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CPR1000核电机组凝汽器传热管涡流的检测方案对比及优化

2020-08-28 341 上传者：管理员

摘要：凝汽器是核电厂热力循环系统的重要设备,国内CPR1000核电机组在大修期间均会安排对凝汽器传热管进行涡流专项检测,通过对检测策略中的检测探头、检测计划和检测结果3个方面进行对比分析,发现其均采用轴绕式探头,但是对检测结果的处理方式不同,且在制定检测计划时,均考虑了易发生损伤的外圈厚壁管,但是对于外圈薄壁管和内部管束的选取各不相同。对此,提出了检测优化策略,对后续凝汽器钛管涡流检测策略的制定具有指导作用,以确保凝汽器运行的安全可靠。

关键词：
传热管
凝汽器
核电厂
涡流检测
策略优化
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凝汽器是核电厂热力循环系统的重要设备之一，其传热管数量较多，且运行条件较为恶劣，在振动、磨损、冲刷等因素影响下，存在传热管泄漏的风险。一旦传热管失效泄漏，会引起二回路水质和化学性能指标不佳，甚至会导致机组被迫停机停堆，直接影响到机组运行的安全性和经济性[1,2,3]。

目前，对于CPR1000核电机组，检测凝汽器传热管中缺陷及其扩展趋势的常规方法为涡流检测法，通常安排在每次换料大修期间执行传热管全检或抽检。通过对不同机组涡流检测过程中检测探头、检测计划和检测结果3个方面的对比分析，提出了涡流检测的优化策略，对后续其他机组检测策略的制定，具有一定的指导作用。

1、各机组凝汽器传热管涡流检测探头对比

作为核电厂二回路上的关键设备，国内CPR1000核电机组的凝汽器传热管材料通常为钛管，其一般采用多频涡流技术进行检测，使用内穿式轴绕式探头进行管子的涡流检测。

以某CPR1000核电机组A、B、C电站为例，其中，A、B电站每台机组凝汽器有4个水室，C电站每台机组凝汽器有6个水室，3个电站的传热管均有两种尺寸，分别为外围管束壁厚0.7mm，内部管束壁厚0.5mm，具体检测参数见表1。

从表1可知，3个电站机组均使用轴绕式探头来实施凝汽器钛管全长度的涡流检测。对于相同壁厚管子，其外径不同，所选用的探头直径不同，但是均可满足涡流检测填充系数的要求。另外，对于B、C电站，在探头直径相同的情况下，其0.7mm壁厚钛管的采集频率设置相同，而0.5mm壁厚钛管的采集频率不相同，这是因为频率不仅与采用的仪器、探头、所检管材等有关，还需要根据对比试样上不同深度人工缺陷的涡流响应情况，多次调试后才能得到最佳检测频率。

表1不同机组凝汽器参数列表

2、各机组凝汽器传热管涡流检测计划对比

2.1 A电站检测计划

每次大修采用“定检+满天星”的检测方式，定检指4个水室均固定对外圈壁厚为0.7mm的正面受乏蒸汽中水滴冲蚀的传热管进行检测，具体见图1中外圈红点。满天星抽查（图1中内部红点）指每次大修时根据计划安排更换一个水室做检查。待4个水室全做完满天星检查后，增加一行进行抽查。待4个水室满天星抽查循环一次后，行号再进行第二次循环，不过列号需与第一次循环检测的管子错开，如此下去，覆盖水室内部的传热管。

2.2 B电站检测计划

B电站凝汽器水室内钛管分布及具体的抽检计划如图2所示。每次大修时，对外圈受蒸汽直接冲刷的0.7mm壁厚钛管进行全检（图2中外圈红点），0.5mm壁厚钛管每15排抽取一排进行检测（图2中内部红点），每次检测的抽取排号较上一次检测的下移一排，4个水室抽检计划相同，总体抽检比例在13%左右。

2.3 C电站检测计划

在第二次大修之前，C电站的抽检策略与B电站相同。从第三次大修开始，在总结该电厂之前的检验结果和经验，以及综合外部电厂经验反馈的基础上，对该检测计划进行了相应的调整和修改，修改后的检测计划为：0.7mm壁厚钛管全检（图3中外圈绿点），左右两侧前三个指缝内外圈0.5mm壁厚钛管全检（图3中蓝点），其余0.5mm壁厚钛管由每15排抽取一排改为每12排抽取一排，且每个水室的起始抽取排号较前一个水室的下移两排，每次检测抽取的起始排号较上一次大修的下移一排，单次抽检比例约为18%。单个凝汽器水室内钛管分布及具体的抽检计划如图3所示。

