压水堆核电站在役检查用无损检测技术发展概况

刘伟

摘 要

压水堆核电站在运行过程中，承压机械部件容易受到温度和应力等因素的影响，部件材料的性能逐渐恶化，各类形式的裂纹产生，进而影响机械部件的正常运行与核安全生产。基于此，本文以无损检测技术作为研究对象，将该技术用于压水堆核电站的在役检查中，通过超声检测技术、射线技术与涡流检测技术提高压水堆核电站的无损检测技术水平。

关键词

压水堆核电站;在役检查;无损检测技术

中图分类号： TM623                     文献标识码： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 17 . 67

0 引言

在压水堆核电站的服役期间，相关人员应定期进行部分零部件的在役检查，其中无损检测技术指的是在不破坏核部件的前提下，采用物理或者化学手段，应用先进的信息技术对部件内部与结构表面进行状态检测，以此保证压水堆核电站的安全运行。众多无损检测技术中，渗透检测与磁粉检测技术是表面检测方法，超声检测技术和射线检测术语体积检测方法。

1 压水堆核电站在役检查用无损检测的基本要求

1.1 核电设备材料与结构特点

由于压水堆核电站一直处于特殊的工作环境，高温高压且强烈腐蚀状态下，核电站对设备材料提出了较高的安全运行要求。选用核电材料是应考虑其强度、塑性以及韧性等力学性能，还要考虑材料的锻造、焊接等工艺性能，并时刻观察因辐照引起的材料性能变化。压水堆核电站的回路系统内包含反应堆与压力容器、冷却剂主泵、蒸汽发生器、稳压器等，按照具体部件的位置与功能，选择合适的材料十分必要。燃料包壳需要在高温高压、中子辐射的环境中工作，受冷却剂循环力与燃料肿胀的作用影响，首选锆合金材料。压水堆核电站的堆内构件可选择奥氏体不锈钢与镍基合金材料，管道使用奥氏体不锈钢，反应堆压力容器使用低碳合金与内部堆焊不锈钢材料。经总结发现，压水堆核电站的回路系统中采用了大量耐高温高压、抗腐蚀性、抗辐射性较强的材料[1]。

1.2 无损检测的基本要求

无损检测是一种用于产品质量控制或生产过程控制的手段，压水堆核电站中的无损检测应将材料与部件自身特征相结合，选择合适的检测方法，确定合理的检测流程，应用相应的检测工具，从而保证无损检测时不会对部件产生危害。压水堆核电站回路系统中具有较强放射性物质，设备在高剂量辐照环境内工作，为保证压水堆核电站正常运行，应对设备制造与安装过程进行无损检测。在设备的设计阶段，应编制出科学合理且适应性较强的技术规范，明确检测流程，以保证检测方法的实效性。在设备的制造阶段，应检查其原材料与零部件，确保设备符合使用要求。在设备的安装过程，应对安装现场的应用性材料展开状态检测。压水堆核电站的在役检查具有一定危险性，要求相關人员尽可能在规定时间内完成检测工作。

在检查标准和规范方面，我国不同的压水堆核电站采用了不同的检查标准。比如秦山一期核电站采用了美国ASME检查标准，秦山二期核电站采用了法国RSE-M检查规范，秦山三期核电站采用了加拿大标准，大亚湾核电站、岭东核电站、台山核电站均采用的是法国RSE-M检查规范。我国压水堆核电站采用的在役检查标准与规范具有复杂性与多样性，核电站会直接采购NDT通用设备，安排具有国家核工业无损检查资质的人员进行这项工作。

2 压水堆核电站在役检查用无损检测技术发展

2.1 渗透检测与磁粉检查

在使用渗透检测和磁粉检测技术之前，起初人们会选用目视检测方法，从而直观找出设备或零部件表面的缺陷问题。当检测人员接近被检测部位时，有时可以用肉眼进行设备检测，如果无法直接接近部件，可利用光学仪器与辅助设备完成检测。目视检测是压水堆核电站常用的无损检测方法之一，可观察负水压试验期间被检测部件是否有泄露或变形等缺陷问题。针对压水堆核电站的常规岛在役检查，目测检测主要涉及汽轮机与发电机设备相关部件、压力管道外部、压力容器、辅助蒸汽锅炉等部分，对于压水堆核电站的在役检查，应对主回路系统、蒸汽发生器内部不锈钢堆焊层、稳压器堆焊层等部位进行目视检测。

压水堆核电站的渗透检测与磁粉检测属于两种常见的设备表面检测方法。其中渗透检测以毛细管原理为基础，检测非金属材料与非多孔性金属材料的承压设备在安装使用过程中是否存在表面缺陷问题，这种无损检测方法结合渗透剂与渗透剂去除方式的不同，其检测也有着不同类型。在压水堆核电站在役检查中，人们常使用溶剂去除型着色渗透检测方法，用于存在泄漏阀体或焊缝表面的检测。对于焊缝的检测范围，具体如下：首先，被检测区域应包含焊缝熔敷金属与焊补熔敷部位，两侧与焊缝边缘之间的距离应保持15mm上的热影响区。其次，密封焊缝与焊缝边缘之间的距离应保持10mm以上的热影响区。最后，支撑与容器、管道的连接焊缝，被检测区域应包含熔敷金属与焊缝两侧10mm区域的可达部分。如果压水堆核电站设备工作表面已经发生磁化，应在其上面施加磁粉，磁漏部位吸附磁粉的过程就是磁粉检测方法，这一无损检测方法适合用于铁磁性材料的承压设备焊接位置或零部件表面检测，不适合用在奥氏体不锈钢材料的检测，常见的磁粉检测方法主要有荧光磁粉检测与非荧光磁粉检测两种。压水堆核电站中采用了大量碳钢材料和铁磁性材料，使用磁粉检测技术可以检测出设备表面或开口处是否有缺陷，这一技术的检测灵敏度比渗透检测要高。当前人们主要将磁粉检测技术用于压水堆核电站铁磁性焊缝工作表面的检测[2]。

