壓力容器CRDM及BMI貫穿件J型焊縫超聲波檢驗(yàn)技術(shù)

鄧道勇，程怒濤，代勤龍，羅 煒，葉欣延（東方電氣〈廣州〉重型機(jī)器有限公司，廣東 廣州 511455）

壓力容器CRDM及BMI貫穿件J型焊縫超聲波檢驗(yàn)技術(shù)

鄧道勇，程怒濤，代勤龍，羅 煒，葉欣延
（東方電氣〈廣州〉重型機(jī)器有限公司，廣東 廣州 511455）

1000 MW級反應(yīng)堆壓力容器（RPV）控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)套管以及下底圓中子通量儀表檢測管貫穿件（BMI）J型坡口焊縫，由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，常規(guī)手工超聲波檢驗(yàn)方法不能對管子與焊縫熔合界面進(jìn)行檢驗(yàn)。通過研究提出了A+B+C掃描自動(dòng)超聲波檢測系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)并對相關(guān)要求進(jìn)行了規(guī)定。通過該系統(tǒng)在J型焊縫檢驗(yàn)中的實(shí)際運(yùn)用，解決了J型焊縫中對缺陷的定性、定量、定位及偽缺陷識別問題。

J型焊縫； C掃描；偽缺陷識別；技術(shù)改進(jìn)

1000 MW級反應(yīng)堆壓力容器控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(CRDM adapter) 以及下底圓中子通量儀表檢測管貫穿件（BMI）J型坡口焊縫超聲波檢驗(yàn)在國內(nèi)屬首次，其檢驗(yàn)方法新、檢驗(yàn)難度大，是RPV制造過程中檢驗(yàn)重難點(diǎn)之一。通過技術(shù)分析對比，對管子與焊縫熔合界面區(qū)域選用自動(dòng)C掃描輔以A+B掃描檢測技術(shù)對焊縫進(jìn)行檢驗(yàn)及信號識別開展研究。

1 J型焊縫結(jié)構(gòu)特征

J型焊縫結(jié)構(gòu)特征如圖1所示。該焊縫結(jié)構(gòu)主要包括：不銹鋼堆焊層、J型坡口鎳基隔離層和鎳基合金J型焊縫，封頭母材材質(zhì)為16MND5合金鋼，CRDM及BMI貫穿件材質(zhì)為NC30FE鎳基合金。整個(gè)焊縫結(jié)構(gòu)復(fù)雜且涉及多種材質(zhì)，給檢驗(yàn)造成很大難度。由于結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，無法對該焊縫實(shí)施射線檢驗(yàn)及常規(guī)超聲波檢驗(yàn)，檢驗(yàn)復(fù)雜且難度高。

圖1 J型焊縫結(jié)構(gòu)特征Fig.1 J-grrove welds structure

2 檢驗(yàn)系統(tǒng)組成及原理介紹

2.1 系統(tǒng)組成

檢驗(yàn)系統(tǒng)由4個(gè)子系統(tǒng)組成：

1）數(shù)據(jù)采集/分析工作站；

2）數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)（DAS）；

3）動(dòng)作控制子系統(tǒng)（Motion Control）；

4）掃查機(jī)構(gòu)系統(tǒng)（超聲探頭掃查系統(tǒng)裝置）(7 060 Scanner)。

2.2 工作原理

該系統(tǒng)工作原理是通過計(jì)算機(jī)工作站確定檢測所有參數(shù)，所有相關(guān)的超聲檢測參數(shù)被實(shí)時(shí)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集子系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)完成所有超聲信號的采集和數(shù)字化。所有檢測相關(guān)的參數(shù)被傳輸?shù)絼?dòng)作控制子系統(tǒng)，動(dòng)作控制子系統(tǒng)控制所有的與掃查機(jī)構(gòu)相關(guān)的功能。掃查機(jī)構(gòu)采用軸向運(yùn)動(dòng)周向步進(jìn)方式操縱超聲探頭掃過被檢物體表面。掃查機(jī)構(gòu)操作既可以自動(dòng)控制也可手動(dòng)操作。掃查機(jī)構(gòu)包含了提給動(dòng)作控制子系統(tǒng)的有關(guān)探頭位置信息的編碼器。在預(yù)先確定的坐標(biāo)點(diǎn)，動(dòng)作控制子系統(tǒng)產(chǎn)生一個(gè)同步脈沖，同步脈沖觸發(fā)系統(tǒng)脈沖發(fā)生器，保證整個(gè)系統(tǒng)所有動(dòng)作同步，完成檢測工作。

