分享：凝汽器传热管近管口区域的表面阵列涡流检测

凝汽器作为核电厂常规岛的重要组成部分，其安全可靠性直接影响到机组的安全稳定运行。而传热管作为凝汽器的主要换热组件，是凝汽器最重要的部分。传热管材料为钛合金，传热管管口与管板之间采用“胀管+密封焊”的形式连接，其结构示意如图1所示。 

图  1  凝汽器管口区域结构示意

目前，主要采用Bobbin探头对凝汽器传热管进行涡流检测，在近管口区域受胀管过渡段及管板边缘的影响，该区域（整个管板区域+管板内边缘往内部10 mm）为检测盲区[1]，在役检查阶段往往需要对近管口区域补充进行目视检测。某电厂大修期间，目视检测发现接排出水侧近管口区域存在大量划伤，如图2所示。划伤距管口约30 mm，该位置属于管板区域，使用Bobbin探头进行涡流检测时，未发现异常信号显示。同时，由于该划伤位于传热管内壁，且划伤较细（长度小于0.5 mm），采用传统测量方法无法确定该缺陷的深度。 

图  2  近管口区域划伤示意

为解决该缺陷的检出问题，并给出半定量的检测方案，可采用的涡流检测技术有MRPC、管阵列、表面阵列等。考虑到该缺陷属于表面开口缺陷且位于管板区域，为尽量降低结构信号的影响，拟采用更高频的表面阵列涡流检测技术实施检测[2]，并通过试验验证其检测能力。 

1.   表面阵列涡流检测原理

阵列涡流检测基于常规的涡流检测技术，主要通过设计合理的传感器结构使涡流探头阵列化，并利用数字信号处理技术和计算机技术完成信号的激励、运放、采集、调理、显示等功能，从而实现快速、高效的数字化检测。与传统单探头涡流检测相比，阵列涡流检测采用电子学技术，对传感器单元进行分时切换，通过单次扫查就能达到传统单探头涡流检测多次扫查的检测效果。传统涡流单探头扫查与阵列涡流探头扫查原理示意如图3所示。 

图  3  传统涡流单探头扫查与涡流阵列探头扫查原理示意

表面阵列涡流检测技术是阵列涡流技术在表面检查中的特殊应用，其主要特点是检验频率较常规阵列涡流技术的高。阵列线圈部分由多组按照一定方式排布的T/R（发射/接收）线圈组成[3]。目前的表面阵列涡流探头多采用双排线圈结构，其中一排线圈与另一排线圈在周向错开一个线圈半径的距离，如图4所示。 

图  4  阵列涡流探头结构示意

2.   检测设备及工艺方案

2.1   检测设备

试验采用ZETEC生产的Miz-200A型涡流检测仪（见图5）。选用SURFXTS0023型柔性薄片式表面阵列探头（见图6），其长度为56 mm，线圈排列形式为2×16（列×行），中心频率为1 MHz~4 MHz。 

图  5  Miz-200A型涡流仪实物

图  6  SURFXTS0023型薄片式表面阵列探头实物

柔性表面阵列探头结构的局限性，导致其稳定性以及与被检工件的贴合性较差，故试验设计了一款辅助工装（见图7），以使探头能够较大程度地贴合被检工件，提高检测稳定性及灵敏度，并在探头表面加装了一层保护膜，以免探头受损。 

图  7  辅助工装结构示意

使用时，将探头的长轴与辅助工装的长轴对齐，同时将探头的短轴中心线与工装手柄端圆弧中心线对齐，并使用耐高温耐磨的胶带将探头固定在工装上。探头和工装的组合示意如图8所示。 

图  8  探头和工装的组合示意

参考划伤的型式，在对比试件上设计了6个长度为10 mm，深度不同的周向线性槽。对比试件人工缺陷参数如表1所示（传热管壁厚为0.7 mm），尺寸示意及实物如图9所示。 

图  9  对比试件尺寸示意及实物

2.2   检测工艺

（1）检测频率 

涡流标准渗透深度δ可用公式$\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">?</span>}\text{<span style="font-size: 16px; color: rgb(0, 0, 0);">=</span>}\frac{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">1</span>}}{\sqrt{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">?</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">?</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">?</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">?</span>}}}$（f为频率，μ为材料磁导率，σ为材料电导率）表示，可见检测频率越低，涡流能量渗透深度越大，管外侧管板对缺陷信号的影响就越大。故在针对表面开口较浅的缺陷进行检测时，为减小管外侧管板的影响，并得到尽可能高的检测灵敏度，应提高检测频率。而检测频率越高，待检件表面形成的噪声信号对缺陷信号的影响就越大，从而导致信噪比降低。因此，为了同时兼顾高灵敏度和高信噪比，在使用不同的检测频率对对比试件进行信号采集和分析后，最终将频率设置为1 MHz。 

