测量能够形成氢化物的合金中终点固溶温度的方法和设备

摘要

测量能够形成氢化物的材料如反应堆压力管中终点固溶度的设备和方法。在试验中，检查装置位于反应堆压力管内，一对环形密封件径向展开以密封部分压力管。密封部分内的所有水通过注入气体而置换，并且加热所述密封部分以干燥所述管和所述装置。展开所述装置上的探头组合件，使其接触压力管的内表面并测量压力管壁中的电阻率变化与温度的函数关系。所述探头组合件包括用于测量温度的热电偶探头以及用于在压力管壁内感应产生涡电流的发送和接收线圈。所述压力管允许以预定速率冷却、以预定速率再加热并允许再次冷却。电阻率温度系数的不连续点表明沉淀或溶解的终点固溶温度，这可用来确定反应堆压力管密封部分的氢浓度。

说明书

技术领域

本发明涉及能够形成氢化物的合金中的终点固溶(terminal solid solubility，TSS)温度的测量。

背景技术

确保核反应堆中压力管的结构完整性对安全性分析者提出了一系列问题。

压力管用作反应堆核心的高压边界。随着时间流逝，在正常运行的情况下，压力管腐蚀，导致吸附材料中的氢同位素。然后，氢同位素可以在基体中形成固体氢化物。这些氢化物特别脆并且会损害压力管的结构完整性。在工作条件下存在显著浓度的氢化物的压力管具有氢化物破裂的危险。

因此，重要的是监控工作条件下压力管材料内的氢化物浓度。

测定氢化物浓度的一种方法是在停止操作时从压力管内部获得刮削(scrape)样品。如果已知氢的浓度，那么氢化物的浓度可以利用合适的阿累尼乌斯(Arrhenius)关系确定。所述样品可以通过化学方法进行分析以确定氢的浓度。

刮削(scrape)法的缺点包括在将样品转移到实验室和等待结果的过程中引起的延迟、来自于从压力管内取样品的辐射风险、在取放和转移过程中样品污染的可能性、限于所述管内部表面的取样限制以及不能再次从所述管的相同区域重复取样。

其它应用也采用形成氢化物并且会由于形成氢化物而变得劣化的材料。这些应用中有些涉及位于危险环境或难以进入的环境中的材料。因此，具有用于检查这种材料的装置和方法将是有利的。

发明内容

本发明提供用于间接测定反应堆压力管的终点固溶(TSS)温度而不需从所述管内壁提取样品的方法和设备。所述方法和设备测量氢化物沉淀或溶解的终点固溶(TSS)温度。已经确定了TSS温度之后，人们可以利用合适的阿累尼乌斯关系确定氢化物浓度。所述方法和设备采用涡电流来测量特定温度范围内压力管材料的电阻率温度系数。电阻率温度系数的不连续点确定沉淀或溶解的TSS温度。

一方面，本发明提供检查反应堆压力管的方法。所述方法包括以下步骤：密封反应堆压力管的一部分，以预定速率启动反应堆压力管内的温度变化，测定与温度变化相关的反应堆压力管的电阻率变化，以及由所测得的电阻率变化计算TSS温度。

在另一方面，本发明提供用于检查反应堆压力管的检查装置。所述装置包括装置主体、安装在装置主体上用于密封一部分反应堆压力管的可展开密封件、用于控制反应堆压力管内温度以预定速率变化的加热器和用于测量与温度变化相关的反应堆压力管电阻率变化的探头组合件。

在又一方面，本发明提供测定材料内TSS温度的方法，所述材料是能够形成氢化物的合金。所述方法包括以下步骤：密封所述材料的一部分，以预定速率启动所述材料内的温度变化，测量与温度变化相关的材料电阻率变化，以及由所测得的电阻率变化计算TSS温度。

结合附图阅读下面对本发明特定实施方案的说明，对于本领域技术人员来说，本发明的其它方面和特征将显而易见。

附图说明

现在将根据实施例参考附图，所述附图示出本发明的实施方案，其中：

图1示出根据本发明用于检查反应堆压力管的装置的纵向截面图；

图2示出图1中装置的横向截面图；

图3示出当所述装置的气囊膨胀时所述装置的纵向截面图；

图4示出图3中装置的横向截面图；

图5示出根据本发明的涡电流探头组合件的截面图；

图6示出图5中涡电流探头组合件的探头体和探头杆的截面图；

图7示出根据本发明的热电偶探头的截面图；

图8示出根据本发明测定反应堆压力管中TSS温度的方法流程图；

图9示出涡电流实电压的导数及该导数的导数-温度图；和

图10示出合金的氢浓度-温度图。

相似的附图标记在不同的图中用于表示相似的部件。

具体实施方式

工作条件下氢化物的浓度可以通过测量氢的浓度来确定。氢的浓度可以通过测量氢化物在基体中溶解或沉淀的温度获得。这些温度已知为溶解终点固溶(TSSd)温度和沉淀TSSp温度。TSS与作为温度函数的合金中氢的固溶浓度相关联。它还与给定温度下存在或不存在氢化物与总体氢浓度相关。利用合适的阿累尼乌斯关系，TSSd或TSSp的测量产生对反应堆压力管中氢浓度的评估。