脈沖發(fā)生器觸發(fā)超聲探頭產(chǎn)生超聲波進(jìn)入被檢測物體。同步脈沖在超聲檢測時(shí)同步接收器和數(shù)字/模擬操作。該系統(tǒng)可以得到完整的射頻超聲數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)，可以進(jìn)行峰值和瞬時(shí)動(dòng)態(tài)模式操作，在所有通道均可采用超聲回波反射、穿透等方式操作。

3 研究思路及解決方案

反應(yīng)堆壓力容器是核電站中的核安全Ⅰ級部件，其質(zhì)量好壞，直接影響到核電站運(yùn)行安全和壽命。根據(jù)國際核電站在役經(jīng)驗(yàn)，反應(yīng)堆壓力容器在運(yùn)行過程中通常發(fā)生泄漏的地方正是J型焊縫與管子熔合區(qū)域。因此，對于該類型焊縫的超聲波檢驗(yàn)顯得尤為重要。如何選擇正確的檢測方法和檢測設(shè)備，將直接關(guān)系到產(chǎn)品質(zhì)量的可靠性。在該課題系統(tǒng)的研究上主要從以下幾個(gè)主要方面進(jìn)行考慮：

3.1 檢驗(yàn)方法的選擇

通過研究，為保障檢驗(yàn)精度及檢驗(yàn)重復(fù)性，確定了以自動(dòng)掃查為主的超聲波檢驗(yàn)方法。對于超聲波探頭的掃查方式，可選用螺旋旋轉(zhuǎn)式或軸向掃查周向步進(jìn)方式，而探頭耦合方式可選擇水浸法或水噴法。對于檢驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)分析，常規(guī)超聲波檢驗(yàn)通常采用A型掃描進(jìn)行缺陷判定。根據(jù)探頭的脈沖發(fā)射形式和掃查方式，單一使用A掃描無法在自動(dòng)掃查過程中對缺陷定量、定性，必須采用可記錄的B掃描和C掃描（二維圖形）進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。另外，為了保證檢驗(yàn)精度，需要嚴(yán)格控制自動(dòng)掃查機(jī)構(gòu)參數(shù)。結(jié)合探頭聲波頻率及波長，為確保缺陷檢出，對掃查器機(jī)構(gòu)提出了參數(shù)要求。

3.2 探頭選擇

根據(jù)理論分析可知，對于圓盤型輻射的縱波聲場的第一零值發(fā)散角為：

其近場區(qū)長度N為：

根據(jù)公式（1）可知：對于高頻超聲波探頭而言，其聲束擴(kuò)散角更小，能量更為集中，波長短更利提高檢測能力。但因?yàn)樵摵缚p為鎳基材質(zhì)，晶粒較為粗大，頻率過高會(huì)導(dǎo)致晶粒間聲波散射嚴(yán)重，聲能衰減過大，反而不利于缺陷的檢測。此外，根據(jù)公式（2），由于頻率提高會(huì)導(dǎo)致探頭的近場區(qū)長度N增大，對檢驗(yàn)也會(huì)產(chǎn)生不利影響。因此，必須對探頭的尺寸和結(jié)構(gòu)進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，在提高檢驗(yàn)精度的同時(shí)減少近場區(qū)的影響。

在檢驗(yàn)?zāi)芰Ψ矫妫ㄟ^分析研究，對頻率為2.25 MHz和5 MHz超聲波探頭進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)：2.25 MHz探頭在高速掃查的情況下發(fā)現(xiàn)小缺陷的能力更弱。因此，該系統(tǒng)更適合于選擇高頻探頭，以提高小缺陷的檢測能力，且由于聲束擴(kuò)散角小、能量集中，更易于缺陷檢測及缺陷精確定位定量，在規(guī)定的檢驗(yàn)速度及步進(jìn)要求下，能達(dá)到理想的檢驗(yàn)效果。分別選用5 MHz和2.25 MHz縱波探頭對評定用試塊進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)5 MHz探頭能夠發(fā)現(xiàn)2.25 MHz探頭所不能發(fā)現(xiàn)的缺陷信號。由于5 MHz探頭其能探測的最小缺陷為2.25 MHz探頭的1/2，檢測靈敏度顯著提高。

