反應(yīng)堆壓力容器安全端異種金屬焊縫超聲檢查技術(shù)

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（中廣核檢測技術(shù)有限公司，蘇州 215021）

反應(yīng)堆壓力容器是核電站最為重要的部件之一，用來固定、支承和包容堆芯及所有堆內(nèi)構(gòu)件，是核電廠整個壽命期限內(nèi)唯一不可更換的大型部件。反應(yīng)堆壓力容器的質(zhì)量是保證核動力系統(tǒng)正常、安全運(yùn)行的關(guān)鍵。為確定反應(yīng)堆壓力容器的質(zhì)量，核電廠及核動力裝置的檢驗(yàn)規(guī)范和大綱中，對壓力容器上的各條焊縫及其它部位提出了無損檢測的強(qiáng)制性要求，并指定分別在投入運(yùn)行前和運(yùn)行一定時間間隔后對壓力容器實(shí)施役前和在役檢查。役前和在役檢查的結(jié)果為分析壓力容器的狀態(tài)提供了極其重要的依據(jù)。

其中，反應(yīng)堆壓力容器管嘴與安全端的連接是由多種不同材料構(gòu)成的異種金屬焊縫，其材料成分比較復(fù)雜，包括低碳鋼、鍛造不銹鋼、鎳基填充材料、奧氏體預(yù)堆邊材料、奧氏體堆焊層等，該焊縫焊接時采用多層多道焊的焊接工藝，見圖1所示。因此該焊縫在冶金和金相組織結(jié)構(gòu)上較為復(fù)雜，存在較為粗大的柱狀晶，焊接過程中比較容易產(chǎn)生制造缺陷。這種制造過程中的缺陷，在長期高溫、高壓、輻照的在役條件下，可能成為產(chǎn)生疲勞裂紋、晶間腐蝕等缺陷的根源，是核電站役前檢查和在役檢查過程中應(yīng)特別關(guān)注的檢查部位。

圖1 安全端異種金屬焊縫宏觀形貌

反應(yīng)堆壓力容器安全端異種金屬焊縫超聲檢查主要受到堆焊層、奧氏體焊縫存在的粗大柱狀晶組織以及焊縫附近復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)形狀等因素的影響。超聲波在該焊縫中傳播時在奧氏體晶界面發(fā)生嚴(yán)重的散射以及波型轉(zhuǎn)換，引起超聲波嚴(yán)重衰減，信噪比顯著下降。奧氏體晶粒的各向異性，引起聲束彎曲，造成缺陷定位不準(zhǔn)等問題。因此，反應(yīng)堆壓力容器安全端異種金屬焊縫的超聲檢查非常具有挑戰(zhàn)性。為提高其超聲檢查的可靠性和檢查效率，筆者利用含有缺陷的安全端異種金屬焊縫試塊開展了常規(guī)雙晶縱波檢查技術(shù)和相控陣檢查技術(shù)研究。

1 檢測對象

檢測對象為委托英國Sonaspection公司加工的安全端異種金屬焊縫試塊。如圖2所示，該試塊按照國內(nèi)某核電站反應(yīng)堆壓力容器管嘴與安全端異種金屬焊縫的焊接工藝制作，內(nèi)部埋有裂紋等人工缺陷。該試塊管嘴側(cè)內(nèi)外徑分別為735，916.6 mm，管嘴側(cè)堆焊層厚度為7 mm，安全端側(cè)內(nèi)外徑分別為735，906.2 mm，長度為600 mm。管嘴基體材質(zhì)為16 MND5，Mn－Mo－Ni低合金高強(qiáng)度鋼；安全端基體材質(zhì)為Z2CND18.12N2奧氏體不銹鋼；隔離層為ER309L（24Cr12Ni不銹鋼），ER308L（20Cr10Ni不銹鋼）；堆焊層為 EQ309L（24Cr12Ni不銹鋼），EQ308L（20Cr10Ni不銹鋼）；焊縫填充金屬為ER308L。隔離層的焊接方法為鎢極惰性氣體保護(hù)焊，焊縫的焊接方法為埋弧自動焊。焊接完成后進(jìn)行去應(yīng)力熱處理。

圖2 安全端異種金屬焊縫試塊

依據(jù)RSE－M規(guī)范，反應(yīng)堆壓力容器安全端異種金屬焊縫的超聲檢查范圍為管嘴預(yù)堆邊外緣30 mm至安全端焊縫坡口邊緣30 mm的全厚度范圍，以及三角點(diǎn)兩側(cè)50 mm內(nèi)深度范圍為7～25 mm的區(qū)域［1]。

