核電站反應(yīng)堆壓力容器接管安全端焊縫渦流檢測

曾玉華，陳 霞，王家建，盧 威，陳勝宇

（中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)股份有限公司，武漢 430223）

核電站反應(yīng)堆壓力容器（RPV）接管安全端焊縫（如圖1所示）包括異種金屬焊縫和同種金屬焊縫，即材料為Z2CND18－12（控氮）不銹鋼的安全端與材料為16MND5低合金鋼的接管側(cè)連接的異種金屬焊縫，和安全端與材料均為鑄造不銹鋼的主管道側(cè)連接的同種金屬焊縫。

圖1 接管安全端焊縫示意

RPV主管道是一個重要的回路壓力邊界，美國ASME和法國RSE－M標(biāo)準(zhǔn)均要求對接管安全端焊縫定期進(jìn)行在役檢查。對于這類焊縫，人們通常使用超聲檢驗(yàn)方法檢驗(yàn)，然而此類焊縫表面的不平整狀況使得超聲檢驗(yàn)探頭耦合不好，故需要補(bǔ)充使用其它檢驗(yàn)方法，以彌補(bǔ)超聲檢驗(yàn)方法的不足。

渦流檢驗(yàn)方法對于表面開口缺陷和近表面缺陷的檢出具有很好的優(yōu)越性，缺陷（如裂紋）會破壞渦流場的路徑而被檢出［1］。

1 渦流檢驗(yàn)方法分析

RPV接管安全端焊縫渦流檢驗(yàn)時需解決4個方面的問題：①探頭的選擇。②頻率的選擇。③掃查方式的選擇。④測長方法的選擇。

1.1 探頭的選擇

對于大尺寸管道焊縫的渦流檢測，常規(guī)軸繞式探頭（即Bobbin探頭）不適用，點(diǎn)探頭是最佳選擇。在探頭線圈的選擇上，絕對式線圈不僅受被檢對象的材質(zhì)、形狀、尺寸等因素的影響，而且受環(huán)境條件（如溫度變化和外界電磁場干擾）的影響較為明顯［2］，故并不適用于核電站RPV接管安全端焊縫的檢驗(yàn)。正交探頭線圈是兩個90°正交布置差分連接的線圈，如圖2所示，這類線圈有利于抑制由于環(huán)境溫度、工件外形尺寸等緩慢變化引起的線圈阻抗變化，對裂紋及其他表面材料不連續(xù)性的缺陷檢出最有效。其可以不受局部的幾何形狀變化（弧面、拐角、焊接不平）和材料成分的變化（填充金屬、熱影響區(qū)）的影響。正交線圈探頭對緩慢的磁導(dǎo)率變化也不敏感，因此可同時檢測鐵磁性材料和非鐵磁性材料。正交線圈可以抑制噪聲而對表面開口裂紋有良好的檢出性，且對周向和軸向缺陷都敏感［1］。所以正交線圈探頭正好適用于RPV接管安全端焊縫的檢驗(yàn)。為保證整個掃查過程中探頭能充分接觸被檢表面，在探頭內(nèi)裝入加載彈簧。

圖2 探頭線圈示意

1.2 頻率的選擇

頻率越低渦流滲透深度越大，要求的探頭制作水平也越高；頻率越高渦流滲透深度越小。Z2CND18－12（控氮）對應(yīng)的ASME材料為316L［3］，其電導(dǎo)率約為1.4MS／m［4］，取渦流有效透入深度為2mm，在工程中，通常定義2.6倍的標(biāo)準(zhǔn)透入深度為有效透入深度［2］。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)透入深度公式δ＝，計(jì)算出工作頻率為305kHz，選用300kHz作為RPV接管安全端焊縫渦流檢測的頻率。

1.3 掃查方式的選擇

RPV接管安全端焊縫渦流檢測運(yùn)用定位器驅(qū)動探頭對焊縫進(jìn)行掃查。渦流C掃檢測方法是形成直觀的三維圖形，通過渦流信號的變化反應(yīng)在顏色變化上，直觀地顯示出缺陷的位置和大小。

采用點(diǎn)探頭和具有編碼器接口能實(shí)現(xiàn)C掃的渦流檢測設(shè)備，單頻率單通道檢測，同時運(yùn)用探頭定位器對焊縫及熱影響區(qū)進(jìn)行鋸齒形掃查（掃查方式如圖3所示），在定位器掃查的同時完成對焊縫及熱影響區(qū)數(shù)據(jù)信號的采集，從而形成如圖4，5所示的C掃圖。

