WWER堆型保护管组件外表面底部的目视检测

赵 伟，周小龙，赵 玄，吴东栋

(中核武汉核电运行技术股份有限公司， 武汉 430223)

在WWER-1000堆型的吊篮中，保护管组件是反应堆的重要部件，长期运行在一回路中，受到应力、温度、辐照、氢吸附、腐蚀、振动和磨损的影响，材料性能易发生变化。根据ПНАЭГ-7-008-89 《核动力装置的设置和设备及管道的安全运行规程》 和ПНАЭГ-7-010-89 《核动力装置的设备和管道焊接接头和堆焊层的检测规程》 的要求，需要定期对吊篮底部的保护管组件进行目视检测，观察其表面是否存在损伤，以评估损伤对核电厂安全运行可能产生的影响。

保护管组件在役检查需连续占用环吊约50 h，检查期间环吊无法从事其他检修作业，不利于大修关键路径的优化。为降低保护管组件在役检查对环吊的占用率，以及优化大修关键路径提供支持，开发了一套新型保护管组件目视检测系统。

被检对象为田湾核电站WWER堆型保护管组件外表面底部，具体位置为与燃料组件头部配对的下格栅表面，其结构如图1所示。

图1 保护管组件外表面底部结构示意

保护管组件处于吊篮底部，在役检查期间，吊篮存放于反应堆水池内部，保护管组件距离水面较远，检测保护管组件需要克服水下、辐照、低照度等问题。俄罗斯国家核动力和工业监督委员会的标准 《核动力装置设备与管道母材(半成品)焊接接头和堆焊层的标准检测方法 目视和测量检测》 规定了目视和测量实施的测量精度需满足标准ПНАЭГ-7-016-89 《核动力装置设备与管道母材焊接接头和堆焊层标准检验方法 目视和测量检验》 的要求。根据标准ГОСТ 23479-79 《无损检测光学方法 一般要求》，目视检测时使用反射光。

对保护管组件实施目视检测，并对缺陷进行测量和记录。针对保护管组件的检测需求，根据标准ПНАЭГ-7-016-89和ГОСТ 23479-79，检测技术要满足以下要求。

(1) 照度。进行目视检测工作时，受检区域的光照强度应不小于300 lx。

(2) 动态分辨能力测试。由于保护管组件处于水面以下，需通过定位装置搭载摄像头到达底部的保护管组件才能实现目视检测，故为了清晰分辨出缺陷，需要测试定位装置在运动中的分辨率，即进行动态分辨能力测试，要求至少分辨出分辨率试板上0.2 mm的细线。

(3) 观察视角。由于水池底部的光照度低，为了获得更佳的检测灵敏度，水下摄像头在自带光源的辅助下，摄像头与被检表面的扫查角度不小于30°。

(4) 深度。受检对象位于水下一定深度处，为保证检测系统的有效分辨能力，需要对检查系统的检测深度进行测试。

(5) 扫查速度。为保证检测系统在检测过程中具有有效的分辨能力，需要对检查系统的扫查速度和步进速度进行测试，需满足速度不大于100 mm·s-1的要求。

(6) 可达性分析。为了实现对底部处于水面以下的保护管组件的检测，要确保检查装置能到达水面以下，且检测要覆盖保护管组件。

(7) 缺陷定量。采用测量系统对发现的保护管组件外表面底部缺陷进行尺寸测量。测量系统的几何测量精度符合标准ПНАЭГ-7-016-89的要求，具体如表1所示。

表1 测量系统允许的误差范围 mm

结合目视检测技术要求，保护管组件外表面底部可采用目视检测，执行标准为ПНАЭГ-7-016-89，检测灵敏度为至少能分辨出0.2 mm宽的黑线或刻伤，验收标准按照ПНАЭГ-7-016-89标准和ГОСТ 23479-79标准执行[1]。

应选择从底部外表面进行目视检测。在役检查时，由于保护管组件外表面处于吊篮底部，通常采用浮游装置携带摄像头进行检查。检查过程中，在视频采集分析电脑上观察实时视频，发现缺陷显示时需暂停采集，当采集结束后再对缺陷显示进行分析。

3.1 检测系统

保护管组件外表面底部目视检测系统主要包括浮游装置、控制系统、水下摄像头、图像采集及测量系统。

检测系统采用浮游定位装置[2-3]搭载水下摄像头潜入水下，通过水下电缆与水面上作业平台的控制系统进行连接，通过远程交互的方式实现对水下浮游定位装置和水下摄像头的控制，由水下摄像头采集保护管组件表面状态的图片和视频，从而完成保护管组件检测(见图2)。

