核电站钛管内壁缺陷判伤曲线

刘一舟,曹 刚,王晓翔

(国核电站运行服务技术公司,上海 200233)

在核电站钛管检测过程中发现,大多数缺陷产生于传热管内壁,其中贯穿性缺陷较为常见。准确的检测结果对核电站安全、高效、清洁、可靠地运行有着重要意义。定量过小或漏检会威胁到设备的安全运行;定量过大会导致堵管,从而降低设备运行的效率甚至报废。目前国内外涡流检测标准对样管外壁人工缺陷有比较详细的描述,外壁缺陷的判伤曲线容易制作;但样管内壁人工缺陷只有1 个10%深的内壁周向切槽(属于可选项)[1-2],且通常很难进行准确计量,所以内壁缺陷的判伤曲线往往是采用0°～40°或10%内槽到通孔的连线(图1 和2),这样势必会造成缺陷的定量不准确。

针对这一问题,笔者制作一系列的试验样管,然后进行数据采集与分析,根据试验结果制作内壁判伤曲线。再对核电站钛管上产生的实际缺陷进行检验与解剖测量,验证内壁判伤曲线的准确性。

1 试验原理

根据涡流试验相似律:对于两个不同的试件,只要各自对应的频率比f/fg相同,则有效磁导率、涡流密度及磁场强度的几何分布均相同,其中:

式中f——检测频率;

fg——特征频率;

σ——电导率;

μ——磁导率;

d——检测对象直径。

即当f1 μ1σ1d12=f2 μ2 σ2d22时,涡流密度及 磁场强度的几何分布相同。也就是说,两种不同的被检对象,尽管材质不同(σ和μ不同)、规格不同、检测频率f不同,但只要它们的乘积相同,则涡流密度及磁场强度的几何分布相同[3]。

将涡流试验相似律应用到钛管内壁判伤曲线的研究中。对于两个不同的试件,只要磁场强度的几何分布相同,则相位-伤深曲线相同。从另外的角度来讲就是:已知一种规格钛管的相位-伤深曲线,只要另一种规格钛管的外壁判伤曲线与前者相同,则两者的磁场强度的几何分布相同,那么另一种规格钛管的内壁判伤曲线也应与前者相同。

2 试验

2.1 样管的选择

根据涡流试验相似律,钛管的判伤曲线具有普遍性,其规格对最终结果没有影响。因此选择三种规格的钛管:φ28 mm ×0.6 mm 、φ25.4 mm ×0.7 mm和φ19.05 mm ×0.71 mm,其中前两种钛管上加工了人工缺陷,第三种钛管上包含电站运行过程中产生的自然缺陷。在研究过程中,通过反复试验与比较,最终确定了具有代表性的4 种缺陷作为研究对象,分别是:

(1)20%深,6 mm×2 mm 内壁周向槽。

(2)40%深,6 mm×1.5 mm 内壁周向槽。

(3)60%深,6 mm×1 mm 内壁周向槽。

(4)80%深,6 mm×1 mm 内壁周向槽。

第一阶段采用的试验样管规格为φ28 mm ×0.6 mm,具有代表性的有两根样管分别为DP-K TC EX-9 和DP-KE-CEX-10。前者为标定样管,并通过相关权威机构的检测与计量,用于标定系统及绘制外壁判伤曲线。后者为对比样管,检测后解剖测量,用于绘制内壁判伤曲线。缺陷数据见表1。

第二阶段采用的试验样管规格为φ25.4 mm ×0.7 mm, 参考DP-KE-CEX-10 制作, 编号为DPKE-CEX-13,用于评价内壁判伤曲线。

第三阶段采用的试验样管DP-KT-RCW-2规格为φ19.05 mm×0.71 mm ,含有运行中产生的缺陷,用于验证内壁判伤曲线的准确性。

表1 第一阶段试验样管上缺陷数据

2.2 测试结果

采用EEC-39RFT .S 多通道涡流仪以及φ25.8 mm的BOBBIN 探头对DP-KT-CEX-9 和DPKE-CEX-10 样管进行大量的试验,得到了不同频率下各类人工伤的试验数据(表2),经过统计与分析,得到了不同频率下的内壁缺陷判伤曲线(图3)。

