VVER卧式蒸汽发生器传热管涡流检验可靠性探讨

陈霞

【摘 要】本文分析了VVER卧式蒸汽发生器（SG）传热管降质机理和影响可靠性的相关因素，通过试验验证，为后续传热管涡流检验结果的可靠性分析提供了参考。

【关键词】VVER；卧式蒸汽发生器传热管；涡流检验；可靠性

0 概述

卧式蒸汽发生器（SG）是VVER核电厂的最主要的关键设备之一，其传热管属于核电厂一回路冷却剂系统的压力边界。由于传热管均为壁厚1.5mm左右的薄壁管，而且运行工况也十分恶劣，所以传热管一直是一回路压力边界最为薄弱的环节。国内外各核电国家均对传热管实施役前检查和在役检查。目前对传热管普遍采用的检测方法为涡流检验，而涡流检验的关键点和难点在于数据分析。在目前核电站的涡流数据分析中，遇到不少疑难问题，例如数据分析时对缺陷信号的准确性判断问题（包括幅值、伤深等）、缺陷扩展问题、材料特性和应力腐蚀裂纹的发展特性等，因此对传热管涡流检验技术的可靠性研究就显得格外重要。

本文主要是针对VVER核电厂的SG传热管开展相关技术研究，主要内容如下：通过对VVER卧式蒸汽发生器（SG）传热管降质机理和影响可靠性的相关因素的分析，经过试验验证，为后续传热管涡流检查结果的可靠性分析提供了参考。

1 SG传热管的降质机理分析

根据SG的运行经验，传热管有几种不同降质机理。目前主要的降质机理有：

（1）晶间或穿晶应力腐蚀（IGASCC或TGASCC）：IGASCC或TGASCC 是二次侧晶间或穿晶应力腐蚀开裂。这种腐蚀过程的特点是表面上存在深而细的裂纹，且表面上带有来自二次侧的泥渣。对VVER 蒸汽发生器，因其有高扩展率，它是常见的最危险的腐蚀类型。

（2）孔蚀或点蚀：与IGA/SCC出现部位相同的孔蚀或点蚀，特点是有较大体积的降质，比上述的腐蚀浅。点蚀的扩展率比IGA/SCC慢，早期易发现，但点蚀的进一步发展往往会出现腐蚀裂纹，事实上点蚀一般都与微小腐蚀裂纹共存。

（3）均匀腐蚀（减薄）：减薄是一种在泥渣区域出现的常见类型的表面腐蚀。它出现在VVERSG的所有部位。但是它发展比较缓慢，且呈减速发展的趋势，不象前面两种降质机理危险。

（4）磨损腐蚀：磨损腐蚀是一种由机械因素导致的降质机理。由于振动或水流冲击而引起传热管支撑结构和传热管相接触部分的磨擦，这时就会出现磨损腐蚀传热管的表面。由于PWR立式SG结构上的原因，在多个机组的立式蒸汽发生器上都发现过这种现象。VVER卧式SG虽然没有发现这种现象，但在停堆检修打开VVER 卧式SG水下均汽板时，由于人为的原因可能会造成均汽板对最上面一层传热管的机械磨蚀（划伤）。

传热管缺陷出现的位置和机理是不同的，VVER卧式SG传热管缺陷出现的位置和机理主要有如下几种：在集流管（相当于立式SG的管板）未开孔楔形部位顶部垂直轴线的区域出现的贯穿裂纹、传热管胀管区的晶间应力腐蚀、在传热管支撑板位置的晶间应力腐蚀、传热管管端（TT）的冲刷和磨损腐蚀等。

无论是VVER还是PWR机组，运行经验都表明了二回路水质是导致SG传热管降质的最重要的原因，二回路水质变劣将会使传热管经历从结垢到应力腐蚀再发展成裂纹的过程，当然由于磨损腐蚀和均匀腐蚀也会导致管壁磨损引起传热管降质，但前一种情况要更严重一些。

某核电站卧式蒸汽发生器传热管，其发生的应力腐蚀缺陷的解剖图片显示缺陷在传热管上呈点坑和树状裂纹（点蚀+裂纹）分布，并且表面显示有开口裂纹（见图1、图2）。

SG传热管的降质情况是通过定期的涡流检查进行监督，目前涡流检验技术是传热管在役监督最有效的技术，在世界核电国家都得到了广泛的应用。然而涡流检验技术与其它无损检验技术一样，也存在测量误差。涡流测量误差包括检验人员、检验设备（包括数据采集系统和分析系统）、使用的标准和检验程序产生的误差，还包括缺陷的形状（性质）、方向和尺寸大小等产生的误差。

2 涡流检测可靠性研究中产生误差的原因分析

涡流检测方法是采用当量对比的方法进行缺陷定量，通过绘制标定管上人工缺陷大小和深度关系的判伤曲线，将测量的缺陷信号相位或幅值与标准判伤曲线进行对比，以此来确定缺陷信号的深度和大小。而实际缺陷的形状、大小与人工缺陷的形状、大小有所不同，有的甚至相差很大，因而测量的准确性就存在不确定性。