2 基本參數(shù)分析

反應(yīng)堆壓力容器安全端異種金屬焊縫的典型特征是堆焊層和奧氏體不銹鋼焊縫，其影響超聲檢查的主要因素是材料的各向異性和晶粒粗大。超聲波在異種金屬焊縫中傳播時存在聲速變化、聲束偏轉(zhuǎn)和散射衰減等傳播特性，導(dǎo)致異種金屬焊縫的超聲檢查無法使用鐵素體鋼常規(guī)超聲檢查方式進(jìn)行，故在檢查異種金屬焊縫時需選擇特殊的超聲探頭［2－3]。

探頭頻率的選擇需權(quán)衡分辨率和信噪比。奧氏體材料的粗晶組織會造成超聲波傳播時的高衰減和強(qiáng)噪聲，而衰減與頻率的平方成正比，因此降低頻率可以獲得較好的信噪比并保持所需的分辨率。故異種金屬焊縫超聲檢查時需選擇較低頻率的超聲探頭，一般為1～2 MHz。

橫波在堆焊層和奧氏體焊縫中傳播時，散射衰減較縱波的要大，甚至橫波有可能不能穿過焊縫傳播，其信噪比較差。故異種金屬焊縫超聲檢查一般應(yīng)選擇縱波探頭。

探頭角度的選擇要符合缺陷的取向，即入射聲束應(yīng)垂直入射到缺陷上得到最大回波為宜。對于焊縫檢測，探測聲束需完全覆蓋整個焊縫熔合區(qū)和熱影響區(qū)，往往需幾個探頭組合在一起方可實(shí)現(xiàn)。試驗(yàn)使用45°，60°，70°的探頭組合，60°和70°探頭用來掃查近表面缺陷，45°探頭用來掃查底面和內(nèi)部缺陷。

雙晶縱波探頭的兩個晶片相互傾斜，波束相交，產(chǎn)生準(zhǔn)聚焦作用。由于準(zhǔn)聚焦的作用，其靈敏度和信噪比較相同的單晶探頭要好。其不足之處是不能變焦，被檢工件較厚時，需使用多個不同焦距的探頭進(jìn)行檢查。多個不同焦距的雙晶縱波探頭的分層聚焦原理如圖3所示，不同焦距探頭的聚焦范圍需有重疊。試驗(yàn)使用3種不同的雙晶縱波探頭進(jìn)行檢查，探頭的具體參數(shù)見表1。雙晶縱波探頭的聚焦范圍一般為0.5～2 FS之間，故70TRL FS 20 mm探頭的前焦點(diǎn)為3 mm深，后焦點(diǎn)為14 mm深，可檢測0～20 mm之間的缺陷；45TRL FS 40 mm探頭的前焦點(diǎn)為14 mm深，后焦點(diǎn)為56 mm深，可檢測15～55 mm之間的缺陷；45TRL FS 80 mm探頭的前焦點(diǎn)為28 mm深，后焦點(diǎn)為113 mm深，可檢測35 mm至全壁厚之間的缺陷。

圖3 多個雙晶縱波探頭的分層聚焦原理示意圖

表1 雙晶縱波探頭參數(shù)

與雙晶縱波聚焦探頭原理相似，試驗(yàn)使用一發(fā)一收結(jié)構(gòu)的面陣相控陣探頭，1.5 M32×2E64－15進(jìn)行超聲相控陣檢查。該探頭頻率為1.5 MHz，主軸方向晶片數(shù)量為32，次軸方向晶片數(shù)量為2，晶片主軸方向尺寸為2 mm，晶片次軸方向尺寸為7.5 mm，相鄰晶片的間隙為0.2 mm。通過計(jì)算機(jī)控制相控陣探頭中各個晶片的激勵和接收，可產(chǎn)生不同角度和不同聚焦深度的聲束。因此，使用一個相控陣探頭便可實(shí)現(xiàn)異種金屬焊縫的多角度、全壁厚檢查，其檢查效率較常規(guī)雙晶縱波檢查技術(shù)大為提高。試驗(yàn)通過應(yīng)用相控陣聚焦法則，實(shí)現(xiàn)下列多角度、多聚焦深度檢查：70°FD 7 mm 縱波；60°FD 10 mm 縱波；45°FD 30 mm 縱波；45°FD 50 mm 縱波；45°FD 70 mm縱波。

