核電站壓力容器用大型鍛件超聲波檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比

吳遠(yuǎn)建

(中國(guó)第一重型機(jī)械股份公司重型裝備事業(yè)部, 黑龍江161042)

盡管日本福島特大核電事故使發(fā)展核電的腳步有所放緩，但具備安全、高效、清潔等特性的核能在能源緊缺的中國(guó)無(wú)疑具有明顯的發(fā)展優(yōu)勢(shì)，中國(guó)仍將繼續(xù)發(fā)展核電。因此保證核電站一回路關(guān)鍵設(shè)備，特別是反應(yīng)堆壓力容器用鍛件的制造質(zhì)量意義重大。反應(yīng)堆壓力容器多采用鍛焊結(jié)構(gòu)，其鍛件多使用具有良好可焊性、抗輻照性和較好沖擊性的508-III鋼或16MND5鋼制造。制造過(guò)程中存在的缺陷主要有兩種：一是冶煉和澆注過(guò)程中形成的縮孔、疏松、偏析和夾雜物；另一種是鍛造和熱處理過(guò)程中形成的裂紋、白點(diǎn)、晶粒粗大、重皮和黑皮等。一般在調(diào)質(zhì)處理前，粗加工后和調(diào)質(zhì)熱處理后，精加工前對(duì)上述鍛件進(jìn)行超聲檢測(cè)，但相關(guān)的國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)在檢測(cè)及驗(yàn)收上存在較多的差異，筆者對(duì)此進(jìn)行了分析討論。

1 相關(guān)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)和檢測(cè)規(guī)范

我單位執(zhí)行的反應(yīng)堆壓力容器檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)主要有以下兩個(gè)：

(1)美國(guó)ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范中的第II卷、第III卷和第V卷

第II卷A篇鐵基材料中SA-508“壓力容器用真空處理的淬火加回火碳鋼和合金鋼”及SA-788“鋼鍛件技術(shù)條件通用要求”規(guī)定了超聲檢測(cè)程序性要求和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。第III卷第一冊(cè)NB分卷一級(jí)設(shè)備中NB2540“鍛件及棒材的檢驗(yàn)及修補(bǔ)”規(guī)定了需要進(jìn)行的檢驗(yàn)程序及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。第V卷中規(guī)定了超聲檢測(cè)方法的通用要求，即第五章“材料超聲檢測(cè)方法”和SA-388“大型鋼鍛件超聲檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)操作方法”。

(2)法國(guó)RCC-M壓水堆核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則中的第II卷和第III卷

第 II 卷 M篇“材料”中規(guī)定了超聲檢測(cè)要求和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)(引用標(biāo)準(zhǔn)：NFA04-308 鋼鍛件超聲檢測(cè))。第 III 卷 MC篇“檢驗(yàn)方法”的MC2000“超聲檢驗(yàn)”和MC8000“無(wú)損檢驗(yàn)人員的資格和證書”中對(duì)人員和檢測(cè)方法作了規(guī)定。

RCC-M中所采用的設(shè)計(jì)規(guī)則借鑒了“ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范”第三卷核動(dòng)力裝置設(shè)備(NB、NC、ND、NF、NG)各篇的有關(guān)內(nèi)容，同時(shí)吸收了法國(guó)在工業(yè)發(fā)展實(shí)踐中所取得的成果。RCC-M的制造與檢驗(yàn)規(guī)則主要是法國(guó)本身核工業(yè)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的具體體現(xiàn)。在無(wú)損檢驗(yàn)方面，RCC-M無(wú)損檢驗(yàn)的項(xiàng)目比ASME-III要求的更多，范圍也更廣。

2 規(guī)范分析與比較

2.1 對(duì)檢驗(yàn)人員的要求

作為國(guó)內(nèi)制造的鍛件，無(wú)損檢驗(yàn)人員都須符合HAF602“民用核安全設(shè)備無(wú)損檢驗(yàn)人員資格管理規(guī)定”中的要求。