2.1 缺陷的大小对检测结果的影响规律

为了分析深度相同但大小不同的同类缺陷对检测结果的影响规律，通过下列实验的方法来验证。

T-05试验管：该试验管尺寸为Ф16mm×1.5mm，在该试验管上有不同直径大小的通孔（100%深度），分别为Ф3、Ф2、Ф1.5、Ф1、Ф0.75、Ф0.5、Ф0.3（单位：毫米）。采用检测探头为Ф11.5mm的内穿探头，以ASME标准建立相位深度曲线，测量该试验管。取测量的7次平均值，其结果见表1所示。

表1 T-05 通孔试验管加工参数（Ф11.5mm探头）

注：NQI-无法准确定量的缺陷.

实验结论：

①相同深度的缺陷，由于缺陷的大小不同，会导致深度测量误差不同；

②缺陷的深度相同，但大小不同，则在一定的大小范围内缺陷大小与检测的相位角成接近线性的关系（见图3）。

图3 通孔直径与相位的关系曲线

图4 裂纹长度与相位的关系曲线

2.2 缺陷的形状（性质）对检测结果的影响规律

为了分析缺陷的形状（性质）对检测结果的影响规律，通过下列实验的方法来验证。

T-04试验管：该试验管尺寸为Ф16mm×1.5mm，在试验管上有不同长度大小的人工裂纹，分别为8mm、6mm、4mm、3mm、2mm、1mm和0.5mm，深度皆为100%，采用的检测探头为Ф11.5mm的内穿探头，以ASME标准建立相位深度曲线，测量该试验管。取测量的7次平均值，其结果见表2所示。

表2 T-04 人工裂纹试验管加工参数（Ф11.5mm探头）

注：NQI-无法准确定量的缺陷.

实验结论：

①相同深度的缺陷，由于缺陷的大小不同，会导致深度测量误差不同；

②缺陷的深度相同，形状不同，测量深度误差也不同，如通孔与裂纹（见表1或2）。

2.3 检测探头的直径大小对检测结果的影响规律

检测探头的直径大小对检测结果也存在影响，为了确定检测探头的直径大小对检测结果的影响，通过下列实验的方法来验证。

检测探头直径变化对T-05试验管测量结果的影响。

T-05试验管（尺寸规格见2.1节），在该试验管上有不同直径大小的通孔（深度100%），选择检测探头的直径为Ф12.2mm的内穿式探头，以ASME标准建立相位深度曲线，测量该试验管。取7次测量的平均值，其测量结果见表3所示。

表3 T-05 试验管测量值（Ф12.2mm探头）

注：NQI-无法准确定量的缺陷.

检测探头直径变化对T-04试验管测量结果的影响。

T-04的试验管（尺寸规格见2.1节），在试验管上有不同长度的穿透性人工裂纹，选择检测探头的直径为Ф12.2mm的内穿式探头，以ASME标准建立相位深度曲线，测量该试验管。取7次测量的平均值，其测量结果见表4所示。

表4 T-04 人工裂纹试验管加工参数（Ф12.2mm探头）

图5 通孔直径大小与相位关系曲线

图6 裂纹长度与相位的关系曲线

实验结论：

①检测探头的直径不同，检测的幅值和相位也不同（如Ф11.5mm与Ф12.2mm探头）；②检测探头的直径变大，就相同大小和形状的缺陷而言，则检测幅值变大，且相位角变小。

3 结论

影响涡流检查可靠性的因素有很多，可以分为检验人员、检验设备与器材，缺陷的大小、缺陷的形状（性质），探头直径的大小以及管子的本地噪声的等。通过试验研究发现实际缺陷与标定管上人工伤形状和尺寸相近时其判定会较准确，反之与标定管上人工伤形状和尺寸差别越大，缺陷深度定量误差就越大，这种误差的产生是由检测方法本身的所引起的；此外检测探头的直径大小（填充系数）对测量结果也有影响，检测探头的直径越大，测量的伤信号幅值越大。

在检测实践和试验中发现：对于一个比较规则的缺陷，在不同的时间内多次检测或由不同的分析人员进行检测，定量检测结果相差不大；对于一个不规则的缺陷，不同的分析人员进行检测时可能存在较大的差异，主要是缺陷显示的不规则造成的。因此，在正常情况下，设备及检测人员不是测量误差产生的主要原因，而检测方法产生的误差（如实际缺陷的形状、大小和方向与标定管上人工伤的差异）是导致测量误差的真正原因。其中缺陷的大小和缺陷的形状（性质）是影响涡流检查不确定度的重要因素。

【参考文献】

[1]丁训慎.核电站蒸汽发生器传热管的点腐蚀及其防护[J].腐蚀与防护，2007：28（7）.

[2]中国腐蚀与防护学会《金属腐蚀手册》编辑委员会.金属腐蚀手册[M].上海科学技术出版社，1987.

[3]杨德钧.金属腐蚀学[M].冶金工业出版社，2003，09.

[责任编辑：杨玉洁]