2.2 超声检测技术

2.2.1 超声相阵控技术

超声检测指的是应用超声波检测与表征材料的缺陷、组织结构，对材料性能展开专业评估的一种技术。该技术检测灵敏性较强，成本较低，容易帮助压水堆核电站实现自动化操作，而且超声波检测技术在应用过程中不会对设备产生辐射或化学污染。在压水堆核电站中，超声检测技术也是无损检测的一种，常用于压力容器对接焊缝以及角接焊缝部位的体积检查，或用于压力管道焊缝的表面检查、汽机部件与锻件内部检查。超声检测技术在使用时存在相应缺陷，比如测试时对耦合剂过度依赖，探头较大导致可达性下降，为弥补传统超声检测技术的缺陷，并满足压水堆核电站无损检测技术的应用要求，随着超声检测技术的发展，人们开始应用超声相阵控技术，通过对超声列阵换能器内各个阵元进行控制，使阵元发射的超声波偏转聚焦，保持相位与幅度统一，在调节聚焦点的同时检测压水堆核电站设备复杂工件，最大限度上提升检测的灵敏度。

随着人们对超声相阵控技术研究的深入，测试系统日益完善，最初该技术用于医学领域，计算机技术的发展使超声相阵控技术开始用工业领域，比如航天航空与核工业。这是一种无损检测技术，围绕检测成果成像进行目标定位好复杂结构的检测，超声相阵控技术在压水堆核电站中发挥着重要的作用，汽轮发电机叶片结构复杂，需要在特殊环境中工作，应用超声相阵控技术可以提高检测精度，防止汽轮发电机叶片在拆卸时出现损伤。当前，超声相控阵技术、数字信号处理技术、成像技术的结合已成为压水堆核电站在役检查设备无损检测的重要发展方向[3]。

2.2.2 激光超声技术

高能量激光脉冲和物质表面发生作用的过程中容易产生热特性区，热量扩散引发热应力作用，因此产生超声波。检测超声波可以达到检测压水堆核电站设备材料的效果，这就是激光超声技术。与传统的超声检测技术相比，激光超声技术在应用时不需要用到耦合剂，检测速度快且精度高。随着我国技术的发展，激光超声技术对薄膜材料的检测保持着高精度，该技术可以对曲面结构、多层结构等复杂几何结构进行检查。同时，激光超声技术可以用在高温、高辐射以及腐蚀环境下，当前压水堆核电站没有将激光检测技术完全引入，人们还需要根据激光超声技术定位的实际情况，结合压水堆核电站复杂的工况对技术加以改进[3]。

2.2.3 电磁超声技术

基于洛伦兹力与磁致伸缩效应而产生了超声波，这种超声波对技术导体的检测技术就是电磁超声技术。与以往的检测技术相比，电磁超声技术不用和工件接触，检测时不会产生污染，适合用于高温环境下的检测。凭借着电磁超声技术的应用优势，该技术可以用于石油管道与压力容器领域内，从而对材料缺陷进行检测与定位，并测量出材料的厚度，这是一种无损检测技术，可用在焊缝与钢管材料检测中。但电磁超声检测技术的灵敏度过高，容易受环境的影响，为了使其更好的用于压水堆核电站中，有必要对技术加以改进。应进一步优化电磁激发装置，做好回波信号的处理工作，结合电磁超声导波技术与激光电磁超声波技术，以此为基础发展新的技术，维护压水堆核电站的正常运行与发展。

2.3 射线检测与涡流检测技术

射线检测就是利用X射线、中子射线、γ射线为射线源，通过射线透照试件，查看试件内部是否有缺陷，并结合衍射特性分析晶体结构。在检测铸件时可以利用射线检测技术了解其缺陷的形状与大小，并确定缺陷分布范围，射线检测可以用在压水堆核电站承压设备、受压元件安装和使用过程中对接焊缝接头的检测。焊接时焊缝内容易出现气孔或夹渣等问题，射线检测能够较好地检出体积型缺陷。在压水堆核电站大修期间可以采用该技术检测对接环焊缝。涡流检测以电磁感应原理为基础，通过检测工件内部涡流变化来进行导电材料的无损评定，涡流检测方法适合用于承压设备导电性技术材料、焊接接头表面缺陷检测。根矩试件的不同，也会用到不同形式的线圈，比如传过式、探头式以及插入式几种，在压水堆核电站中经常用到插入式线圈进行管子内部检测，比如凝汽器焊接钛管和蒸汽發生器传热管的涡流检测。

3 总结

总而言之，每一种无损检测技术都具有特定的适用范围，对于同一零件的缺陷，不同检测技术的灵敏度也会不同。随着技术的发展，应根据压水堆核电站的环境特殊性选择相应的无损检测技术，从而保证设备正常运行，帮助压水堆核电站消除事故隐患。

参考文献

[1]鲍伟伟.压水堆核电站核仪表系统典型故障分析与改进[J].仪器仪表用户，2019，26（12）：48-50+38.

[2]夏祖国.压水堆核电站泄漏监测原理及方案研究[J].仪器仪表用户，2019，26（11）：83-86+93.