TSSd温度标志着基体中的所有氢化物在加热时将完全溶解的温度。对于锆基体而言，TSSp低于TSSd，并且标志着氢化物在冷却时开始沉淀的温度。

首先参考图10，示出合金的氢浓度-温度图300。在图300上的点A处，所述合金包括氢化物和固溶氢的混合物。随着合金被加热，氢化物溶解并且固溶氢浓度遵循从A_H到B的TSSd曲线。在点B处，所有氢化物溶解成为固溶氢。进一步加热到点C没有改变固溶氢的浓度。点B标志着合金的溶解TSSd温度。

在冷却时，所有氢均为固溶体形式，直到到达点D，在该点处氢化物开始沉淀。这是沉淀TSSd温度。随着冷却继续，氢化物增长并且固溶氢浓度降低，此时其遵循从点D到点A_C的TSSp曲线。

在一个实施方案中，反应堆压力管由锆合金组成，但是本发明不限于用于与锆合金相关或核反应堆范围中的方法或设备。在核反应堆范围内的其他用途包括测试特定的燃料覆层。由其他材料构成的其他关键任务部件可以利用本发明的方法或设备进行检查，只要它们表现出所需要的特性即可，包括氢化物浓度与TSSp和TSSd以及与所存在的氢化物的关系。例如，钛飞行器构架或钛石油化学压力管可以根据本发明进行分析。

特定反应堆管的TSSp或TSSd可以通过检测在温度可控上升或下降的条件下电阻率温度系数的不连续点来测量。随着所述管温度的稳定增加，将在对应于TSSd的特定温度下注意到不连续点，并且一旦随着温度的降低而超过TSSd时，在对应于TSSp的特定温度处将注意到不连续点。

合金的电阻率受固溶氢浓度的影响。所述关系可以利用下列等式进行模拟：

ρ_T＝ρ_o(1+α(T))+ρ_HC_H(T)                                (1)

其中C_H(T)是作为温度的函数的氢固溶体浓度，ρ_T是总合金电阻率，ρ_H是氢对电阻率的影响，ρ_O是合金基体电阻率，α(T)是电阻率温度系数。随着在冷却或加热合金的过程中到达TSSp或TSSd点，电阻率温度系数的不连续点是显而易见的。

现在参考图1和2。图1示出用于检查反应堆压力管的装置10的纵向截面图。图2示出装置10沿A-A线的横向截面图。

装置10包括中心管12、前模块壳体14和后模块壳体16。中心管12利用对开夹(split clamp)18连接至前模块壳体14和后模块壳体16。中心管12、前模块壳体14和后模块壳体16提供具有圆柱形状的装置10。

前模块壳体14和后模块壳体16都包括气囊20和密封件22。气囊20和密封件22环绕前和后模块壳体14、16，并且利用内固定夹24和外固定夹26保持在合适的位置上。每一个气囊20均与各自的联接器28连接。联接器28连接至用于给气囊20充气和放气的气体供给部分。在检查时，气囊20的充气迫使密封件22朝外，沿径向将它们压向管的内表面。

后模块壳体16包括向联接器28供气的阀歧管30。罩32和背板34保护阀歧管30。

中心管12容纳谐振电容器组合件36，该组合件用于给位于中心管12外部的一组感应线圈38供电。利用内垫片40和外垫片42将所述感应线圈38安装在中心管12外部的适当位置上。

中心管12还容纳涡电流探头组合件44，该组合件位于感应线圈38的中间，如下进一步所描述。

在两个密封件22之间的装置10的外部利用隔热件46封装，以保护其免受感应线圈38所产生的热的影响。屏蔽件46还减少通过设备主体而从压力管中所损失的热量。

现在参考图3和4，其分别示出装置10的纵向和横向截面图，此时气囊20充气。从这些图中将看到密封件22被充气气囊20向外推。

涡电流探头组合件44也已展开，并且可以看到从装置10的圆柱表面径向向外突出。分析时，密封件22被迫向外抵住反应堆压力管的内表面，接着可以根据下述测试方法展开涡电流探头组合件44来测试反应堆压力管。在一个实施方案中，涡电流探头组合件44通过利用由阀歧管30供应的气体的气动压力来展开。由阀歧管30供应的用于操作气囊20和涡电流探头组合件44的气体可以是任意惰性气体，并且在一个实施方案中该气体是氮气。