图1A电站凝汽器检测计划

图2B电站凝汽器检测计划

图3C电站凝汽器检测计划

对比A、B、C电站凝汽器的检测计划可知，在制定检测计划时，易发生损伤的0.7mm壁厚钛管均已覆盖检测。但是，对于0.5mm壁厚的外圈薄壁管和内部管束的选取范围，3个电站各不相同，具体对比如表2所示。

表2不同机组凝汽器检测计划对比

(1)A电站覆盖了易发生损伤的外圈厚壁钛管，且每次选择1个水室进行满天星检测。对于实施满天星检测的水室，提高抽检比例能增强发现缺陷的能力，特别对于内部钛管，可以获得相对完整的缺陷分布信息。但是，由于检测管子数量多，单个水室工期较长，且对钛管的定位要求高，容易采错管（接受检测的管号与实际需要检测的管号不一致），存在潜在人为失误风险。同时，该检测计划仅覆盖外圈厚壁钛管，对外圈薄壁钛管未进行检测。另外，单个水室实施满天星检测，即其他水室要在一个循环后才能重复检测，该过程中存在内部钛管缺陷未及时跟踪的风险。

(2)B电站同样覆盖了外圈易发生损伤的壁厚0.7mm的钛管，同时每个水室固定内部钛管每15排抽一排，因此检测计划便于编制，且对于内部区域钛管的上一次检测时间，比较便于识别。同时，每个水室内部检测计划相同，有利于现场探头的定位，大幅降低人为失误致使管子采错的可能性。但是，此检测计划，和A机组一样，未能有效覆盖外圈壁厚为0.5mm的薄壁钛管，且针对内部0.5mm壁厚钛管，每15排抽取一排的检测计划，使得整个检测范围的覆盖密度较低，因此对于一定范围内出现的缺陷管的发现能力不足。

(3)C电站除易发生损伤的外圈0.7mm壁厚钛管全检外，增加了左右两侧前三个指缝外圈0.5mm壁厚管线的钛管检测，提高了敏感区域的检测覆盖率。同时，与B电站不同，每个水室固定内部钛管由每15排抽一排改为每12排抽一排，抽检比例有所提高。在各个水室内缺陷的发生和分布较为一致的情况下，C电站的缺陷检测能力高于A和B电站的，但是对单个水室小范围缺陷管覆盖密度依然不是很高，且发现严重缺陷后，需要对其他水室相应位置进行扩检，对分析结果的反馈时效以及现场的响应能力要求较高。

3、各机组凝汽器传热管涡流检测结果对比

对冷凝器传热管实施涡流检测，能够有效地发现传热管大部分区域的常见缺陷，如凹陷、不通管、内外伤和穿错管等，且对于不同电站，每个冷凝器水室都应根据历次大修的缺陷情况，对部分缺陷管进行跟踪检查，具体如表3所示。根据表3的电站检查结果对缺陷进行跟踪对比可知，对于凹陷及内外伤信号，均需要进行跟踪检查，其中A、C电站基本相同，而B电站与A、C电站区别明显，将凹陷跟踪幅值提高到20V，仅对于伤深≥20%壁厚，每个循环抽查一次。这样虽会减少管子抽查数量，节约大修工期，但是对于凹陷幅值在10-20V之间以及10%壁厚≤伤深<20%壁厚的管子，在缺陷增长较快的情况下，会出现未及时跟踪的风险。

表3不同电站的缺陷跟踪及堵管标准

对于堵管要求，A、B、C电站标准明确，内外伤在伤深>40%壁厚的钛管需要堵管，以免泄漏并造成周围附近管束出现损伤。另外，C电站额外明确了凹陷较多以及整体减薄区存在针孔状外伤时需要堵管的要求，该要求与该电站冬季运行时的特殊温度工况有关。

4、凝汽器传热管涡流检测策略优化

自20102018年，CPR1000某群厂机组共发生6次凝汽器传热管断裂致使机组停运的重大事件，累计出现断管18根，断口24个。针对此类事故，在已有检查策略上，提出如下优化建议。