RCCM 中MC8010“無(wú)損檢驗(yàn)人員資格和資格證書”中規(guī)定：無(wú)損檢驗(yàn)人員資格和資格證書按照標(biāo)準(zhǔn)NF EN 473的規(guī)定。在歐洲以外，由一個(gè)獨(dú)立的機(jī)構(gòu)，按照一等同的經(jīng)過(guò)承包商認(rèn)可的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)頒發(fā)證書。即按照HAF602取得無(wú)損檢測(cè)證書后即可實(shí)施檢測(cè)。

ASME規(guī)范中要求按照SNT-TC-1A的規(guī)定進(jìn)行廠內(nèi)資格評(píng)定和頒發(fā)證書。即檢測(cè)人員取得HAF602證書后，還需按照SNT-TC-1A要求取得廠內(nèi)資格評(píng)定(包括本企業(yè)設(shè)備、產(chǎn)品和規(guī)程等方面考試)，同時(shí)只有III級(jí)人員才可編制超聲檢測(cè)規(guī)程和超聲檢測(cè)工藝卡。

2.2 儀器和探頭

RCCM要求探傷儀應(yīng)符合EN12668-1的要求，探頭符合EN12668-2的要求，組合性能應(yīng)符合EN12668-3的要求。對(duì)設(shè)備制造商和使用方也都做了詳細(xì)的要求，對(duì)新購(gòu)進(jìn)的超聲波探傷儀在設(shè)備驗(yàn)收時(shí)，經(jīng)過(guò)大修、中修后及長(zhǎng)時(shí)間未使用的儀器開始使用前，已投入正常使用的超聲波探傷儀至少每年必須重新校準(zhǔn)一次。任何指標(biāo)不合格的儀器不允許在產(chǎn)品檢測(cè)中使用。

ASME 主要對(duì)垂直線性和波幅控制線性進(jìn)行了規(guī)定，在示波屏滿幅度20%～80%范圍內(nèi)，超聲儀應(yīng)提供誤差不超過(guò)滿屏±5%的垂直顯示。超聲儀應(yīng)有波幅控制旋鈕，在其有用范圍內(nèi)準(zhǔn)確到標(biāo)稱幅度比值的±10%，以便能測(cè)量到超出示波屏垂直線性范圍的信號(hào)。在每次持續(xù)使用周期開始或不超過(guò)3 個(gè)月(取小值)，應(yīng)對(duì)垂直線性和幅度控制線性進(jìn)行評(píng)定。標(biāo)準(zhǔn)中同時(shí)規(guī)定了測(cè)量方法。

ASME中沒有對(duì)設(shè)備水平線性的要求，RCCM中規(guī)定水平線性要求為小于等于2%。國(guó)產(chǎn)化后AP1000項(xiàng)目中，設(shè)計(jì)方對(duì)儀器水平線性也作了此項(xiàng)規(guī)定。

ASME直射波檢驗(yàn)盡可能使用公稱頻率為2.25 MHz 的直探頭，除非因壁厚、外/內(nèi)徑比值或因幾何形狀無(wú)法進(jìn)行校準(zhǔn)外，一般均采用1 MHz 的45°斜探頭。

RCCM中直探頭盡可能使用4 MHz 探頭，斜探頭盡可能使用2 MHz 45°探頭。

由一些專業(yè)文獻(xiàn)可知，頻率越高，可發(fā)現(xiàn)的缺陷越??；脈沖寬度越小，分辨力也就越高，有利于區(qū)分相鄰缺陷且缺陷定位精度高。從ASME使用的探頭頻率較低中可看出RCCM對(duì)超聲波檢測(cè)的要求高一些。

2.3 掃查速度及掃查覆蓋率

ASME要求掃查速度不得超過(guò)150 mm/s。掃查覆蓋率范圍至少為換能器(壓電晶體)垂直于掃查方向尺寸的10%。

RCCM要求掃查速度不大于100 mm/s。掃查覆蓋率為換能器直徑的20%以上。

可以看出ASME對(duì)掃查速度和掃查覆蓋率的控制低于RCCM標(biāo)準(zhǔn)。

2.4 盲區(qū)