表2 规格为φ28 mm×0.6 mm 的钛管在不同频率下的试验数据

图3 规格为φ28 mm×0.6 mm 的钛管在不同频率下的相位-伤深曲线

可以看到,随着检测频率的增加,外壁缺陷的相位逐渐增大,内壁缺陷的相位逐渐减小,且不同的检测频率对应不同的判伤曲线。

在接下来的试验中,以图3 所示的判伤曲线为基准,通过线性插值法来获得其它钛管的判伤曲线,并通过试验进行评价和验证。

2.3 判伤曲线评价和验证

为评价得到的内壁缺陷判伤曲线的适用性,选择φ25.4 mm ×0.7 mm 的钛管进行试验。标定样管上20%外壁平底孔在500 kHz 下的相位为134.4°,参考表2 中的数据,通过570 和650 kHz 数据之间的线性插值法得到18%IW 的相位为17.9°,42%IW 的相位为23.7°,57%IW 的相位为29.9°,76%IW 的相位为35.3°。因此,内壁缺陷判伤曲线如图4 所示。

图4 φ25.4 mm×0.7 mm 钛管500 kHz 的判伤曲线

使用图4 所示的判伤曲线对试验样管DP-K TC EX-13 上的人工伤进行评定,结果见表3。

表3 试验样管DP-KT-CEX-13 的评定结果

可以看到,评定深度与设计深度之间有-11%～1%的偏差。偏差可能来源于三个方面,其一是缺陷加工偏差,其二是涡流试验相似律偏差,其三是涡流检测软件绘制判伤曲线产生的偏差。从实际检测经验来看,该偏差在可接受范围内,这也说明通过这种方法获得的内壁缺陷判伤曲线可以在实际缺陷评定中应用。

采用同样的方式,对第三种含有自然缺陷的、规格为φ19.05 mm×0.71 mm 的样管DP-K T-RCW-2 进行测试,目的是为验证内壁判伤曲线的准确性。根据其标定样管上20%外壁平底孔在400 kHz 下的相位127°,通过表2 中480 和570 kHz 数据之间的线性插值得到相应的内壁缺陷判伤曲线,如图5所示。其中18%IW 的相位为19.6°,42%IW 的相位为24.9°,57%IW 的相位为30.9°,76%IW 的相位为36.1°。

使用图5 所示的判伤曲线对试验样管DP-KTRCW-2 上的自然缺陷进行评定,自然缺陷的深度为0%。自然缺陷的解剖测量深度为4%。评定深度与解剖深度之间的偏差只有4%,基本保持一致,说明试验得到的内壁缺陷判伤曲线是正确的。

图5 φ19.05 mm×0.71 mm 钛管400 kH z 的判伤曲线

2.4 判伤曲线的修正

考虑到系统偏差(标定时通孔信号的相位为40°±2°)以及遵循保守策略,内壁缺陷信号的相位可以修正2°～ 3°(保守量约10%), 修正后的φ25.4 mm×0.7 mm 钛管判伤曲线如图6 所示。其中11°对应10%、15°对应20%、21°对应40%、27°对应60%、33°对应80%。

图6 修正后的φ25.4 mm×0.7 mm 钛管判伤曲线

使用修正后的曲线对DP-KE-CEX-13 样管进行重新评定,设计深度为20%,40%,60%,80%的内壁缺陷被评定为21%,40%,66%和88%,由此可见新的评定结果比较理想。

修正后的φ19.05 mm ×0.71 mm 钛管判伤曲线如图7 所示, 其中12°对应缺陷伤深10%,16°对应缺陷伤深20%,22°对应缺陷伤深40%,28°对应缺陷伤深60%,34°对应缺陷伤深80%。对试验样管DP-K T-RCW-2 进行重新评定的结果为自然缺陷的深度为3%,接近解剖深度4%,结果非常理想。

3 结论和建议

将涡流试验相似律应用于到钛管内壁判伤曲线的研究中,可以避免使用大量不同规格、不同材料的试验样管来建立相应的判伤曲线,特别是有些稀有材料很难获得,内径较小的钛管很难加工内壁缺陷。对比图1,2,6,7 可知,图1 所示的判伤曲线过于严格,图2 所示的判伤曲线评比较严格,图6,7 所示的判伤曲线比较接近真实情况。研究结果解决了内壁缺陷判伤曲线问题,弥补了涡流检测标准的不足。试验方法针对性强、直观、可信度高,可被推广应用,在实践中进一步优化内壁缺陷判伤方法。

图7 修正后的φ19.05 mm×0.71 mm 钛管判伤曲线

由于针对的研究对象是体积性缺陷,对沿海地区凝汽器传热管中的常见缺陷具有代表性,但对裂纹型缺陷是否适用还需要作进一步研究。

[1] ASME 锅炉及压力容器委员会无损检测分委员会.ASME 锅炉及压力容器规范(2004 版)第V 卷第VIII章附录I, 2004

[2] JB/T 4730.6—2005 承压设备无损检测 第6 部分:涡流检测[S] .

[3] 美国无损检测学会, 编.美国无损检测手册·电磁卷[M] .《美国无损检测手册》译审委员会,译.上海:世界图书出版公司,1999:207.