核电站蒸汽发生器传热管电磁超声导波自动化检测系统设计

蒸汽发生器传热管作为高温气冷堆核电站一回路压力边界的关键部件,承担着热交换及辐射屏障的重要作用,其结构完整性严重影响核电安全运行。针对该类特殊结构传热管的在役检查难题,设计了专用的电磁超声导波自动化检测系统,研制了内置单点检测式的磁场增强型电磁超声导波探头,开发了采用模块化组件的五轴联动多自由度自动运载装置,提出了基于机器视觉的管孔动态定位方法,建立了蒸汽发生器全尺寸模拟体试验平台并开展了定位精度测试与缺陷检测试验。试验结果表明所设计的自动化检测系统可实现任意位置目标管孔的高精度定位及自动行走,可识别模拟体上异种钢焊缝处与距离检测端约60 m处的刻槽缺陷,有效检测范围覆盖传热管全长,有望为高温气冷堆核电站蒸汽发生器特殊结构传热管的质量健康评价提供技术支撑。

基于闪光法的蒸汽发生器传热管导热系数的测量研究

针对蒸汽发生器传热管的导热系数很难由理论计算直接获得、通常需要通过试验测量得到的问题,基于瞬态传热原理,在保持传热管外形的基础上,运用激光闪光法设计了一种基于传热管导热系数测量装置。分别对4种不同厂家制造的690合金传热管的导热系数进行了测量,并将测得的数据在20~400℃范围内进行线性拟合,通过拟合公式,可直接求得该温度范围内任一温度条件下的导热系数,为蒸汽发生器传热计算提供可靠的参数。

基于扩展有限元法的传热管贯穿裂纹应力强度因子计算

蒸汽发生器作为压水堆的重要压力边界,其传热管是否破损直接关系到反应堆的运行安全。为解决蒸汽发生器中传热管疲劳裂纹扩展数字孪生中裂纹长度的预测问题,本文通过ABAQUS软件,对已存在贯穿裂纹的传热管进行建模,比较其自带的围线积分法和扩展有限元法(extended finite element method,XFEM)计算应力强度因子(stress intensity factor,SIF)的准确性。在裂纹尺寸a/W>0.5时,XFEM与公式解结果相差较小。因此,采用XFEM计算其在不同应力下的应力强度因子,发现随着裂纹尺寸、载荷的增大,应力强度因子也随着增大,应力值与应力强度因子成正比关系。

自然循环工况下蒸汽发生器传热管一、二次侧温差估算

为确保事故后的堆芯冷却,建立数学模型对自然循环工况下蒸汽发生器传热管一、二次侧温差分布情况进行计算,并研究自然循环流量、衰变热水平、二次侧压力等对温差分布的影响。本实验结果可为蒸汽发生器传热管应力分析提供输入,为制定合理的事故处理策略提供依据。

蒸汽发生器传热管凹陷复合缺陷涡流信号分析

以CPR1000核电机组蒸汽发生器传热管为例,针对蒸汽发生器管板上部因硬质泥渣沉积后挤压传热管致使其产生凹陷,进而可能诱发应力腐蚀开裂的问题,利用三种不同类型的涡流探头,开展传热管凹陷与缺陷复合信号的分析。试验结果表明:凹陷对复合信号中裂纹的识别有较大的影响;当凹陷处的裂纹类缺陷深度增加至40%T(T为壁厚)时,Bobbin探头在信号特征上有较明显变化,使用MRPC探头可有效识别;阵列探头可有效识别局部小变形凹陷与20%T裂纹的复合信号;对比三种类型的探头,阵列探头对凹陷复合缺陷具有更好的检测能力。

某电厂工业冷却水热交换器传热管的涡流检测

在对某电厂工业冷却水热交换器传热管进行涡流检测时发现,多根传热管存在外壁缺陷,且均位于限位杆处,经拔管验证均为限位杆磨损缺陷。由于该设备结构特殊,限位杆与传热管之间为点接触,结合其产生的涡流信号特征,对该类缺陷的分析及定量方法进行了对比分析,为同类设备的涡流检测提供了实践经验。

蒸汽发生器传热管的凹痕尺寸测量

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。

不同类型涡流探头对蒸汽发生器传热管缺陷检测能力的对比分析

为研究不同类型涡流探头对蒸汽发生器传热管缺陷的检测能力,分别采用轴绕式探头、旋转探头与阵列探头,对位于自由段的孔形、槽形、磨损缺陷和疲劳裂纹进行试验、对胀管过渡区孔形和槽形缺陷进行试验,还进行了缺陷分辨力试验,发现旋转探头与阵列探头具有相近的缺陷检出能力,对于间距较小的缺陷和胀管过渡段上的缺陷等复合缺陷,旋转探头与阵列探头的缺陷检出能力均明显优于轴绕式探头的。

