Dent dimension measurement technique for heat transfer tubes of steam generator
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摘要:
压水堆核岛主设备蒸汽发生器传热管在制造安装过程中易产生凹痕,要对凹痕进行残余应力分析、壁厚损失计算和运行寿命评估等工作,须获得凹痕的深度、长度和宽度等关键尺寸信息。针对已安装的传热管系密集和蒸汽发生器壳体限制导致凹痕尺寸无法直接测量的问题,提出了一种利用视频内窥镜测量凹痕深度、同轴线圈内穿涡流测量凹痕长度及阵列内穿涡流测量凹痕宽度的方法。该方法为传热管凹痕的定量分析提供了依据,为后续核岛主设备热交换器传热管凹痕质量问题的处理累积了宝贵经验。
Abstract:The ding/dent may be generated in heat transfer tubes of PWR stream generator during the manufacturing and installation process, the dimension of ding/dent including its depth, length and width should be provided if residual stress analysis, wall thickness loss calculation and operational life assessment are carried out. This paper described a method for measuring the depth of ding/dent using video endoscopy, measuring the length of ding/dent using internal bobbin eddy current technique, and measuring the width of ding/dent using internal phase array eddy current technique, in response to the tubes were already installed and cannot be directly measured due to the geometric configuration limitations of the steam generator. This dimension measurement technique provided a basis for quantitative analysis of the tube ding/dent and accumulates valuable experience for the similar quality problem of heat exchanger of nuclear power plant.
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Keywords:
- heat transfer tube /
- dent /
- dimension /
- measuring technique
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压水堆核岛主设备蒸汽发生器传热管在制造安装过程中易产生凹痕。传热管系已安装就位后,管系密集和蒸汽发生器壳体限制会导致凹痕尺寸无法直接测量,针对此问题,提出了一种利用视频内窥镜测量凹痕深度、同轴线圈内穿涡流测量凹痕长度及阵列内穿涡流测量凹痕宽度的方法。该方法为传热管凹痕的定量分析提供了依据,为后续核岛主设备热交换器传热管凹痕质量问题的处理累积了宝贵经验。
1. 概述
1.1 待检工件描述
某蒸汽发生器在制造过程中进行涡流抽查时,第9块和第10块支承板之间发现有凹痕缺陷。此时传热管安装已完成,工件水平放置,还未焊接下封头组件和上部组件。传热管已安装就位的蒸汽发生器结构示意如图1所示。
1.2 凹痕介绍
在安装核岛主设备蒸汽发生器传热管的过程中,管子被推动穿过传热管支承板进入管板时受到阻力作用而产生横向分力,后与传热管支承板发生挤压,而产生凹痕；抗振条安装操作不当也可能产生凹痕。安装完成后采用内穿式涡流检测,能够有效发现此类凹痕缺陷。当凹痕位于传热管自由段时,涡流术语称为“Ding”,缩写为“DNG”；当凹痕位于传热管支承板区域时,涡流术语称为“Dent”,缩写为“DNT”。
凹痕是一种传热管局部发生形变,但壁厚没有损失的缺陷,国内外均将其归为“非降质”类缺陷,一般不作为制造和运行阶段涡流检测的接受和判废依据。仅对达到记录标准的凹痕缺陷采用阵列探头或旋转探头涡流进行检测,判断凹痕附近是否有危害性显示。由于制造和运行阶段不对凹痕本身进行测量,因此,国内外还未见凹痕尺寸测量的报道。
2. 测量技术分析及选择
2.1 测量存在的困难
蒸汽发生器传热管凹痕是在安装过程中产生的,发现凹痕时传热管已安装完成,壳程侧传热管层层覆盖,凹痕位于两块传热管支承板之间,无法从传热管外表面进行观察和测量。