3 安全端異種金屬焊縫檢測

3.1 超聲設(shè)備

試驗(yàn)使用的常規(guī)超聲設(shè)備為西班牙TECNATOM公司生產(chǎn)的多通道常規(guī)超聲數(shù)據(jù)采集設(shè)備MIDAS，使用的相控陣設(shè)備為法國M2 M公司生產(chǎn)的超聲相控陣設(shè)備Multix和加拿大R/D Tech公司生產(chǎn)的超聲相控陣設(shè)備OmniScan 16/128PR。其中，MIDAS采集的數(shù)據(jù)為對數(shù)模式數(shù)據(jù)，Multix及OmniScan 16/128PR采集的數(shù)據(jù)為線性模式數(shù)據(jù)。

3.2 超聲探頭

試驗(yàn)使用的超聲探頭為：雙晶縱波探頭70TRL FS 20 mm，45TRL FS 40 mm，45TRL FS 80 mm；一發(fā)一收結(jié)構(gòu)的面陣相控陣探頭1.5 M32×2E64－15。

3.3 機(jī)械掃查器

采用兩種機(jī)械掃查器對異種金屬焊縫試塊進(jìn)行超聲檢查，分別為反應(yīng)堆壓力容器安全端異種金屬焊縫超聲檢查專用設(shè)備CNUS和四軸掃查器。

檢查裝備CNUS為中廣核檢測技術(shù)有限公司自主研發(fā)的異種金屬焊縫超聲檢查專用設(shè)備，如圖4所示?？蓪?shí)現(xiàn)反應(yīng)堆壓力容器管嘴與安全端異種金屬焊縫、安全端與主管道同種金屬焊縫、管嘴與筒體連接焊縫的水下超聲檢查。CNUS可在不吊出反應(yīng)堆壓力容器堆芯吊籃的情況下對出水管嘴焊縫進(jìn)行超聲檢查，可在一定程度上有效減少反應(yīng)堆壓力容器檢查機(jī)的占堆時間。

圖4 檢查裝備CNUS

3.4 靈敏度設(shè)置

使用MIDAS設(shè)備進(jìn)行超聲檢查時，靈敏度設(shè)置方法如下：將探頭置于圖5所示參考試塊RV03上，并使聲束指向試塊無孔區(qū)域，調(diào)整增益，使檢驗(yàn)區(qū)域的噪聲水平位于（15±5）dB之間，此增益對應(yīng)的靈敏度便為掃查靈敏度；然后采用此掃查靈敏度，制作探頭的距離波幅曲線（DAC），使探頭聲束指向參考試塊RV03上不同深度的φ2 mm橫孔反射體，移動探頭以獲得不同深度φ2 mm橫孔反射體的最大回波幅值，確定探頭的DAC曲線。

圖5 參考試塊RV03

使用Multix及OmniScan相控陣設(shè)備進(jìn)行超聲檢查時，靈敏度設(shè)置方法如下：將探頭置于被檢工件上，并使聲束指向被檢工件無缺陷區(qū)域，調(diào)整增益，使檢驗(yàn)區(qū)域的噪聲水平位于滿屏高度的10%～15%之間，此增益對應(yīng)的靈敏度便為掃查靈敏度；制作探頭的距離波幅曲線（DAC）時，使探頭聲束指向參考試塊RV03上不同深度的φ2 mm橫孔反射體，移動探頭以獲得不同深度φ2 mm橫孔反射體的最大回波幅值，并將最大波幅調(diào)至滿屏高度的80%，確定探頭的DAC曲線。

3.5 掃查方式

采用MIDAS和Multix設(shè)備進(jìn)行超聲檢查時，有兩種掃查方式。自動超聲檢查時，探頭從管嘴內(nèi)表面按照圖6所示方式進(jìn)行矩形掃查：周向（平行于焊縫方向）掃查，軸向（垂直于焊縫方向）步進(jìn)；自動超聲定量檢查時，探頭從管嘴內(nèi)表面按照圖7所示方式進(jìn)行矩形掃查：軸向（垂直于焊縫方向）掃查，周向（平行于焊縫方向）步進(jìn)。

采用OmniScan設(shè)備進(jìn)行相控陣超聲檢查時，探頭從管嘴內(nèi)表面按照圖7所示方式進(jìn)行矩形掃查：周向（平行于焊縫方向）掃查，軸向（垂直于焊縫方向）步進(jìn)。此時，超聲檢查和超聲定量檢查為同時進(jìn)行，不需針對超聲檢查發(fā)現(xiàn)的缺陷再次進(jìn)行超聲定量檢查。