1.4 測長方法的選擇

常用的缺陷測長方法有兩種，一種是信號消失法（Loss of Signal）測長，另一種是－6dB法（半幅值法）測長。信號消失法測長是設(shè)信號響應(yīng)減少到被檢件本底噪聲水平時為端點(diǎn)，找出缺陷兩側(cè)響應(yīng)信號的起點(diǎn)和終點(diǎn)，測出這兩點(diǎn)的距離即得出缺陷的長度值。半幅值法長度測量是對一個缺陷的渦流信號，找出該缺陷信號的最大幅值點(diǎn)，離最大幅值點(diǎn)越遠(yuǎn)，幅值會越變越小，在兩側(cè)分別找到幅值為最大幅值一半的兩個點(diǎn)，這兩個點(diǎn)即是缺陷的兩個端點(diǎn)，測出兩個端點(diǎn)的距離即得出缺陷的長度大?。?］。

信號消失法測長忽略了探頭磁場的影響寬度，且需要用人眼去判斷響應(yīng)信號的起點(diǎn)和終點(diǎn)，增加了人為因素的干擾；而半幅值法是通過測量響應(yīng)信號的幅值大小來確定起止點(diǎn)，測量更加準(zhǔn)確，故選擇半幅值法較為合理。

2 試驗(yàn)

試驗(yàn)使用Zetec TC－7700渦流儀，Zetec Eddyview1.6檢測軟件，中心頻率約為300kHz、線圈寬度為6mm的正交點(diǎn)探頭，使用PC機(jī)控制的可在圓周上作光柵形掃查的掃查器驅(qū)動探頭，對事先刻好了人工缺陷的異種金屬焊縫試塊（編號為RPVTEST－I）和同種金屬焊縫試塊（編號為RPV－TESTII）進(jìn)行檢測。檢測時，軸向掃查速度為140mm／s，周向步進(jìn)為4mm，采樣率為1500點(diǎn)／s，軸向掃查范圍為焊縫中心線－55～55mm，周向步進(jìn)范圍為0°～365°，掃查路徑如圖3所示。

圖3 光柵掃查路徑示意

試驗(yàn)首先需使用掃查器連接TC－7700渦流儀，在帶人工缺陷的不銹鋼平板試塊上，對長25mm，寬0.2mm，深2mm的槽渦流信號，設(shè)其最大響應(yīng)幅值為10V，相位為90°，從而完成標(biāo)定和校準(zhǔn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果

對異種金屬焊縫試塊掃查的C掃圖如圖4所示，同種金屬焊縫試塊掃查的C掃圖如圖5所示。

從圖4，5可以看出，異種金屬焊縫C掃效果優(yōu)于同種金屬焊縫C掃效果，筆者認(rèn)為同種金屬焊縫中的鑄造不銹鋼晶粒相對粗大，影響了C掃效果。

圖4 異種金屬焊縫試塊RPV－TEST－I C掃結(jié)果

圖5 同種金屬焊縫試塊RPV－TEST－II C掃結(jié)果

對缺陷采用半幅值測量法進(jìn)行長度測量，測出缺陷長度與缺陷實(shí)際設(shè)計(jì)長度比較：異種金屬焊縫試塊的最大誤差為－3mm，所有缺陷誤差均方根為1.8mm；同種金屬焊縫試塊的最大誤差為3.8mm，所有誤差均方根為1.8mm。兩種焊縫試塊缺陷長度對比如圖6，7所示。

圖6 RPV－TEST－I試塊半幅值法測量結(jié)果對比

圖7 RPV－TEST－II試塊半幅值法測量結(jié)果對比

4 結(jié)論

采用正交點(diǎn)探頭進(jìn)行渦流C掃檢查方法能有效檢測出RPV接管安全端焊縫的表面開口缺陷，并能直觀地顯示出缺陷的位置，運(yùn)用半幅值法對缺陷進(jìn)行測長，可準(zhǔn)確測出缺陷長度，可彌補(bǔ)在RPV接管安全端焊縫超聲檢查方法的不足。

［1］DIAZ A A，MATHEWS R A，HIXON J，et al.Assessment of eddy current testing for the detection of cracks in cast stainless steel reactor piping components［R］，U.S：Nuclear Regulatory Commission，2007.

［2］國防科技工業(yè)無損檢測人員資格鑒定與認(rèn)證培訓(xùn)教材編審委員會.渦流檢測［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004：24－48.

［3］劉洪杰.核電站核承壓設(shè)備用剛剖析［J］.東方鍋爐，2008，22（8）：23－27.

［4］與聰.316L不銹鋼性能［EB／OL］.［2014－4－14］.http：／／wenku.baidu.com／Link.

［5］ANDERSON M T，CRAWFORD S L，CUMBLIDGE S E，et al.Assessment of crack detection in heavywalled cast stainless steel piping welds using advanced low－frequency ultrasonic methods［R］.U.S：Nuclear Regulatory Commission，2007.