（2）检测要求 

在被检件上的扫查速度不得超过在对比试件上校准时的扫查速度，信噪比大于3，数字化率应不小于每毫米2个点。 

（3）扫查方式 

扫查速度不应超过200 mm/s，施加在探头上的压力应足以保持其与被检件的接触。扫查时，将探头伸入管内，再沿管内拉出并进行数据采集；周向旋转一定角度后，再次重复之前的探头伸入、拉出采集操作，直至覆盖周向360°。相邻两次扫查时的探头覆盖率应不小于50%。探头扫查示意如图10所示。 

图  10  探头扫查示意

（4）对比试件的校准 

对对比试件上的人工缺陷进行数据采集，观察各轴向通道，选取深度为0.1 mm的线性槽的最大幅值信号，定义为0.5 V，相位调整至90°，并归一化至其他轴向通道。对比试件人工缺陷的信号响应参数如表2所示（幅值测量方式为VMx，下同），信号响应图谱如图11所示。 

图  11  对比试件人工缺陷信号响应图谱

根据对比试件上不同深度的人工缺陷信号响应情况，绘制了幅值与伤深的关系曲线，如图12所示。由图12可知，随着缺陷深度增加，信号幅值逐渐增大，且存在一定的比例关系。因此，可以通过涡流软件对幅值和伤深进行曲线拟合，用于后续缺陷伤深的判定，通过涡流软件拟合后得到的幅值-伤深曲线如图13所示。 

图  12  信号幅值与伤深的关系曲线

图  13  涡流软件拟合得到的幅值-伤深曲线

（5）检测重复性试验 

由于该工装为手持式，故需要验证其检测重复性。验证时，采用上述工艺对同一缺陷（对比试件上0.1 mm深的周向线性槽）采集16次数据，每次采集后的幅值响应如表3所示。 

由表3可知，大部分情况下检测重复性良好，仅有2~3次偏差较大（2，4，11次），后续检测过程中，可通过采取多次重复采集、选取重复出现的幅值进行记录的方式，减小人为因素导致的结果不准确性。 

3.   检测能力验证

为验证上述工艺对凝汽器近管口区域划伤缺陷的检测效果，设计加工了模拟试件进行试验验证。模拟试件由管板与带人工缺陷的传热管胀接而成，人工缺陷相关参数如表4所示，人工缺陷结构示意及模拟试件实物如图14所示。 

图  14  人工缺陷结构示意及模拟试件实物

对模拟试件上的人工缺陷进行数据采集和分析，并记录人工缺陷信号响应信息，响应参数如表5所示，信号响应图谱如图15所示。由图15可知，所有人工缺陷均能有效检出，同时根据图13所示的曲线可给出缺陷深度当量，伤深最大偏差为6.6%。 

图  15  模拟试件人工缺陷信号响应图谱

涡流的端部效应会使得表面阵列探头存在盲区，其大小与检测频率、探头线圈尺寸以及与端部的距离有关。由模拟试验可知，距离端部5 mm的0.1 mm深的线性槽能够有效检出，因此该表面阵列技术的盲区不大于5 mm。 

4.   现场应用

某次大修期间，挑选了一些近管口区域存在划伤的传热管进行现场试验，使用加工的工装搭载柔性表面阵列探头，采用文章工艺参数进行检测，检测结果如图16所示。 

图  16  现场部分近管口区域划伤示意及检测结果

根据幅值-伤深曲线可知，C1R040005幅值为0.7 V，伤深百分比为22%；C2R002012幅值为1.18 V，伤深百分比为37%。经设备工程师评估，确定后续需对其进行跟踪检测。 

5.   结论

（1）文章工艺至少能够检出凝汽器近管口区域深度为0.1 mm、宽度为0.13 mm的表面开口缺陷。 

（2）由模拟试验结果可知，该表面阵列技术的盲区不大于5 mm。 

（3）信号幅值与伤深存在一定的线性关系，幅值大小可以在一定程度上用于评判缺陷伤深，进而为缺陷评估和处理提供参考依据。 

（4）探头工装能够有效提高检测稳定性，但仍为手持式，且需多次扫查才能保证覆盖率及准确性，故检测效率低。

文章来源——材料与测试网