现在参考图1和3，所述装置10还包括气体注入端口48，端口48用于将气体注入到通过展开密封件22使其紧靠所述管的内表面而在反应堆压力管内形成的密封部分中。通过密封件底部的狭槽利用气体置换水。装置10还包括水位传感器50，用于检测密封部分中水的存在。

下面参考图5，其为涡电流探头组合件44的截面图。为了在存放和初始定位装置10期间将探头传感器收回，以及为了在装置10一旦就位时展开探头传感器，涡电流探头组合件44中引入往复式机械装置。

在一个实施方案中，通过气动组合件实现往复运动。气动组合件包括位于圆柱体54中的活塞52。圆柱体54的内部衬有圆柱形套筒56。圆柱体54安装至具有与圆柱体54同轴的开口的顶板58。弹簧60使活塞52偏向于收回状态。通过气动压力，可以将活塞52在圆柱体54内向上推，压缩弹簧60。在一个实施方案中，通过进气管66来供应压力，进气管66与圆柱体54内部连通并具有最接近活塞52的法兰下侧的开口。

活塞52包括容纳探头杆62的中空轴。探头杆62也是中空的，以便包含连接探头传感器和装置10内电子器件的导线。探头杆62延伸穿过活塞52并向上穿过顶板58，在此处连接至探头体64。因此，当活塞52处于其配置位置时，探头体64和探头杆62从顶板58向外伸出。探头体64的特征在于弯曲外表面，其设计来直接压紧在已知直径的反应堆压力管内表面上。

现在参考图6，其示出探头体64和探头杆62的截面图。探头体64包括一组传感器，用于测量反应堆压力管内的电阻率变化和相关温度。在一个实施方案中，探头体64包括双热电偶探头68。双热电偶探头68位于探头体64的弯曲外表面内的中心。

在双热电偶探头68的另一侧是发送线圈70和接收线圈72。这两个线圈70、72设计为在评价状态下感应产生压力管主体内的涡电流。在一个实施方案中，线圈70、72在8kHz下工作。

双热电偶探头68、发送线圈70和接收线圈72都包封在探头体64内以提高涡电流探头组合件44的坚固性。在一个实施方案中，探头杆62由钛制成以减少寄生涡电流效应。

导线76连接至热电偶探头68、发送线圈70和接收线圈72，并穿过探头体64进入探头杆62。导线76通过探头杆62延伸并进入装置10的中心管12(图1)内部。导线76包括用于每一个线圈70、72的导线对和用于热电偶探头68的两个导线对。四对导线均涂覆有聚酰亚胺。涡电流探头组合件44可以包括玻璃套管74以在导线76伸出探头杆62末端时保护导线76。导线76可以通向装置10内的连接器。在该内部连接处，热电偶导线可以是常用的铜导线，并且可以存在测量该点处温度的需要。该温度可以用作最终温度计算的冷接点温度。在一个实施方案中，这采用1000欧姆的铂膜RTD来实现。该连接器连接至相应连接器，所述相应连接器连接至从装置10中穿出到达压力管的布线。

可以模制探头体64以生产包封配线76、热电偶探头68、线圈70、72和探头杆62的单一固体件。在一个实施方案中，探头体64由Stycast 2764FT制得的氧化铝填充高温环氧树脂制成，其由马萨诸塞州的Emerson&Cumming Inc.生产。探头体64包括单一的薄玻璃布，其覆盖线圈70、72的表面以保护它们免受磨损。该薄玻璃布可以模制成探头体64，并可以例如具有0.005英寸的厚度。这使得线圈70、72可以与探头表面保持得尽可能近，同时仍被包封和保护。

现在参考图7，其示出热电偶探头68的截面图。热电偶探头68包括主体件78、80和82。主体件78、80和82选自具有低导热性的材料，以便使通过材料的热流最小化。过量的热流会不利地影响温度测量的准确性。在一个实施方案中，主体件由聚酰亚胺聚合物Vespel^TM加工而成。

热电偶探头68还包括两个E型热电偶条84，每一个均具有不同的位于热电偶探头68的轴中心的金属接点。条84焊接至小直径的E型覆聚酰亚胺导线86。

热电偶探头68一旦被组装，就对其进行测试并基于测试制定温度校正表。随后热电偶探头68可以并入到探头体64(图6)中，然后再将探头体64并入到涡电流探头组合件44(图5)中。