圖6 超聲檢查的掃查方式

圖7 超聲定量檢查的掃查方式

3.6 數(shù)據(jù)分析

MIDAS系統(tǒng)及Multix系統(tǒng)采用的數(shù)據(jù)分析軟件均為MASERA，OmniScan系統(tǒng)采用的數(shù)據(jù)分析軟件為TomoView。

對回波幅度大于等于DAC－12 dB的顯示進(jìn)行分析和記錄。數(shù)據(jù)分析流程如下：

（1）分析人員首先在分析軟件中打開需進(jìn)行分析的數(shù)據(jù)文件。

（2）對已記錄的超聲采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以識別任何幅值高于材料本底噪聲的顯示。

（3）使用放大工具，對超聲采集數(shù)據(jù)的B掃、C掃和D掃視圖進(jìn)行分析，以確定顯示。

（4）任何幅值超過本底噪聲水平且具有動態(tài)回波特性的信號均應(yīng)看作為顯示。

（5）根據(jù)下列段落所述，在B掃、C掃和D掃視圖上對顯示進(jìn)行分析，以確認(rèn)其為缺陷顯示或非相關(guān)顯示（幾何顯示“G”、冶金學(xué)顯示“Mi”、耦合不良“U”、噪聲“N”、電子干擾“I”）。

幾何顯示（G）：在檢驗(yàn)區(qū)域中，連續(xù)或間歇性重復(fù)出現(xiàn)的聲程和幅值保持不變的顯示，顯示位置與某個已知幾何結(jié)構(gòu)位置一致。

冶金學(xué)顯示（Mi）：具有一個非常小的動態(tài)回波的顯示，整個檢驗(yàn)區(qū)域中間歇地發(fā)現(xiàn)相類似的顯示。

耦合不良（U）、噪聲（N）、電子干擾（I）：同時發(fā)現(xiàn)若干顯示，信號顯示的方向與預(yù)期的相反，顯示僅在一次掃查中被發(fā)現(xiàn)。

缺陷顯示：缺陷顯示為不屬于前述各種顯示的所有顯示，并滿足下列條件：至少有三個連續(xù)掃查發(fā)現(xiàn)顯示；顯示幅值應(yīng)不低于DAC曲線幅值的25%（－12 dB）；在聲束傳播方向上，B掃和C掃視圖上具有動態(tài)回波特性的顯示；在B掃和C掃視圖上顯示的位置為可能產(chǎn)生未熔合和疲勞裂紋地方，如焊縫、熱影響區(qū)和焊縫熔合線；至少有一個角度的探頭從任意兩個方向上均可發(fā)現(xiàn)的顯示。

（6）不屬于缺陷顯示的顯示歸類為非相關(guān)顯示，不必對其進(jìn)行進(jìn)一步的分析。

（7）對于每個缺陷顯示，應(yīng)確定下列數(shù)據(jù)：最大幅值坐標(biāo)Xmax，Ymax和Zmax，缺陷長度和缺陷高度；缺陷長度通過“噪聲法”進(jìn)行測量；缺陷高度通過分析缺陷的上端點(diǎn)和下端點(diǎn)信號進(jìn)行確定。

4 檢查結(jié)果

4.1 MIDAS常規(guī)超聲檢查技術(shù)

采用MIDAS超聲設(shè)備、雙晶縱波探頭和CNUS設(shè)備對安全端異種金屬焊縫試塊進(jìn)行超聲數(shù)據(jù)采集，并使用MASERA軟件進(jìn)行超聲數(shù)據(jù)分析，對發(fā)現(xiàn)的缺陷進(jìn)行高度測量和長度測量。將該檢查結(jié)果與瑞典無損檢測認(rèn)證中心（SQC）的檢查結(jié)果進(jìn)行比較，試塊中的所有缺陷均被有效檢出，其中缺陷的長度測量誤差在－4.3～＋8.2 mm之間，小于國家核安全局能力驗(yàn)證時長度測量誤差－5～＋15 mm的要求；缺陷的高度測量誤差介于－2.6～＋4.4 mm之間，小于國家核安全局能力驗(yàn)證時高度測量誤差－3～＋5 mm的要求。瑞典無損檢測認(rèn)證中心的檢查結(jié)果為利用超聲、渦流等多種檢查方法對試塊中的缺陷進(jìn)行檢查獲得的。