圖2、圖3分別給出了2.25 MHz探頭和5 MHz探頭檢測結(jié)果。

圖2 2.25 MHz探頭檢測結(jié)果Fig.2 Test result of 2.25 MHz probe

圖3 5 MHz探頭檢測結(jié)果Fig.3 Test result of 5 MHz probe

由于管子結(jié)構(gòu)原因（CRDM管內(nèi)徑為70 mm，下底圓貫穿件管內(nèi)徑僅為15 mm），需制作不同的探頭進(jìn)行檢驗(yàn)。對于超聲波而言，只有當(dāng)入射聲束盡量與所需檢測的危害性缺陷反射面垂直才能獲得最佳的檢驗(yàn)效果。根據(jù)焊縫結(jié)構(gòu)，為了檢出套管或貫穿件與焊縫熔合面上的未熔合缺陷，則必須要求入射聲束盡量與管壁垂直。

對于CRDM管而言，由于其內(nèi)徑大，若采用水浸法，無法達(dá)到很好的密封效果，且要保證探頭在運(yùn)行過程中始終位于管子中心，因此需采取探頭固定加保護(hù)工裝，以使其盡量靠近管子內(nèi)壁，采用噴水法，避免耦合不好或產(chǎn)生氣泡影響檢驗(yàn)效果。為了盡量減少探頭近場區(qū)的影響，應(yīng)盡量選用小尺寸探頭。選擇了2個(gè)φ6 mm直徑探頭并采用聚焦方式，使其焦點(diǎn)位于套管與焊縫結(jié)合面位置，有效解決了近場區(qū)問題，并大大提高了檢測靈敏度。

對貫穿件而言，由于其內(nèi)徑小，結(jié)合探頭的制作要求，采用水浸法更為合適。另外，探頭固定需采用與管軸線方向平行的方式，利用探頭前方設(shè)置的不銹鋼鏡面使超聲波聲束反射，垂直于管壁進(jìn)入工件進(jìn)行檢測，通過調(diào)節(jié)鏡面反射面的形狀及其與探頭的距離，以保證聲束會(huì)聚于管外壁/焊縫接合面，更利于發(fā)現(xiàn)該處未熔合缺陷，同時(shí)利用聲程的增加也解決了近場區(qū)的問題。

3.3 參考反射體的選擇

該超聲波檢驗(yàn)的主要檢測對象為管子與焊縫界面的未熔合?？紤]該J型焊縫焊接使用的焊條以φ3.2 mm的鎳基焊條為主，每層焊接高度約為3 mm，且在焊接過程以每三層進(jìn)行控制，因此在焊接過程中很難出現(xiàn)大面積未熔合缺陷。由于探頭聚焦點(diǎn)位于焊縫與管子界面且焦點(diǎn)尺寸約為2.5 mm，通過實(shí)驗(yàn)對比發(fā)現(xiàn)選用位于焊縫與管子界面的φ3 mm平底孔作為參考反射體更接近焊縫實(shí)際情況。

3.4 數(shù)據(jù)分析

（1）數(shù)據(jù)分析的方法

常規(guī)超聲波檢驗(yàn)往往根據(jù)結(jié)構(gòu)形式、焊接方法、波形變化以及多探頭多方向?qū)Ρ鹊确椒▽θ毕葸M(jìn)行定性定量，但在該系統(tǒng)檢驗(yàn)中，僅采用一個(gè)探頭、一個(gè)方向，很難單一地從結(jié)構(gòu)形式及A掃描波形上對缺陷信號進(jìn)行分析，必須依賴B掃描與C掃描圖像對比進(jìn)行判斷，其判斷的正確性不僅依賴于操作者對各種掃描形式的理解程度，更依賴于分析者對信號的識別經(jīng)驗(yàn)。

（2）缺陷的尺寸測量

常規(guī)超聲波測量缺陷尺寸通常采用-6 dB法（半波高度法）。通過在對比試塊上實(shí)驗(yàn)測量發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)中選用-3 dB法測量的缺陷尺寸更為精確。

對于CRDM套管而言，通過計(jì)算可得周向上以下關(guān)系：1度 = 0.877 mm。

通過對比，發(fā)現(xiàn)3 dB較6 dB法更為準(zhǔn)確。

在C掃描中，對于缺陷顯示的尺寸測量，應(yīng)先由3 dB法測量其邊界，再利用計(jì)算機(jī)讀數(shù)測量其尺寸。由于焊縫結(jié)構(gòu)的原因，對位于焊縫肩部位置的缺陷，應(yīng)利用三角形邊長關(guān)系確定其長度。