针对上述问题,目前主要有两种检查方法,一种方法是从管口伸入长距视频内窥镜进行传热管内表面目视检查；另一种方法是从管口伸入涡流探头检测凹痕、减薄、鼓包和裂纹等缺陷。上述方法都不是专用于凹痕尺寸测量的方法。同时,调研了国内专业检测单位并查询了美国专业机构关于凹痕尺寸测量的相关规定和技术应用后,发现国内外均无凹痕尺寸测量案例,也无相关方法可供使用。
2.2 测量技术分析
笔者调研到市场上有一种基于先进3D可视化点云图像处理技术的3D视频内窥镜,其实物如图2所示。该类视频内窥镜开启实时3D功能后,可拍摄测量部位的图像,并生成测量部位的3D点云图像,然后利用3D点云分析对缺陷进行测量和分析。基于3D测量视频内窥镜的技术特点和测量能力[2-3],文章拟将3D测量视频内窥镜用于凹痕深度的测量。
内穿式同轴线圈涡流探头（Bobbin）主要用于传热管的常规全管检查,其实物如图3所示。该探头可以发现并测量传热管的裂纹、体积型缺陷、凹痕等,能测量胀管区轮廓曲线,并能定位缺陷的轴向位置,具有检测速度快、检测灵敏度高等优点,但不能分辨周向缺陷。基于Bobbin涡流探头的技术特点和测量能力,拟使用Bobbin涡流探头测量凹痕的轴向长度。
内穿式阵列涡流探头、内穿式旋转涡流探头（MRPC）通常用来对Bobbin探头发现的缺陷进行复核,进一步判断缺陷性质。阵列涡流探头具有检测速度快、可分辨周向缺陷等优点,其实物如图4所示。MRPC探头可分辨周向缺陷,但检测速度慢。基于内穿式阵列涡流探头的技术特点和测量能力,拟使用阵列涡流探头测量凹痕的周向宽度。
3. 测量技术介绍及论证
3.1 凹痕深度测量
3D测量内窥镜在传热管内部的成像如图5所示。传热管轴向测量原理示意及测量结果如图6所示,其通过测量凹痕与边缘正常区域的差异获得凹痕深度。传热管周向测量原理示意及测量结果如图7所示,其通过测量视场中两端点连线与凹痕的差异获得凹痕深度。
通过上述分析,轴向剖视图中凹痕左右均为平表面,通过测量凸起部分和左右平表面的差值,即可获得凹痕深度。周向剖视图中,传热管内表面为圆弧状,软件难以分析出圆弧表面与凸起部分的差值。因此,仅可使用轴向测量来得到凹痕深度。
在正式开展测量工作前,进行了准确度验证、测量方法误差和人工测量误差等3方面的验证工作。
（1）准确度验证
使用设备厂家提供的用于验证点云图像处理精度的标样进行设备测量准确度验证,标样上有两个距离为2.54 mm的测量点,经过3次测量,测量平均值为2.52 mm,通过计算可得准确度为99.21 %。
（2）测量方法的误差
模拟穿管过程制作凹痕试件,通过内径测微定位器测量试件上凹痕的深度,并将测量结果与3D测量内窥镜的测量结果进行对比,结果如表1所示。
Table 1. 3D内窥镜的凹痕深度测量误差试件编号 内径测微定位器测得的凹痕深度 3D内窥镜测得的凹痕深度 误差 1 0.046 0.04 0.006 2 0.044 0.04 0.004 3 0.068 0.06 0.008 4 0.078 0.07 0.008 5 0.076 0.07 0.006 6 0.168 0.15 0.018 7 0.265 0.27 -0.005 8 0.281 0.28 0.001 9 0.245 0.23 0.015 10 0.476 0.48 -0.004 测量方法误差均方根为0.008 98 通过试验可知,3D测量内窥镜测量方法与直接测量结果的误差小于0.01 mm。
（3）人工测量误差
分别指定3名具有VT二级资质的专业人员使用3D测量内窥镜测量上述试件上的凹痕深度,对比测量结果如表2所示。
Table 2. 凹痕深度人工测量误差试件编号 1#检查员测量结果 2#检查员测量结果 3#检查员测量结果 测量平均值 1#检查员测量误差 2#检查员测量误差 3#检查员测量误差 1 0.04 0.04 0.05 0.04 0.00 0.00 0.01 2 0.04 0.05 0.04 0.04 0.00 0.01 0.00 3 0.06 0.06 0.07 0.06 0.00 0.00 0.01 4 0.07 0.08 0.07 0.07 0.00 0.01 0.00 5 0.07 0.06 0.07 0.07 0.00 0.01 0.00 6 0.15 0.15 0.16 0.15 0.00 0.00 0.01 7 0.27 0.26 0.27 0.27 0.00 0.01 0.00 8 0.28 0.27 0.28 0.28 0.00 0.01 0.00 9 0.24 0.24 0.23 0.24 0.00 0.00 0.01 10 0.48 0.46 0.47 0.47 0.01 0.01 0.00 试验结果表明,3D测量内窥镜测量方法由于人工差异引起的测量误差不大于0.01 mm。可知3D内窥镜测量凹痕深度的精度高、重复性好,可以用于实际工件的测量。
3.2 凹痕长度测量
传热管内穿过式自比差动线圈涡流检测原理如图8所示,检测时,如果管壁无缺陷,涡流信号位于平衡位置；当1#线圈靠近缺陷时,产生涡流信号,当缺陷正好位于1#线圈处时,涡流信号最大；随着探头前进,当缺陷位于两个探头的中心时,涡流信号重新回到平衡位置；当2#线圈靠近缺陷时,产生相反的涡流信号,当缺陷正好位于2#线圈处时,涡流信号最大；探头线圈远离缺陷后,涡流信号停留在平衡位置,但记录了相应探头位置的缺陷信号[4]。
