小径管的冲蚀减薄及射线测厚技术

陈　均，孔晨光，李守彬

0　概述

核电机组通过多个复杂系统，实现了核能与电能的转换。在能量转换过程中，一系列重要设备均需通过大量的管道，实现能量的传递。管道内高温高压蒸汽或流体长期在管道内快速流动，冲蚀了管壁，导致壁厚减薄，尤其是小径管内的冲蚀更为严重。冲蚀是小径管断裂或泄漏的主要原因之一，解决管道冲蚀减薄的问题尤为重要。目前，主要采用射线检测技术，对小径管的冲蚀情况进行评估，为后续管道更换或相关工程评价作参考。随着我国核电机组的迅速发展，解决小径管的冲蚀问题，已成为重要的课题。

1　典型的失效机理

核电机组在役期间，系统内金属管道的减薄失效，可根据管道内介质的不同，分为冲蚀和汽蚀两种失效状态。一般而言，流体的压力越大、速度愈高、流体中悬浮的固体颗粒愈多、愈硬，则管壁被冲蚀的现象愈严重。介质对管壁的冲蚀程度，取决于流体的流动方式。层流时，由于流体具有黏度，在沿管道的截面上有一种稳态的速度分布。湍流时，这种稳态速度的分布已被破坏，这不仅加速了腐蚀剂的供应和腐蚀产物的迁移，而且在流体与金属之间产生的切应力，能剥离腐蚀产物，从而加大了冲蚀速度。在节流口或弯头处，介质的高速流动，具有很大的动能，巨大的冲刷力将使管道下游弯头、节流孔板下游管道焊缝、管道变径处的使用寿命成倍下降。

2　检测方法

对于管道冲蚀的射线检测方法，主要有双壁双影重叠影像法、双壁单影法底片黑度确认法。根据核电厂复杂的管道布置和狭窄的操作空间，采用恰当的透照方式，是检测管道是否存在冲蚀的关键。针对不同的管径及任意管壁厚度，推荐采用射线检测的透照方式。检测方法及曝光位置的设置，如表1所示。

针对小径管的管道及管道焊缝，射线检测时，主要采用了双壁双影垂直透照方法，检查管道的冲蚀程度。对管道及焊缝的冲蚀检测，主要有2种射线检验方法。

3　射线检测的先决条件

3.1现场条件及温度

针对预防性检查，需拆除保温层后进行。反馈检查应在表面检查合格后进行。对于现场已经出现泄漏的管道，不需要做冲蚀检查。RT检查时，要求被检对象的温度在50℃以下。若管道存有液体介质的，需排空后再进行检查。

3.2执行标准和器材要求

检测标准按照RCCM2000+2002补遗标准的要求执行。检验人员应具有相应的射线探伤资格证书(国家核安全局、质量技术监督局颁发的证书)、辐射安全与防护中级证书(环境保护部颁发的证书)。经过核电厂相关辐射与安全培训中心核实，并给予授权后方能上岗。射线源为Ir192(使用时最大活度100Ci，半衰期74天，焦点尺寸 3×2 mm)。采用胶片为AGFA D3或KODA C2，或其它颗粒度相当于C2类的胶片。采用铅箔增感屏(前屏0.2 mm、中屏0.1 mm×2、后屏 0.2 mm)。屏蔽铅板的厚度，至少为2 mm。

采用Fe像质计，对于双壁双影透照时，钢丝横跨被检管道源侧表面。对于双壁单影或中心曝光透照，钢丝放置于片侧1/4处，细丝朝外。灵敏度的选择原则，相当于管道焊缝射线检验时的选择原则。对于滤光板的要求，如表2所示。

表2　对于滤光板的要求

4　制定射线检测工艺

4.1布片方式及工艺特点

在小径管的焊缝及冲蚀检测中，主要采用双壁双影垂直透照的方法进行检测。采用橡皮筋或胶带，将胶片紧贴在管壁上进行透照，像质计置于管道源侧。检测时的布置，如图1所示。

图1　小径管管道及焊缝冲蚀检查(垂直透照)

对于小径管的冲蚀检测，采用双片进行透照，对于黑度无强制性的要求。需同时进行管道焊缝检测时，黑度要求为 2.7－4.5。采用垂直透照法，2次曝光的角度，应互为90°。

4.2几何不清晰度的选择

为了提高冲蚀减薄后轮廓在底片上的清晰度，当放射源的类型确定后，射线照相的几何不清晰度，需作为选择焦距的重要条件，其中几何不清晰度的选择，应参照RCCM标准的要求。使用Ir192时，Ug≤0.3，最小焦距，可根据式(1)确定。

式(1)及式(2)中:

Ug－几何不清晰度;

b－管径被检源侧表面至胶片的距离;

f－放射源至工件表面距离;

F－焦距;

d－焦点。

5　小径管的射线检测技术

5.1在ASME标准A312中，对于小管径的管壁厚度，有相关的公差要求。现场对管壁冲蚀检查时，若冲蚀量已达管壁总厚度的12.5%，认为是不可接受的，需及时更换管道。在ASME标准中，对管壁厚度的具体要求，如表3所示。

表3　标准中要求的管壁厚度

5.2对管道射线探伤后，由于底片的贴合度、焦距及放射源的固有特性，在管道或管道焊缝的底片上，形成的影像将出现不同程度的放大，管壁被冲蚀的曲型案例，如图2所示。如D0放大为D2，残余壁厚T1放大为T2，如图3～图5所示。此时，可使用公式准确计算出真实的减薄量ΔT，从而计算出减薄系数。

图2　

图3　

图4　

图5　冲蚀典型案例

可根据投影原理，计算管道的残存壁厚。

式(3)中:

T1－管道实际残存壁厚;

T2－射线底片上测量的管道残余厚度;

D0－设计管径(现场实测的管外径);

D2－在射线底片上测得的管径。

对于减薄量的计算:

ΔT=T0－T1

即:ΔT=T0－T2×D0/D2

减薄系数的计算:

η=ΔT/T0

得:η=(T0－T2×D0/D2)/T0

6　结语

根据国内外有关文献记载，管道因冲蚀而减薄、降质的情况较为普遍。对于小径管被冲蚀的排查工作，也受到各大电厂的重点关注。射线探伤作为核电小径管冲蚀检查的主要方法，可有效地检测管道的残余壁厚和最小壁厚。通过检测，对冲蚀后的管道是否需更换进行评估。此种射线探伤方法，可推广到各大电厂。但是，由于在现场的辐射防护要求高，实施时较为繁复。在普查时，建议采用脉冲涡流检测技术或超声波技术，当发现管壁减薄较为严重时，应采用射线探伤方法，以验证管壁冲蚀的减薄量。

参考文献:

［1］法国核岛设备设计、建造及在役检查规则协会.RCCM2000+2002补遗.压水堆核岛机械设备设计和建造规则［S］.2002.

［2］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［S］.2004.

［3］强天鹏.射线检测［M］.北京:中国劳动社会保障出版社，2007.