常規(guī)雙晶縱波探頭的檢查結(jié)果，如圖8所示。

圖8 常規(guī)雙晶縱波探頭的檢查結(jié)果示例

4.2 Multix相控陣超聲檢查技術(shù)

采用Multix超聲相控陣設(shè)備、相控陣探頭和四軸掃查器對安全端異種金屬焊縫試塊進(jìn)行超聲數(shù)據(jù)采集，并使用MASERA軟件進(jìn)行超聲數(shù)據(jù)分析，對發(fā)現(xiàn)的缺陷進(jìn)行高度測量和長度測量。將該檢查結(jié)果與瑞典無損檢測認(rèn)證中心（SQC）的檢查結(jié)果進(jìn)行比較，試塊中的所有缺陷均被有效檢出，其中缺陷長度測量誤差在－4.3～4.1 mm之間，小于國家核安全局能力驗(yàn)證時長度測量誤差－5～＋15 mm的要求；缺陷的高度測量誤差介于－1.2～3.2 mm之間，小于國家核安全局能力驗(yàn)證時高度測量誤差－3～＋5 mm的要求。

Multix相控陣超聲檢查結(jié)果，如圖9所示。

圖9 Multix相控陣超聲檢查結(jié)果示例

4.3 OmniScan相控陣超聲檢查技術(shù)

采用OmniScan超聲相控陣設(shè)備、相控陣探頭和四軸掃查器對安全端異種金屬焊縫試塊進(jìn)行超聲數(shù)據(jù)采集，并使用TomoView軟件進(jìn)行超聲數(shù)據(jù)分析，對發(fā)現(xiàn)的缺陷進(jìn)行高度測量和長度測量。將該檢查結(jié)果與瑞典無損檢測認(rèn)證中心（SQC）的檢查結(jié)果進(jìn)行比較，試塊中的所有缺陷均被有效檢出，其中缺陷長度測量誤差在－3.7～2.7 mm之間，小于國家核安全局能力驗(yàn)證時長度測量誤差－5～＋15 mm的要求；缺陷的高度測量誤差介于－1.3～2.1 mm之間，小于國家核安全局能力驗(yàn)證時高度測量誤差－3～＋5 mm的要求。

OmniScan相控陣超聲檢查結(jié)果，如圖10所示。

圖10 OmniScan相控陣超聲檢查結(jié)果示例

4.4 試驗(yàn)結(jié)果的比較

常規(guī)雙晶縱波檢查技術(shù)、Multix相控陣檢查技術(shù)和OmniScan相控陣檢查技術(shù)的缺陷長度測量的標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為3.90，2.83，2.36mm；缺陷高度測量的標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為2.12，1.34，0.96mm。通過比較可知，相控陣檢查技術(shù)的缺陷定量精度優(yōu)于常規(guī)雙晶縱波檢查技術(shù)。此外，由第3節(jié)描述的三種檢查技術(shù)的掃查方式及試驗(yàn)過程可知，OmniScan相控陣檢查技術(shù)的檢查效率最高，其總體檢查時間約為常規(guī)雙晶縱波檢查時間的1/3。

5 結(jié)論

根據(jù)以上試驗(yàn)研究及核電站現(xiàn)場實(shí)踐獲得如下結(jié)論：

（1）檢查裝備CNUS可實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆壓力容器管嘴與安全端異種金屬焊縫、安全端與主管道同種金屬焊縫、管嘴與筒體連接焊縫的水下超聲檢查，可在不吊出反應(yīng)堆壓力容器堆芯吊籃的情況下對出水管嘴焊縫進(jìn)行超聲檢查，可在一定程度上有效減少反應(yīng)堆壓力容器檢查機(jī)的占堆時間。

（2）常規(guī)雙晶縱波檢查技術(shù)可有效檢出反應(yīng)堆壓力容器安全端異種金屬焊縫中的缺陷，現(xiàn)已通過國家核安全局組織的能力驗(yàn)證，并已應(yīng)用到嶺澳二期、紅沿河、寧德、陽江等核電站的役前檢查及在役檢查中。

（3）OmniScan相控陣檢查技術(shù)的缺陷定量精度及檢查效率均優(yōu)于常規(guī)雙晶縱波檢查技術(shù)，其總體檢查時間約為常規(guī)雙晶縱波檢查時間的1/3。

［1]In－service inspection rules for the mechanical components of PWR nuclear islands（RSE－M，2ndmodification－February 2000）BinderⅠ，Section B，B4200［S].

［2]HUDGELL R J.Handbook on the ultrasonic examination of austenitic clad steel components［R].European Commission，Joint Research Carter Institute of Advanced Material，1994.

［3]EDELMANN X.Handbook on the ultrasonic examination of austenitic welds［R].European Commission，Joint Research Carter Institute of Advanced Material，1984.