3.2 缺陷测量标定试板

根据标准要求，设计带有各种形状和宽度人工缺陷的测量标定试板(见图3，图中T为板厚)，试板中的人工缺陷信息如表2所示。

表2 试板缺陷信息

图3 测量系统标定试板结构

4.1 检测系统试验验证

4.1.1 照度

根据实际检测的要求，浮游装置搭载的水下摄像头距离受检对象最远距离不能超过320 mm，为测试3-1节中的照度要求，验证在320 mm处受检区域的照度。水下摄像头距离受检区域320 mm处，照度为352 lx；
水下摄像头距离受检区域500 mm处，照度为768 lx(见图4)。由图4可见，受检区域照度为768 lx的图像清晰度优于照度为352 lx图像的清晰度。

图4 水下照度测试图像

4.1.2 摄像头分辨率试验

将分辨率标定试板布置在保护管组件模拟体外表面底部，水下摄像头与分辨率标定试板的距离为扫查时的最远距离，此时，水下摄像头扫过分辨率标定试板时相对线速度最大。调整摄像机，使分辨率标定试板位于图像正中央;调整扫查轴的速度，使水下摄像头匀速转动;调整镜头焦距和聚焦，使水下摄像头通过分辨率标定试板时观察到图像清晰，记录摄像机的运动速度和镜头变焦倍数。记录完毕后，提高摄像机的转速，重复上述步骤，测试更高运动速度下水下摄像头的分辨能力。测试发现，0.2 mm的细线可以被清晰地观察到(见图5)，满足要求。

图5 分辨率试板上0.2 mm细线清晰可见

4.1.3 浮游深度测试

浮游装置搭载水下耐辐照摄像头深潜至一定深度，采用计量合格的卷尺，测量浮游装置的表面至水面的实际距离。浮游装置可潜至4501 450 mm深。

4.1.4 扫查速度验证

浮游装置沿着已布置好的卷尺运动，记录其从起点到终点的时间，同时计算起点到终点的距离，得出浮游装置的扫查速度。测试的速度为93 mm·s-1。

4.1.5 可达性验证

设计一个范围模拟体，将其放在容器内部，再通过控制系统控制浮游装置将水下摄像头运载至保护管组件底部，设定浮游装置的浮游深度，将机械定位装置定位在水下一定的深度处，呈悬浮状态，保证摄像系统与保护管组件底部有一定的安全距离，再控制机械定位装置在同一深度到达保护管组件边缘。在模拟体表面布置卷尺，控制浮游装置从起点运动到终点，确认浮游装置的可达范围。可达性验证结果表明，浮游装置具备全覆盖的功能。

4.1.6 摄像头与被检表面的水平夹角试验

通过理论计算，为了保证30°观察视角的要求，浮游装置顶面距离被检对象最远距离不能超过320 mm。保护管组件检查范围如图6所示。

图6 保护管组件检查范围示意

设计一个与实际大小相同的保护管组件模拟体，用以验证摄像头角度。保护管角度模拟体外观如图7所示。

图7 保护管角度模拟体外观

试验结果表明，当浮游装置定深至一定深度，保证与保护管组件的距离在320 mm内，可以清晰观察到检测对象。

4.2 缺陷测长试验

使用浮游式检查系统搭载XRAD-PTZ型水下摄像头，按照规定对标定试板进行检测，上述6处人工缺陷均能被检测到。使用Size5.0软件对采集的图像进行缺陷分析和测量，模拟缺陷测量尺寸与实际尺寸的对比如表3所示。模拟缺陷的目视检测结果如图8所示。

图8 模拟缺陷的目视检测结果

表3 模拟缺陷测量尺寸与实际尺寸的对比 mm

对标定试板模拟缺陷的测量结果分析如下：① 试板中所有人工缺陷均能被检测出；
② 对于尺寸(尺寸指代长，宽，直径)不大于0.5 mm的缺陷，测量误差为-0.010.09 mm，满足标准要求的不大于0.1 mm；
③ 对于尺寸为0.51 mm的缺陷，测量误差为+0.02～+0.10 mm，满足标准要求的不大于0.2 mm；
④ 对于尺寸为2.5～4 mm的缺陷，测量误差为-0.11～-0.06 mm，满足标准要求的不大于0.5 mm；
⑤ 对于尺寸为4～6 mm的缺陷，测量误差为-0.38 ～+0.02 mm，满足标准要求的不大于0.6 mm；
⑥ 对于尺寸为10 mm的缺陷，测量误差为-0.95～+0.02 mm，满足标准要求的不大于1.0 mm。

上述测量结果表明，测量系统几何测量精度符合ПНАЭГ-7-016-89的要求。

(1) 采用目视检测系统对保护管组件底部外表面实施检测，检测系统的灵敏度满足分辨出0.2 mm宽细线的要求。

(2) 试验结果表明，目视检测技术可以对试块中的缺陷进行精准定位和测长，所有误差范围满足ПНАЭГ-7-016-89对测量精度的要求。

(3) 试验结果表明较高照度更有利于发现缺陷。

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