RCCM規(guī)定，當(dāng)需要時(shí)，記下被檢材料厚度范圍內(nèi)的盲區(qū)(以mm 表示)，該厚度通常用如下圖所示的在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下相應(yīng)于反射體距掃查面的最遠(yuǎn)距離L來(lái)表示。對(duì)于直探頭的盲區(qū)需要增加雙晶探頭進(jìn)行檢測(cè)。

O—相應(yīng)于探頭發(fā)射點(diǎn)(時(shí)基O) HE—屏高 L—盲區(qū)長(zhǎng)圖1 盲區(qū)測(cè)量圖Figure 1 The measuring chart of blind area

ASME 中沒有對(duì)盲區(qū)的說(shuō)明。筆者認(rèn)為原因主要為：(1)ASME當(dāng)量的要求為?6.4 mm，相對(duì)較大，靈敏度較低，始脈沖較?。?2)由于相同大小的缺陷，越靠近探頭，其反射回波越高，對(duì)底波的影響也越大；(3)很多近表面缺陷將使始脈沖變寬，或底波后面將有回波顯示；(4)增加斜波束檢測(cè)，可有效對(duì)近表面缺陷進(jìn)行檢測(cè)。

2.5 檢測(cè)時(shí)機(jī)

各標(biāo)準(zhǔn)都要求應(yīng)在性能熱處理之后形狀簡(jiǎn)單時(shí)進(jìn)行超聲檢測(cè)。對(duì)于制造廠為盡早發(fā)現(xiàn)鍛件中的缺陷，一般在調(diào)質(zhì)前進(jìn)行一序內(nèi)控超聲檢測(cè)。

2.6 檢測(cè)方法及試塊

2.6.1 直射波檢驗(yàn)

RCCM 中MC2300鍛件的超聲檢測(cè)中，直探頭檢測(cè)使用距離波幅曲線(DGS)方法。無(wú)需制作試塊，減少了很多制造成本。

ASME規(guī)定使用底面反射法和試塊法確定檢測(cè)靈敏度。試塊為一系列?6.4 mm的平底孔試塊。

2.6.2 斜射波檢驗(yàn)

RCCM規(guī)定斜射波檢測(cè)使用距離波幅曲線(DAC)方法，當(dāng)e(厚度)小于100 mm時(shí)，用刻槽試塊；當(dāng)e大于等于100 mm時(shí)，用側(cè)邊?2 mm橫孔試塊，可在側(cè)邊鉆不同深度的孔。

ASME 規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)試塊應(yīng)當(dāng)和它所代表的鍛件有相同的標(biāo)稱成分、熱處理參數(shù)和厚度。校準(zhǔn)試塊的表面粗糙度應(yīng)與被檢工件相似，但不能更優(yōu)。如果是同一批鍛件，則可以把其中的一個(gè)鍛件作為校準(zhǔn)試塊。內(nèi)壁切槽(矩形或60°V型槽)深度最大應(yīng)為標(biāo)稱厚度的3%或6 mm，選用其中的較小值，其長(zhǎng)度約為25 mm，而厚度則取決于被檢鍛件的厚度。如有可能，最好是在工件的余量或工件的試樣上開槽，幾乎每個(gè)鍛件需對(duì)應(yīng)一塊試塊，需制作大量試塊。

圖2 伸展缺陷L>DPFigure 2 Extensional defect

圖3 點(diǎn)狀缺陷L≤DPFigure 3 Spot defect

圖4 孤立的點(diǎn)狀缺陷L≤DP且d>40 mmFigure 4 Separate spot defect

圖5 密集的點(diǎn)狀缺陷L≤DP且d≤40 mmFigure 5 Clustered spot defect

2.7 缺陷分類

RCCM引用標(biāo)準(zhǔn)“鋼鍛件超聲檢測(cè)(NFA04-308-1998)”中對(duì)點(diǎn)狀缺陷、孤立點(diǎn)狀缺陷、伸展缺陷或點(diǎn)狀密集缺陷的定義，具體如圖2～圖5所示：

