高温气冷堆蒸汽发生器传热管声脉冲与超声脉冲检测技术研究

【摘 要】高温气冷堆示范工程蒸汽发生器传热管在选用材料、尺寸规格、结构形式、制造工艺及布置形式与传统压水堆核电站均不同。相比传统压水堆蒸汽发生器传热管采用的U型管结构，高温气冷堆蒸汽发生器传热管采用的是螺旋盘管结构，具有换热效果好、结构紧凑等特点。但因现阶段对这类结构的传热管尚无较为成熟的检验技术，为寻找螺旋盘管检测的可行性技术，本文引用了声脉冲与超声脉冲检测技术进行可行性分析。

【关键词】声脉冲；超声脉冲；高温气冷堆；螺旋盘管

中图分类号： TL364.4 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）16-0039-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.16.017

【Abstract】The steam generator tube in high temperature reactor-pebblebed modules is different in selecting material，size specification，structure form，manufacturing process and layout form and traditional PWR nuclear power plant.The U-Tube structure is used in the traditional PWR，but the heat transfer effect is good and the structure is compact，so the high temperature reactor-pebblebed modules adopt spiral tube disk structure.There is no mature inspection technology at this stage.In order to find the feasible technology of spiral tube，the feasibility analysis of APR and UPR technology is presnted in this paper.

【Key words】Acoustic Pulsed Reflection；Ultrasonic Pulsed Reflection；High Temperature Reactor；Helically-tube

0 引言

高温气冷堆是国际核能界公认的一种具有良好安全特性的堆型，代表第四代先進核能技术特征的先进堆型，具有固有安全性、系统简单、小型模块化、发电效率高、应用途径广等特点。考虑到换热效果好、结构紧凑等特点，高温气冷堆蒸汽发生器传热管采用的是螺旋盘管结构。传热管是由两种不同的不锈钢材料（铁磁性管材T22和非铁磁性材料Incoloy800H）焊接而成，然后被绕成螺旋状，出口连接管和入水连接管部分为异形弯折结构，这种特殊的结构对实施在役检查增加了很大的难度。

常规压水堆的U型传热管使用内穿过式涡流Bobbin探头能完成全管的检查，但由于高温气冷堆蒸汽发生器传热管结构特点，实施涡流检测的难度较大，主要体现在两个方面：（1）传热管规格为？19×3mm，总长度约70米，且中间还存在三条焊缝，增加了涡流探头的通过难度；（2）由于是铁磁性和非铁磁性管材的异种金属对接焊，在外部检查无可能性的情况下，同时实现传热管的检查覆盖，则必须从内部对整个传热管分别进行局部磁化，而这一点目前也是难以做到的；另外，对于此类异种金属，较大的结构信号也会使得缺陷信号受到干扰或淹没。

为探索高温气冷堆蒸汽发生器传热管检测的可行性，引用了基于声脉冲反射法（Acoustic Pulsed Reflection，以下简称APR）与超声脉冲反射法（Ultrasonic Pulsed Reflection，以下简称UPR）的两种检测技术进行可行性分析。

1 检测技术介绍

APR是将一个声脉冲注入管内的空气中，随后脉冲会轴向传播。横截面的任何变化（无论是壁损还是堵塞造成）都会引起回波，被反射回来。这些反射会被测量并分析。这项非穿插式技术检测速度极快，并已成功得到运用。然而，它只能用于检测内径缺陷。

UPR是通过一系列放入管内部的干耦合换能器向管壁发射超声波。和APR一样，都是非穿插式高速检测。UPR技术可检测铁磁性和非铁磁性材料；可检测内径与外径缺陷，如：穿孔、堵塞、裂纹、凸起、壁厚损失、侵蚀、腐蚀、凹坑；不受管子形状影响，如U型、S型、旋拧、翅片、螺旋等。因此对于这两种技术的结合，可扩展对于管道检测中不同类型的缺陷。APR 和UPR两种技术的性能比较见表1。