基于概率论的核电传热管安全寿命评估方法研究

核电传热管是核电站热交换系统的重要组成部分,其安全运行对整个核电站的稳定性和可靠性至关重要。基于正态分布求概率的方法提出核电传热管安全寿命概率评估方法,融合传热管的抗拉强度和历史检测记录的失效概率数据,拟合传热管的持久强度与疲劳运行时间的指数关系,实现传热管在不同拉力工作环境下在任意运行时间失效的概率计算,同时建立安全寿命与平均破断寿命的关系,为传热管的维护和更换提供参考依据。

溴化锂吸收式冷水机组吸收器传热管腐蚀特性研究

本文采用挂样试验的方式,通过模拟溴化锂吸收式冷水机组吸收器与发生器中溴化锂溶液浓度45%与61%条件下,氧含量分别为0.5%、1%、5%、10%、20%、30%时对B30传热管的腐蚀情况,研究了B30传热管的有氧腐蚀特性,分析了溴化锂溶液浓度与氧含量的腐蚀影响因素与机理,结果表明当溴化锂溶液浓度为45%时,只要氧含量高于5%,B30传热管就会出现麻点状腐蚀,氧含量高于20%,B30传热管明显点蚀,深度达到0.5mm;当溴化锂溶液浓度为61%时,只有当氧含量达到30%,B30传热管才会出现明显的腐蚀麻坑。

直燃机传热管破裂原因分析及维修方法

针对直燃型溴化锂吸收式冷热水机组高压发生器内部传热管束发生的破裂情况,以异常排查为切入点,综合考虑导致破裂的各种因素,结合溴化锂溶液检测报告,对传热管束破裂原因进行细致分析,并采取相应的维修方法,完成传热管束的修复工作。

压水反应堆蒸汽发生器传热管焊接堵管工艺实践

基于某核电厂压水反应堆蒸汽发生器传热管的焊接堵管案例,根据2021年版ASME BPVC规范,主要从堵头材料、焊接材料、焊接工艺评定、堵管工艺操作技术等方面进行分析,以确保压水反应堆蒸汽发生器传热管焊接堵管工艺的有效性。采用经评定合格的堵管工艺,对该核电厂蒸汽发生器的破损传热管进行堵管,蒸汽发生器投用后未再发生泄漏,堵管效果良好。研究结果为国内核电厂蒸汽发生器传热管破损后焊接堵管工艺提供了技术参考。

核电厂蒸汽发生器传热管典型磨损涡流信号分析

磨损是导致蒸汽发生器传热管壁厚发生减薄的主要原因之一,本文针对蒸汽发生器传热管支撑结构磨损、外来物磨损、管间磨损三种典型磨损,结合蒸汽发生器运行工况分析了磨损的产生机理。笔者设计了能代表三种类型磨损的人工伤,通过分析三种磨损人工伤相对应的Bobbin和MRPC涡流信号特征,总结了磨损缺陷的判定原则以及分析流程,为蒸汽发生器传热管涡流检查数据分析提供了参考。

蒸汽发生器小内径传热管检测辅助对管装置设计

本文通过设计夹持卡爪导向系统提出了一种可实现在管板上夹持并准确定位的末端操作装置,并设计了可实现对末端装置进行空间六自由度运动操作的对管操作机构,使人工可以在蒸发器水室外部对探头导引管与管孔的精确密封对准,可实现对小内径、大曲率传热管的涡流无损检测。

内壁强化对TA16钛合金传热管断裂韧度的影响

采用TA16传热管制备的直流蒸汽发生器是新一代核动力装置的核心部件。为提高管材的内壁质量,目前采用内绞、喷砂等数道表面加工程序,生产成本大幅升高。为简化工艺流程,降低生产成本,开展针对TA16管材的内壁强化技术研究。同时为了确定内壁强化对管材断裂韧性的影响,提出一种含双边轴向裂纹管(DEAT)试样,通过弹塑性有限元分析建立DEAT试样的应力强度因子K和J积分的计算表达式,通过建立的试验方法完成内壁强化前后TA16传热管的J-R曲线测试,获得内壁强化前后TA16传热管的断裂韧性参数。试验后采用SEM、EBSD、TEM及纳米压痕分析内壁强化对管材微观组织和性能的影响。研究结果表明:强化后TA16管内壁从表面沿径向形成100~200μm的纳米超细晶区和孪晶变形区,显著提高了管材的内壁质量,但由于表层的硬度升高,导致传热管的断裂韧度整体水平有所下降。研究结果可为TA16管材的质量提升、安全性评价及性能退化评估奠定技术基础。

