離的傳感器接收到的能量不同，轉(zhuǎn)化成的信號(hào)幅值也不同。在排除噪聲等干擾因素的情況下，可根據(jù)信號(hào)幅值的高低，信號(hào)持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短來(lái)定位泄漏源的位置。

4 結(jié)語(yǔ)

(1) 由于聲發(fā)射傳感器極其靈敏，在檢測(cè)期間有可能把干擾信號(hào)記錄下來(lái)產(chǎn)生誤報(bào)，因此排除干擾源至關(guān)重要。

(2) 在役的聲發(fā)射檢查，大大減小了檢漏的工作量，避免了工作人員長(zhǎng)時(shí)間暴露在輻射環(huán)境下，有效降低了人員接收的輻射劑量。

(3) 核電站水壓試驗(yàn)期間的聲發(fā)射檢查，主要針對(duì)相關(guān)部件的焊縫，且焊縫形狀各異，密集分布在相對(duì)較小的區(qū)域，聲發(fā)射檢測(cè)只能用于滲漏區(qū)域的初步判定，滲漏點(diǎn)的精確定性和定位，以及具體滲漏量的測(cè)量還需其他檢測(cè)方法配合。

(4) 通過(guò)干擾信號(hào)的排除以及其他無(wú)損檢測(cè)方法的輔助配合，能有效地進(jìn)行一回路水壓試驗(yàn)聲發(fā)射檢測(cè)，對(duì)核電站一回路部件相關(guān)焊縫的耐壓試驗(yàn)是否合格作出有效評(píng)定。

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