现在将参考图8描述装置10的运转，图8示出利用根据本发明的装置10测定TSS温度的方法100流程图。

方法100开始于步骤102，亦即将装置10插入到锆压力管中并将装置10定位在所述管中将要进行测试的合适部分处。在优选实施方案中，涡电流探头定位在压力管的顶部。在步骤104中，通过使气囊20(图3)充气以迫使密封件22(图3)径向向外抵住所述管的内表面来密封所述部分。该步骤导致隔离所述管中两个密封件22之间的内部体积。还是在步骤104中，通过气动压力迫使探头体64(图5)的弯曲外表面紧靠所述管的内表面来展开涡电流探头组合件44(图3)，由此使得热电偶探头68(图6)与所述管接触。

在正常的冷停机条件下，压力管充填有温度在40摄氏度以下的流动水。一旦被密封，该流动转移方向通过装置10的中心。不应减少该流动，以防止仍然存在于管道中的任何燃料过热。剩余的隔离水必须从密封件22之间的密封空间中冲出，以控制加热和冷却循环。因此，在步骤106中，阀歧管30(图3)通过气体注入端口48(图3)注入气体以将密封空间中的水冲出。在一个实施方案中，所述气体是氮气，但是可以使用任意惰性气体。水通过位于设备底部一个密封件22中的小孔流出。利用水位传感器50(图3)通过热和气压评估水位。

一旦将水从密封空间中冲出，由16kHz功率信号驱动的感应线圈38(图1)就用于加热压力管的密封部分，从而在步骤108中干燥所述管和涡电流探头组合件44。感应线圈38由谐振电容器组合件21(图1)供电。压力管密封部分的温度以约20℃/min的速率升高至约300摄氏度。通过装置10外部密封件22之间区域中的隔热件46保护装置10免于升温。密封件22另一侧的压力管中的水降低密封件22处的温度，防止其损坏。压力管的加热确保所有氢化物溶解。在步骤106中将水从密封空间中冲出以及在步骤108中加热管以干燥装置10和所述管，这些步骤可以称作预处理。

在步骤110中，使得压力管以预定速率冷却，在一个实施方案中，所述速率为10℃/min。允许所述管冷却至约70℃。在该冷却步骤中，发送和接收线圈70、72在压力管中感应产生涡电流，并由此测量冷却过程中所述管的电阻率。稍后将该数据与通过热电偶探头68(图6)记录的温度数据结合用来检测压力管的TSSp温度。随着压力管冷却，将达到已溶解氢化物开始沉淀的点(TSSp温度)，这导致电阻率温度系数的不连续点。冷却速率应该与随后步骤的加热速率相同或更快，以沉淀具有已知更小的给定尺寸的新氢化物。这改善随后测定TSSd温度的加热循环的准确性。

在压力管被冷却至约70℃之后，在步骤112中以预定速率再次加热所述管，在一个实施方案中，所述速率为10℃/min。所述管被再加热至约300℃。再加热导致已沉淀氢化物在特定温度TSSd下溶解。发送和接收线圈70、72收集加热过程中的电阻率数据以识别对应于TSSd温度的不连续点。

在步骤114中，再次使所述管冷却至约70℃，如步骤110中那样，并利用涡电流探头组合件44得到TSSp的另一测量值。可以为了更大的准确性来得到TSSp的该第二测量值，但其可以忽略。该步骤的冷却速度(cooling ramp)可以将所述管冷却至约100℃。

一旦所述管已被充分冷却，则在步骤116中通过经阀歧管30向燃料通道中释放加压气体来收回密封件22和涡电流探头组合件44。

方法100随后包括步骤118，即基于热电偶探头68和感应线圈70、72记录的数据计算TSSp和TSSd。利用TSSp和TSSd，测试条件下部分管中氢的浓度可以利用合适的阿累尼乌斯关系确定。

现在参考图9，其示出涡电流实电压对温度求导及其对温度二次求导的图200。图200包括第一条线202，表示压力管的电阻率温度系数相对于温度的放大图。第一条线202表现出由于溶解于锆基体中的氢的量增加而导致的平稳上升。一旦最后量的氢化物溶解，第一条线202就表现出在TSSd温度处的急剧不连续点，在这种情况下所述TSSd温度是227.6℃。

所述图包括第二条线204，表示第一条线202的导数。在227.6℃时第二条线204的最小值识别出第一条线202的不连续点。

沉淀的情况在形状和性质上是相似的。

本发明可以体现为其他特定形式，而不会偏离其精神或实质特征。对于本领域技术人员来说本发明的某些修改和改进是显而易见的。因此，应该认为上述实施方案是说明性的而不是限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是由前述说明指出，因此在所述权利要求等价条款的意义和范围内进行的所有变化都应包含在本文内。