蒸汽发生器传热管焊接堵管用小型化激光头研制

核电站蒸汽发生器传热管破损将导致放射性冷却剂外泄,因此需进行堵管作业。激光焊接精度高,可用于蒸汽发生器的焊接堵管。然而,受限于蒸汽发生器的空间结构,现有的激光焊接头往往难以满足实际要求,因此需设计定制化的小型激光头。首先,分析和计算了小型化激光头的光路;其次,设计出小型激光头的机械结构,并完成其在蒸汽发生器内的运动仿真和干涉模拟;最后,对所设计的激光头装置进行了模拟传热管焊接验证。结果表明,所设计的小型化激光头具有良好的焊接性能和可操控性能,可用于蒸汽发生器的焊接堵管作业。

核用小直径传热管衬管焊接TIG焊枪的设计及优化

随着我国核工业进入第3个30年发展阶段,核用设备的维修需求日益迫切。核用蒸汽发生器内部结构复杂,关键传热管结构管径小、管道长、拆卸安装难度大,传统修复方法难度极高。针对核用小直径传热管因长期处于高温高压工况而出现的腐蚀破坏问题,文中设计了一种全位置自动化TIG衬管焊接修复焊枪,并进行了焊枪可靠性验证和焊接修复试验。首先,提出了焊枪的总体结构设计方案,并阐述了所设计焊枪相对传统钨极TIG焊枪的优势;接着,完成了焊枪传动系统的设计与验证,所设计的传动系统体积小、空间利用率高;随后,对焊枪关键部位——导电轴进行了刚度理论建模、分析和实例计算,并通过有限元求解验证了理论模型的可靠性,在此基础上提出了焊枪结构的优化方法;最后,进行了现场挠度检测和焊接试验,验证了导电轴的刚度满足现场焊接工况,并用线性回归方程和挠度修正公式定量预测焊枪挠度变形,验证了所设计结构的合理性;焊接试验表明焊枪工作时传动系统的转速稳定可控,焊缝成形良好。文中所研制的焊枪能够满足核用蒸汽发生器不锈钢传热管的衬管焊接修复工艺要求。

铅铋堆蒸汽发生器传热管破裂事故下铅铋-水相互作用程序开发及验证

铅铋堆在设计时必须考虑蒸汽发生器传热管破裂事故,国内外已开展了相关实验、数值模拟研究。对于该事故,传统两流体程序已不满足,为此本文就铅铋堆蒸汽发生器传热管破裂事故下铅铋-水相互作用行为,开展了池内铅铋-水相互作用理论、本构模型、数值算法研究,研制了专用程序,并采用已公开发布的相关实验数据进行程序验证。结果表明,所开发的模型、程序可较好地模拟铅铋-水相互作用行为。本文程序可为我国铅铋堆蒸汽发生器传热管破裂事故分析与安全评价提供理论与技术支撑。

高温高压水环境下690TT合金传热管微动磨损研究

蒸汽发生器(SG)的完整性对于核电站的安全运行十分重要。在运行过程中,SG二次侧流动会使得传热管产生微动磨损,导致管壁减薄甚至破裂,从而影响到核电站的高效安全运行。针对该问题,本文通过试验研究,模拟在高温高压水环境中SG传热管材料690TT合金的微动磨损行为。系统地研究了循环周次和位移幅值对690TT合金传热管微动磨损损伤机制以及磨损性能的影响。结果表明,循环周次对磨损行为和损伤机制影响不大,但影响材料磨损性能评估,需通过差分法计算得到准确的材料磨损系数。位移幅值对传热管的磨损行为和损伤机制影响较大。振幅由20μm增加到150μm时,磨损系数会增大,磨损机制从以黏着磨损为主,逐渐变成磨粒磨损、剥层磨损和氧化磨损。

含微振磨损缺陷蒸发器传热管爆破压估算方法

蒸汽发生器传热管的局部微振磨损缺陷会导致其承压能力降低。研究了含不同微振磨损缺陷的Inconel 690蒸汽发生器传热管的爆破压,采用数值模拟方法分析了微振磨损缺陷对传热管爆破压的影响规律,并进一步研究得到了含瓦片状缺陷及防振条磨损缺陷的传热管爆破压估算公式。研究表明,基于缺陷分类的爆破压预测结果更为精确,且所建立的降质传热管爆破压估算公式是合理且保守的。