基于这两种检测技术的探头激励方式均在管端，无需进行内插式的运动检测，从而减小了对于推动装置与探头结构的严苛设计要求。

现在具备这两技术的设备有两种，分别是基于APR的Dolphin G3设备和基于APR和UPR两种技术的AcousticEye’s DUETTM设备。DolphinG3设备原理示意图见图1，AcousticEye’s DUETTM设备原理图见图2。

2 检测技术分析

2.1 标准伤对比样管制备

采用与高温气冷堆蒸汽发生器传热管相同的材料（T22）制作两根带有标准人工缺陷的样管，规格均为φ19×3mm。其中1#样管为螺旋盘管，2#样管为直管，两根样管的标准人工缺陷详见表2和表3。

2.2 试验过程

分别使用基于APR的Dolphin G3设备和基于APR和UPR两种技术的AcousticEye"s DUET？设备对1#和2#样管实施检测。试验过程中，设备及软件需要根据管材的尺寸、管材的结构特点、管材编号以及检测相关要求参数，如激励场强、硬件增益、脉冲宽度、垂直放大、采样次数、底波抑制等，完成相应的参数设置。

2.3 试验结果

2.3.1 G3设备试验结果

图3为G3设备检测1#样管的情况，从信号图中可以看到样管首信号和管尾信号很明显，通过管尾信号对应的位置即为螺旋管伸展长度2m的位置，位置偏差较小。同时，可以测得弯管距管首距离为1.34m，通孔当量测得的直径为4mm，而加工的直径为4.8mm，所以定量的精度还是存在偏差。

由于G3设备仅使用APR技术，可以检测出1#和2#样管中的穿透性的孔和槽，但对于缺陷的定量准确性很差，而且对于穿透性缺陷都以通孔为当量来处理，因此定量的偏差较大。

2.3.2 DUETTM设备试验结果

由于DUETTM设备的探头同时兼有APR功能和UPR功能，因此对2#样管上的12个人工缺陷均能检测出来，以2#样管上第6和第11号缺陷为例，图4是部分缺陷检测信号图，但是在缺陷深度的定量方面还存在一定的偏差，定量偏差见图5。

2.3.3 试验结果比对分析

针对两种技术的比对试验，可以看到单一声脉冲反射法（APR）只对通透性缺陷具有较高的检测灵敏度，而针对非穿透性的裂纹和孔均无检出能力，这与该技术本身的特点有关，它是在具有截面差的情况下才能检出缺陷；APR技术对于管材（如：U型管，螺旋管）形状的影响不大；对裂纹等体积效应较小缺陷是无法检出的。

超声导波反射法（UPR）对裂纹、点蚀和凹坑等缺陷具有较高的检测灵敏度，但不能区分缺陷在外壁和内壁的位置；对穿孔信号的检测能力一般；对堵塞和内部突起是无法检测的。

采用UPR与APR组合的技术，能够保证管道内部和管道壁本身缺陷的检出，且缺陷定位的准确性较高，但由于缺陷深度定量均是软件自动测量的结果，偏差较大，准确度不高。

3 结论

声脉冲反射法（ARP）和超声脉冲反射法（UPR）检测技术均是非穿插式高速检测方法，两种方法结合使用可检测外径磨损、内外径点蚀等缺陷，不受管子形状和材质影响。该项技术应用于高温气冷堆示范工程蒸汽发生器传热管具有一定的可行性，但限于现有技术条件，尚需要解决几个关键问题：a）提高有效检测距离（理论距离40米）；b）提高焊缝检测区域缺陷的检测灵敏度；c）提高在支撐结构下的缺陷检测分辨率；d）提高定量准确度。

【参考文献】

[1]L.Cinotti，M.Bruzzone，et al.Steam generator of the international reactor innovative and secure. Proceeding of ICOME 10， Arlington， VA， April 14-18，2002.983-990.

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[3]雒晓卫，高温气冷堆核电站示范工程蒸汽发生器设计说明书，清华大学核研院，技术报告.

[4]国能中特（北京）检测科技有限公司 声脉冲导波检测技术 [DB/OL].

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