缺陷長度：Lg=(ΔX2+ΔY2)0.5

缺陷高度：h=(X2+Y2)0.5

4 C掃描中偽缺陷信號的判定

C掃描中的偽缺陷顯示常影響最終的缺陷分析。C掃描中常出現(xiàn)偽缺陷顯示主要包括：氣泡信號、管壁劃痕、外焊縫與管壁過渡區(qū)域的凹陷或隆起等。結(jié)合產(chǎn)品實(shí)際檢驗(yàn)就以上偽缺陷進(jìn)行了重點(diǎn)研究。

4.1 氣泡信號

氣泡信號的出現(xiàn)常由以下原因?qū)е拢?/p>

1）給水和出水流量調(diào)節(jié)不匹配，導(dǎo)致管子內(nèi)空氣未排空產(chǎn)生氣泡；

2）給水管中空氣未排空產(chǎn)生氣泡；

3）探頭信號線與探頭支撐桿間密封不良造成氣泡產(chǎn)生；

4）運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)行過程中不順暢導(dǎo)致氣泡產(chǎn)生；

5）CRDM管或BMI管內(nèi)壁存在油污等雜質(zhì)。

由于水層中存在氣泡或油污等雜質(zhì)，導(dǎo)致聲波在氣泡與水層或油污與水層界面因聲阻抗不同而發(fā)生散射。散射導(dǎo)致聲波信號的聲程發(fā)生變化且該信號存在無規(guī)律性。因此，氣泡信號在焊縫區(qū)域及非焊縫區(qū)域均易出現(xiàn)，如圖4所示。

分辨氣泡信號的常用方法：

1）通過顯示聲程分析

圖4 典型的水層雜波信號（氣泡）Fig.4 Typical indication of water(air bubble)

氣泡信號呈彌散狀，其信號聲程常小于管壁厚度，通過測量其顯示聲程并對比其所處區(qū)域的管子實(shí)際厚度可分析其性質(zhì)。若聲波信號在多個(gè)氣泡間發(fā)生多次反射，則會(huì)出現(xiàn)顯示聲程大于管壁厚度的情況。當(dāng)出現(xiàn)該情況時(shí)，常伴隨大面積氣泡信號出現(xiàn)。

2）通過色彩對比分析

通常氣泡信號反射幅度較高，甚至高于參考反射體回波幅度，但其在C掃描中常呈現(xiàn)方塊形點(diǎn)狀信號，邊界明顯，而一般缺陷的C掃描圖形邊界常呈現(xiàn)模糊過渡的狀態(tài)。通過調(diào)節(jié)C掃描中色彩所代表的幅度百分比，增強(qiáng)缺陷信號與本底信號的反差對比便可區(qū)分該氣泡信號。

4.2 管壁劃痕

因機(jī)加不當(dāng)或裝配不當(dāng)，管壁上常出現(xiàn)周向劃痕。該劃痕在C掃描中常顯示出很高的回波幅度，且呈帶狀分布，容易造成誤判。典型的劃痕信號如圖5所示。

管壁劃痕信號的分析方法：

1）管壁劃痕信號常出現(xiàn)在非焊縫區(qū)且信號呈水平或沿焊縫外側(cè)出現(xiàn)；

2）計(jì)算機(jī)測量的劃痕信號聲程與管壁信號聲程一致；

3）通過目視或內(nèi)窺鏡觀察并比對其距離管口的位置。

4.3 外焊縫與管壁過渡區(qū)域的凹陷或隆起

過渡區(qū)域末端常因打磨不當(dāng)造成局部凹陷或隆起，且其形狀反射信號幾乎與管壁信號處于同一聲程位置，反射回波幅度高且沿管壁呈帶狀分布，極易誤判為管壁的未熔合信號。圖6為典型的過渡區(qū)域形狀反射信號。

圖5 典型的管壁劃痕信號Fig.5 Typical indication of nick on nozzle wall

該形狀反射信號常沿焊縫邊沿呈帶狀分布，局部突出于焊縫邊沿信號并深入到焊縫藍(lán)色信號帶中。該信號在B掃描中幾乎與管壁信號處于同一水平位置，但末端信號常向管壁2次波信號方向偏移。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，對于該信號的判定基本上可以通過以上特征認(rèn)定其性質(zhì)，但為保證結(jié)論的準(zhǔn)確性必須目視觀察對應(yīng)過渡區(qū)域的情況，必要時(shí)可對該區(qū)域再次修磨并檢驗(yàn)，以確定最終結(jié)論。圖7給出了過渡區(qū)域形狀反射修磨后的信號。