(1)當(dāng)至少有一個(gè)常規(guī)尺寸大于聲束在缺陷深度處的寬度時(shí)，缺陷被定義為伸展缺陷(見圖2)。

(2)當(dāng)缺陷的所有常規(guī)尺寸最大只等于聲束在缺陷深度處的寬度時(shí)，缺陷被定義為點(diǎn)狀缺陷(見圖3)。

(3)在工件中，當(dāng)相應(yīng)于缺陷顯示最大波幅的點(diǎn)之間的距離d大于40 mm時(shí)，點(diǎn)狀缺陷被認(rèn)為是孤立的點(diǎn)狀缺陷(見圖4)。

(4)在工件中，當(dāng)相應(yīng)于缺陷顯示最大波幅的點(diǎn)之間的距離d小于等于40 mm時(shí)，點(diǎn)狀缺陷被認(rèn)為是密集的點(diǎn)狀缺陷(見圖5)。

ASME標(biāo)準(zhǔn)中除對(duì)容器殼體專用的垂直射束檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)(見驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)欄)中單個(gè)缺陷和密集缺陷的驗(yàn)收進(jìn)行詳細(xì)規(guī)定外，其它沒有對(duì)缺陷進(jìn)行分類。規(guī)定較籠統(tǒng)，具體操作時(shí)還應(yīng)由合同雙方確定相關(guān)內(nèi)容。相比ASME標(biāo)準(zhǔn)，RCCM標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行性更好一些。

2.8 驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)

2.8.1 直射波檢測(cè)

ASME中NB2542.2 驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)分為一般規(guī)定和容器殼體特殊規(guī)定兩種。

(1)一般產(chǎn)品垂直射束檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

用垂直射束檢驗(yàn)時(shí)，若顯示一個(gè)或多個(gè)缺陷反射波，且反射底波完全消失，而反射底波的消失與鍛件的幾何形狀無(wú)關(guān)，則鍛件不合格。當(dāng)反射底波高度下降到熒光屏總標(biāo)定高度的5%以下時(shí)，可認(rèn)為反射底波完全消失。

(2)容器殼體專用的垂直射束檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

1)用徑向垂直射束檢驗(yàn)法檢驗(yàn)按細(xì)晶粒熔煉工藝制造的用于容器殼體的環(huán)形鍛件時(shí)，若檢驗(yàn)結(jié)果表明存在一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)致連續(xù)反射底波完全消失的反射波，并導(dǎo)致在同一個(gè)平面上有連續(xù)顯示，且顯示部位不能被直徑為3英寸(75 mm)或壁厚的1/2(取兩者中的較大值)的圓所包圍，則鍛件不合格。

2)此外，若2個(gè)或2個(gè)以上的尺寸小于1)項(xiàng)規(guī)定的缺陷，則為不合格缺陷。除非缺陷間的最短距離等于較大缺陷的最大直徑，或者可用上述1)中規(guī)定的圓把這些缺陷部位包圍起來(lái)。

ASME中SA-508補(bǔ)充要求S2中規(guī)定如下:

不允許有大于等于規(guī)定的參考試塊中平底孔信號(hào)的顯示。

對(duì)于檢測(cè)截面厚度小于等于305 mm的鍛件，參考試塊應(yīng)包含一個(gè)?6.4 mm的平底孔；對(duì)于大于305 mm小于等于457 mm的鍛件，孔的直徑應(yīng)該為9.5 mm;對(duì)于大于457 mm小于等于610 mm的鍛件，孔的直徑為13 mm。

RCCM引用NFA04-308-1988中驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，除堆芯筒體(單個(gè)不大于?3 mm，其它不大于?2 mm)外，其它鍛件驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)為：?jiǎn)蝹€(gè)不大于?5 mm，其它不大于?3 mm。