数据采集时,仪器会记录每个采样点的涡流信号,并对采样点进行编号,将所有采样点的信号组合成一组涡流数据。数据分析时,先测量凹痕信号起始点的采样点编号和结束点的采样编号, 如图9所示。如果凹痕位于第9块和第10块传热管支承板之间,则测量第9块和第10块传热管支承板的采样点编号。假设涡流探头在此两块传热管支承板之间均速运动,涡流数据采样率保证不变,同时,传热管支承板的间距已知,可计算出凹痕长度为
(1) 式中：L1为涡流测得的凹痕长度；T1为凹痕信号结束点的采样点编号；T2为凹痕信号起始点的采样点编号；T3为第10块传热管支承板中心点的采样点编号；T4为第9块传热管支承板中心点的采样点编号；D为第9块和第10块传热管支承板间的距离。
然而,上述涡流方法测得的数据不是凹痕的实际长度。凹痕感生涡流信号时的距离与检测线圈磁场和传热管涡流场密切相关,检测频率、填充系数、被检传热管电和磁特性等因素决定了磁场和涡流场的分布。多种影响因素导致难以通过计算的方法确定产生涡流信号时缺陷与线圈的距离。故将涡流信号测量凹痕长度与直接测量凹痕长度的差异自定义为“磁感应影响长度”,并通过试验来确定。
为了评估涡流信号的影响,利用10个人工制作的凹痕试件测量长度方向的“磁感应影响长度”。将测得的凹痕长度与直接使用显微镜测得的长度进行对比,对比结果如表3所示。
Table 3. 凹痕轴向磁感应影响长度序号 显微镜测得的长度 涡流测得的长度 差值 1 2.00 9.25 7.25 2 3.00 8.75 5.75 3 3.00 10.50 7.50 4 6.00 12.00 6.00 5 3.00 10.75 7.75 6 7.00 13.25 6.25 7 6.00 13.50 7.50 8 6.00 13.25 7.25 9 9.00 14.75 5.75 10 7.00 14.00 7.00 通过均方根计算可得轴向的“磁感应影响长度”L2为
(2) 因此,考虑“磁感应影响长度”L2后,凹痕长度L应为
(3) 为验证上述测量方法和磁感应影响长度的正确性,重新制作了凹痕试件,直接使用显微镜测量和涡流测量的结果如表4所示。
Table 4. 凹痕长度涡流测量与直接测量结果序号 直接测量长度 涡流测量长度 序号 直接测量长度 涡流测量长度 1 4.50 5.56 11 8.50 8.87 2 10.50 11.12 12 7.50 8.13 3 5.20 5.91 13 9.00 9.87 4 4.90 4.87 14 25.00 25.65 5 9.50 9.25 15 20.00 19.61 6 23.00 22.88 16 12.00 12.07 7 9.50 9.70 17 13.00 12.82 8 20.00 19.06 18 14.00 13.58 9 20.00 20.45 19 17.40 16.97 10 13.50 12.82 差值均方根为0.554 5 mm 综合考虑涡流探头移动速度变化,涡流数据采样率等影响,Bobbin涡流探头测量凹痕长度的方法具有可行性。
3.3 凹痕宽度测量
阵列X-Probe探头线圈分为两层,每层有15个线圈。数据采集时,采用一个线圈激发,两个线圈接收的方式,可以获得周向均布的30个通道,其工作原理示意如图10所示。当N个通道能检测到凹痕信号,则理论上阵列涡流测得的凹痕宽度W为
(4) 式中：Wn为阵列涡流测得的凹痕宽度;C为传热管内周长;30为阵列涡流周向30个通道;N为发现凹痕的阵列涡流通道数量。
由图10可知,凹痕实际宽度为Wn~Wn-1时,n个通道都能够发现凹痕。在23个自然凹痕试件上分别进行直接测量和阵列涡流测量,结果如表5所示。由表5可见,绝大部分凹痕直接测得的宽度均在涡流测得的宽度范围内,少量凹痕略小于宽度范围下限,即阵列涡流探头测量凹痕宽度的方法具有可行性。
Table 5. 凹痕宽度直接测量结果与涡流测量范围比较序号 直接测量宽度 涡流测量宽度范围 序号 直接测量宽度 涡流测量宽度范围 1 1.50 1.62~3.24 13 2.30 1.62~3.24 2 2.70 1.62~3.24 14 2.20 1.62~3.24 3 1.70 1.62~3.24 15 2.10 1.62~3.24 4 2.30 1.62~3.24 16 2.30 1.62~3.24 5 1.60 1.62~3.24 17 2.20 1.62~3.24 6 2.30 1.62~3.24 18 3.10 1.62~3.24 7 1.50 1.62~3.24 19 2.50 1.62~3.24 8 1.40 1.62~3.24 20 2.60 1.62~3.24 9 1.50 1.62~3.24 21 3.00 1.62~3.24 10 1.80 1.62~3.24 22 3.00 1.62~3.24 11 1.80 1.62~3.24 23 2.90 1.62~3.24 12 1.70 1.62~3.24 - - - 4. 结论
（1）采用3D测量视频内窥镜测量凹痕深度,准确度大于95 %,误差不大于0.01 mm。
（2）采用内穿过式同轴线圈涡流探头测量凹痕长度时,需要考虑“磁感应影响长度”对测量结果的影响。经试验验证,涡流测量结果与直接测量结果差异小于5 %,存在一定差异。