(1）在检查探头的使用上，轴绕式探头对裂纹的敏感性差，因此需要对分析中发现的磨损管的磨损位置及其分布情况加强关注，并注意分析钛管是否有可能发生了超限振动。后续检测中可以考虑使用内穿式阵列涡流探头对潜在损伤风险较高的钛管以及怀疑有缺陷的钛管进行补充检查或进行复检，以此降低结构信号引起的检测误差和漏检率，从而为缺陷的形成机理和扩展风险分析提供数据支持[4,5,6]。

(2）根据凝汽器钛管涡流检查的历史检查结果，结合群厂钛管断裂事件，发现凝汽器钛管缺陷主要集中在表层管，内层管未见断管缺陷。例如A机组在第六次换料大修后，发现凝汽器侧钛管泄漏，对机组进行停机实施氦气查漏发现有2个水室共计8根钛管发生泄漏，且泄漏管子包括外围0.5mm壁厚的薄壁管。目前CPR1000机组的大量检查工作是针对断裂风险低的内层管，对断裂风险高的表层钛管有漏查风险。因此，在后续制定检查计划时，建议以表层钛管检查为主，进一步优化布点方式，特别是应对上部迎汽面的表层薄壁钛管进行全覆盖检查。例如，检查计划中加入上半部分原本不在固定检测计划内的外圈非直接受蒸汽冲刷的薄壁钛管，或是对于发生过外圈薄壁钛管泄漏的机组，检测计划中加入所有的薄壁管。另外，电厂应分析哪些区域的钛管易发生超限振动，并将该类区域中的钛管列入到固定检查计划中，使得钛管涡流检查范围更加保守。

(3）在检查结果的处理上，对于含深度大于40%壁厚，出现多处凹陷且信号幅值较大的缺陷的传热管，需及时进行堵管处理，以免泄漏造成附近管束的损伤。另外，对于外部其他电站的经验反馈，例如发生过断管或是泄漏的传热管，需要对同类型机组的相同位置进行拔管或堵管处理，避免再次发生泄漏，影响机组的运行。

5、结语及展望

(1）针对CRP1000核电同类型机组，凝汽器钛管涡流检查计划各不相同，在制定时均考虑了易发生损伤的外圈厚壁钛管，但是对于外圈薄壁管和内部管束的选取各不相同，建议后续制定检查计划时，将外圈薄壁管也列入检查计划内，且对于内部区域钛管，需要根据历史检查结果和外部经验反馈，增加检测密度，对历史检查出的缺陷持续跟踪，避免再次发生泄漏。

(2）目前国内核电厂基本以基荷的形式运行，后续可能会出现调峰或是长期临停的负荷持续变化状态。因此，除了在换料大修进行凝汽器传热管检查外，特别是甩负荷的非计划停机后，可以考虑对外圈钛管或易发生超限振动的区域中的钛管补充进行涡流检测。同时，在传统轴绕式探头的基础上，可考虑采用内穿式阵列涡流探头进行补充检查或是复检，降低结构信号引起的检测误差和漏检率。

(3）在机组实际运行过程中，引起传热管失效的因素较多，除了制定合理的检查策略外，还需要结合凝汽器的设备状态进行综合管理，例如降低凝汽器管侧水的流速，以减少冲蚀造成的钛管磨损，必要时对凝汽器传热管局部换管或是预防性堵管等，以保证核电厂的安全、可靠运行。

参考文献：

[1]谷昊.核电厂凝汽器传热管涡流检查结果分析[J].科技视界,2009(3):267,285.

[2]郁光廷.核电厂凝汽器传热管失效分析和预防策略[J].压力容器,2014,31(9):62-67.

[3]陈蔚,陈玉喜,梁鹏飞.核电厂常规岛凝汽器传热管涡流检查监督[J].科技创新论坛,2014(23):144-145.

[4]谢圣华,师绍猛,曹刚.凝汽器传热管管板区涡流检测盲区试验[J].无损检测,2010,32(12):958-960.

[5]郭韵,杨劲松,曹刚.凝汽器管板区传热管的涡流MRPC探头检测[J].无损检测,2012,34(10):46-50.

[6]徐可北,周俊华.涡流检测[M].北京:机械工业出版社,2004.

陈艳慧,梁鹏飞.CPR1000核电机组凝汽器传热管涡流检测策略对比与优化[J].无损检测,2020,42(08):63-66+71.