RCCM中對(duì)于底波衰減至5%以下的也不予驗(yàn)收。與ASME中反射底波完全消失一致。

分析上述規(guī)定可得出，對(duì)于直射波檢測(cè)，ASME的驗(yàn)收規(guī)定主要是根據(jù)缺陷是否使底波消失，以及使底波消失的缺陷密集情況和當(dāng)量法來(lái)評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)方式基本與RCCM標(biāo)準(zhǔn)相似。但對(duì)于當(dāng)量評(píng)定中，RCCM比ASME相對(duì)嚴(yán)格一些。

2.8.2 斜射束檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

圖6 橫孔與V槽波幅對(duì)比曲線Figure 6 Amplitude comparative curves between cross bore and V shaped groove

圖7 橫孔、矩形槽、V槽波幅對(duì)比曲線Figure 7 Amplitude comparative curves of cross bore, rectangular groove and V shaped groove

ASME標(biāo)準(zhǔn)中NB2542規(guī)定，用斜射束檢驗(yàn)時(shí)，若檢驗(yàn)結(jié)果表明鍛件有一個(gè)或更多的缺陷，顯示的波幅超過(guò)適當(dāng)標(biāo)定的缺口顯示的波幅，則此鍛件不合格。

RCCM驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)為：凡缺陷波幅大于DAC曲線，均不予驗(yàn)收。

對(duì)斜射橫波檢測(cè)，ASME 僅采用切槽進(jìn)行靈敏度調(diào)整和評(píng)定，而RCCM 對(duì)壁厚大于 100 mm 的鍛件采用橫孔進(jìn)行靈敏度調(diào)整和顯示評(píng)定。

圖6和圖7為不同深度V槽和?2 mm橫孔距離波幅曲線的對(duì)比，從圖中可以看出，ASME標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于產(chǎn)品近表面缺陷的控制要嚴(yán)于RCCM標(biāo)準(zhǔn)(因ASME標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，第一個(gè)槽反射波前面的DAC線為水平線)，而RCCM規(guī)定同一鍛件各區(qū)域深度所用評(píng)定反射孔為相同大小。ASME標(biāo)準(zhǔn)體現(xiàn)了缺陷越靠近表面，控制越嚴(yán)格，越遠(yuǎn)離表面，要求越低的原則，這也與鍛件的受力狀態(tài)相符。

3 結(jié)論

目前，我國(guó)正在進(jìn)行核電鍛件制造的國(guó)產(chǎn)化工作，在制定核電鍛件無(wú)損檢測(cè)技術(shù)條件時(shí)，要充分借鑒ASME標(biāo)準(zhǔn)和RCCM標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)規(guī)定，并注意以下問(wèn)題：

(1)經(jīng)驗(yàn)證明，應(yīng)加強(qiáng)工件近表面及焊縫區(qū)的質(zhì)量控制，此區(qū)域?yàn)殄懠闹匾獏^(qū)域，建議對(duì)此部位的超聲檢測(cè)及驗(yàn)收進(jìn)行特殊規(guī)定。

(2)建議設(shè)計(jì)方編制國(guó)內(nèi)適用的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)條件(包括檢驗(yàn)方法和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn))，由于ASME規(guī)范中很多的驗(yàn)收是最低限度的要求，建議結(jié)合我國(guó)核電鍛件的制造能力，合理制定驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

(3)在制定相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)還應(yīng)考慮衰減的測(cè)量及評(píng)價(jià)。

(4)在檢測(cè)要求中，建議盡量少制作專用試塊，斜波束試塊可借鑒RCCM標(biāo)準(zhǔn)要求，使用橫孔試塊。同時(shí)應(yīng)考慮對(duì)于帶曲率工件用平面試塊校準(zhǔn)靈敏度時(shí)的靈敏度補(bǔ)償工作。

[1] NF A 04-308-1988 鋼鍛件超聲波檢測(cè)[S].

[2] ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范，第II卷、第III卷、第V卷[S].

[3] RCC-M 壓水堆核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則[S].

[4] 鐘志民，畢炳榮.壓水堆承壓容器厚大鍛件超聲檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的比較 [J].無(wú)損檢測(cè)，2007，29(4).