（3）采用内穿过式阵列涡流探头,可以通过发现凹痕涡流信号的通道数量计算凹痕的宽度范围,但不是某一具体数值。
利用上述方法测得的凹痕尺寸上限,作为结构强度、外压失稳、腐蚀降质和流致振动4方面分析的计算输入,可以有效评估凹痕对设备使用的影响。
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Table 1 3D内窥镜的凹痕深度测量误差
试件编号 内径测微定位器测得的凹痕深度 3D内窥镜测得的凹痕深度 误差 1 0.046 0.04 0.006 2 0.044 0.04 0.004 3 0.068 0.06 0.008 4 0.078 0.07 0.008 5 0.076 0.07 0.006 6 0.168 0.15 0.018 7 0.265 0.27 -0.005 8 0.281 0.28 0.001 9 0.245 0.23 0.015 10 0.476 0.48 -0.004 测量方法误差均方根为0.008 98 
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Table 2 凹痕深度人工测量误差
试件编号 1#检查员测量结果 2#检查员测量结果 3#检查员测量结果 测量平均值 1#检查员测量误差 2#检查员测量误差 3#检查员测量误差 1 0.04 0.04 0.05 0.04 0.00 0.00 0.01 2 0.04 0.05 0.04 0.04 0.00 0.01 0.00 3 0.06 0.06 0.07 0.06 0.00 0.00 0.01 4 0.07 0.08 0.07 0.07 0.00 0.01 0.00 5 0.07 0.06 0.07 0.07 0.00 0.01 0.00 6 0.15 0.15 0.16 0.15 0.00 0.00 0.01 7 0.27 0.26 0.27 0.27 0.00 0.01 0.00 8 0.28 0.27 0.28 0.28 0.00 0.01 0.00 9 0.24 0.24 0.23 0.24 0.00 0.00 0.01 10 0.48 0.46 0.47 0.47 0.01 0.01 0.00
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Table 3 凹痕轴向磁感应影响长度
序号 显微镜测得的长度 涡流测得的长度 差值 1 2.00 9.25 7.25 2 3.00 8.75 5.75 3 3.00 10.50 7.50 4 6.00 12.00 6.00 5 3.00 10.75 7.75 6 7.00 13.25 6.25 7 6.00 13.50 7.50 8 6.00 13.25 7.25 9 9.00 14.75 5.75 10 7.00 14.00 7.00
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Table 4 凹痕长度涡流测量与直接测量结果
序号 直接测量长度 涡流测量长度 序号 直接测量长度 涡流测量长度 1 4.50 5.56 11 8.50 8.87 2 10.50 11.12 12 7.50 8.13 3 5.20 5.91 13 9.00 9.87 4 4.90 4.87 14 25.00 25.65 5 9.50 9.25 15 20.00 19.61 6 23.00 22.88 16 12.00 12.07 7 9.50 9.70 17 13.00 12.82 8 20.00 19.06 18 14.00 13.58 9 20.00 20.45 19 17.40 16.97 10 13.50 12.82 差值均方根为0.554 5 mm
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Table 5 凹痕宽度直接测量结果与涡流测量范围比较
序号 直接测量宽度 涡流测量宽度范围 序号 直接测量宽度 涡流测量宽度范围 1 1.50 1.62~3.24 13 2.30 1.62~3.24 2 2.70 1.62~3.24 14 2.20 1.62~3.24 3 1.70 1.62~3.24 15 2.10 1.62~3.24 4 2.30 1.62~3.24 16 2.30 1.62~3.24 5 1.60 1.62~3.24 17 2.20 1.62~3.24 6 2.30 1.62~3.24 18 3.10 1.62~3.24 7 1.50 1.62~3.24 19 2.50 1.62~3.24 8 1.40 1.62~3.24 20 2.60 1.62~3.24 9 1.50 1.62~3.24 21 3.00 1.62~3.24 10 1.80 1.62~3.24 22 3.00 1.62~3.24 11 1.80 1.62~3.24 23 2.90 1.62~3.24 12 1.70 1.62~3.24 - - -
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