圖6 典型的焊縫過渡區(qū)域表面隆起信號Fig.6 Typical indication of apophysis on weld transition ares

圖7 隆起信號打磨后信號C掃描圖形Fig.7 C-scan of apophysis on weld transition ares after grinding

5 總結(jié)及展望

該超聲波檢驗(yàn)在嶺澳二期2號機(jī)組反應(yīng)堆壓力容器上檢驗(yàn)的成功實(shí)施，不僅標(biāo)志著該檢驗(yàn)在國內(nèi)實(shí)現(xiàn)了首次應(yīng)用成功，更重要的是標(biāo)志著我國在1000 MW級核島反應(yīng)堆壓力容器關(guān)鍵制造技術(shù)上的成功突破。在國外同等技術(shù)基礎(chǔ)上，本研究也實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)創(chuàng)新：

1）將螺旋前進(jìn)式掃查配合低頻探頭更改為直線步進(jìn)式掃查配合高頻探頭，降低了探頭的掃查速度及步進(jìn)精度，大大提高檢測缺陷能力，且重復(fù)定位精度由1.3 mm提高到0.5 mm以下，使得檢驗(yàn)結(jié)果更為可靠準(zhǔn)確。經(jīng)過與國外廠家在相同產(chǎn)品評定件上的檢測結(jié)果對比，該系統(tǒng)檢測結(jié)果遠(yuǎn)優(yōu)于國外廠家檢測系統(tǒng)的檢測結(jié)果。

2）改變了探頭耦合方式，不僅能更有效地減少耦合導(dǎo)致的干擾信號，同時(shí)采用耦合劑自動(dòng)回收循環(huán)系統(tǒng)，使得檢驗(yàn)現(xiàn)場干凈整潔。

3）改變了對比試塊的結(jié)構(gòu)形式。國外廠家采用兩塊不同試塊進(jìn)行時(shí)基線性校驗(yàn)和靈敏度校驗(yàn)，操作極為不方便，且制作成本增加。本課題中將多個(gè)不同人工反射體置于同一塊標(biāo)準(zhǔn)試塊中，取消焊縫模擬試塊，一次校驗(yàn)即可完成線性和靈敏度的校驗(yàn)，操作簡便、精度高、重復(fù)性好。

根據(jù)現(xiàn)在國外先進(jìn)制造技術(shù)的要求，對于以上兩種焊縫的檢驗(yàn)僅從內(nèi)壁使用單探頭對管外壁/焊縫接合面進(jìn)行檢驗(yàn)。在全面地檢測焊縫中缺陷時(shí)，該系統(tǒng)可根據(jù)需要進(jìn)行升級，如增加相控陣、TOFD技術(shù)、渦流探頭等對接管內(nèi)壁表面和焊縫內(nèi)部進(jìn)行全面檢查，可更好地控制產(chǎn)品質(zhì)量。

[1] 全國鍋爐壓力容器無損檢測人員資格考核委員會(huì).超聲波探傷[J]. 中國鍋爐壓力容器安全，1995. (National Qualification Test Committee for Boiler Pressure Vessel NDT Personnel. Ultrasonic Inspection [J]. China's Boiler Pressure Vessel Safety, 1995.)

[2] 云慶華，等. 無損探傷[M]. 勞動(dòng)出版社，1983.(YUN Qing-hua, et al. NDT [M]. Labor Press, 1983)

Study on Ultrasonic Examination of J Groove Welds on CRDM Adapter and BMI Penetration for Reactor Pressure Vessel

DENG Dao-yong，CHENG Nu-tao，DAI Qin-long，LUO Wei，YE Xin-yan
（Dongfang Electric（Guangzhou）Heavy Machinery Co.，Ltd.，Guangzhou of Guangdong Prov. 511455，China）

Due to the special configuration of the J groove welds on CRDM adapter (control rod drive mechanism housings) and BMI (bottom mounted instrumentation penetrations on lower head) for 1000 MW reactor pressure vessel, the traditional ultrasonic examination is not applicable for detecting the lack of fusion at the J-welds bond line. The study for the application of automatic A+B+C-scan technique for J-welds examination is indicated that this method is effectively to determine the defect characteristic, size, location and false indications.

J groove weld；C-scan；false defect identification；technical improvement

TM623 Article character: A Article ID: 1674-1617(2013)01-0068-06

TM623

A

1674-1617(2013)01-0068-06

2012-11-02

鄧道勇（1982—），男，助理工程師，主要從事鍋爐、壓力容器及核承壓設(shè)備無損檢測工作。