超聲檢測(cè)技術(shù)在核電站蒸汽發(fā)生器中的應(yīng)用

顏曉亮,周清利

(國(guó)核工程有限公司采購(gòu)中心監(jiān)造處， 上海 200233)

?

超聲檢測(cè)技術(shù)在核電站蒸汽發(fā)生器中的應(yīng)用

顏曉亮,周清利

(國(guó)核工程有限公司采購(gòu)中心監(jiān)造處， 上海 200233)

摘要：相對(duì)二代核電產(chǎn)品而言，三代核電主設(shè)備因具有復(fù)雜的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，對(duì)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的要求存在一定的特殊性。通過(guò)介紹三代核電蒸汽發(fā)生器超聲檢測(cè)過(guò)程中的典型質(zhì)量案例，探討超聲檢測(cè)技術(shù)在三代核電應(yīng)用中的技術(shù)疑點(diǎn)，以尋求符合三代核電無(wú)損檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的超聲檢測(cè)評(píng)定方案。

關(guān)鍵詞：蒸汽發(fā)生器;超聲檢測(cè);結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

AP1000三代核電主設(shè)備由美國(guó)西屋公司設(shè)計(jì)，設(shè)備的無(wú)損檢測(cè)主要按ASME(美國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì))第V卷和西屋專用規(guī)范執(zhí)行，上述規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了對(duì)產(chǎn)品的通用檢測(cè)方法和驗(yàn)收法則，但由于三代核電主設(shè)備特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和檢測(cè)規(guī)定，一方面，針對(duì)掃查范圍廣、設(shè)備壁厚大、材料組成復(fù)雜的部位，傳統(tǒng)的針對(duì)單一材料和結(jié)構(gòu)的超聲檢測(cè)方案已無(wú)法滿足要求；另一方面，因結(jié)構(gòu)原因?qū)е聦?duì)無(wú)損檢測(cè)人員的經(jīng)驗(yàn)和企業(yè)質(zhì)量管理能力上有了更高的要求，而目前國(guó)內(nèi)的核電制造企業(yè)在人員、質(zhì)量管理經(jīng)驗(yàn)上還顯得比較薄弱[1-2]。筆者探討了超聲檢測(cè)技術(shù)在三代核電運(yùn)用領(lǐng)導(dǎo)中的技術(shù)疑點(diǎn),通過(guò)案例分析找到符合三代核電無(wú)損檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的超聲檢測(cè)評(píng)定方案。

1案例分析

在三代核電一回路的主設(shè)備中，作為一、二回路熱量轉(zhuǎn)換的臨界設(shè)備蒸汽發(fā)生器，具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜，焊縫多，無(wú)損檢測(cè)難度大等特點(diǎn)，在進(jìn)行這一典型設(shè)備的制造過(guò)程中，曾發(fā)生過(guò)因結(jié)構(gòu)原因而導(dǎo)致的無(wú)損檢測(cè)爭(zhēng)議事件，這一事件引發(fā)了無(wú)損檢測(cè)專業(yè)人員的討論。

三代核電蒸汽發(fā)生器由上下組件構(gòu)成，其中下組件包括管束組件、下封頭、管板、水室隔板和補(bǔ)板，在下封頭水室隔板焊接中存在補(bǔ)板的焊接結(jié)構(gòu)，補(bǔ)板材料和厚度與隔板相同，在結(jié)構(gòu)上與水室隔板焊接后連成整體，將水室封頭分隔成熱段和冷段。隔板及補(bǔ)板外形如圖1所示。

圖1　水室補(bǔ)板部件及蒸汽發(fā)生器下部組件示意

圖2　補(bǔ)板焊縫超聲檢測(cè)示意

蒸汽發(fā)生器的補(bǔ)板為厚度76.2 mm，長(zhǎng)201.5 mm，寬227 mm的鎳基690材料，在結(jié)構(gòu)上，它通過(guò)焊接分別與下封頭、蒸發(fā)器水室隔板、管板一次側(cè)相連接(見圖2)，而與之接觸的蒸發(fā)器下封頭內(nèi)壁和管板一次側(cè)表面，分別堆焊有308L奧氏體不銹鋼隔離層和690鎳基合金堆焊層;由于水室隔板處于封頭內(nèi)部，隔板補(bǔ)板的焊接必須在密閉的空間內(nèi)進(jìn)行，因此，其焊接時(shí)的拘束較大，應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜[3]，焊接過(guò)程中容易因焊接變形及熱應(yīng)力影響而引起相鄰堆焊層發(fā)生剝離現(xiàn)象[4]。因此，根據(jù)美國(guó)西屋設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，需要在完成補(bǔ)板焊接后增加封頭外圍的無(wú)損檢測(cè)，以掃查補(bǔ)板焊縫及鄰近下封頭堆焊層的層間剝離情況。

根據(jù)美國(guó)西屋設(shè)計(jì)規(guī)范的規(guī)定，隔板補(bǔ)板焊后無(wú)損檢測(cè)要求及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)為：① 為確保堆焊層與母材結(jié)合的完整性，補(bǔ)板焊接后應(yīng)采用直波法對(duì)補(bǔ)板區(qū)域鄰近不銹鋼堆焊層進(jìn)行100%層下裂紋檢測(cè)。② 根據(jù)ASME 第Ⅴ卷，第5章T-543技術(shù)要求：層下裂紋檢測(cè)應(yīng)采用具有φ3.175 mm的平底孔試塊校準(zhǔn)，任何超過(guò)φ3.175 mm的平底孔缺陷為不合格[5-6]。

2存在問(wèn)題分析

2.1發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題

由于水室隔板的阻擋，堆焊層的檢測(cè)只能在封頭外側(cè)采用0°探頭直波掃查的方式進(jìn)行[7]。而由于補(bǔ)板焊縫的位置橫跨管板、下封頭、管板與封頭環(huán)縫，對(duì)補(bǔ)板焊縫位置下的下封頭堆焊層進(jìn)行超聲檢測(cè)時(shí)，直探頭掃查實(shí)際范圍包括了下封頭部分母材區(qū)域、管板與下封頭環(huán)縫區(qū)域及補(bǔ)板焊縫下的下封頭堆焊層。

當(dāng)對(duì)補(bǔ)板焊縫下方的封頭堆焊層進(jìn)行超聲檢測(cè)時(shí)，在直探頭檢測(cè)路徑中發(fā)現(xiàn)管板與封頭焊縫附近區(qū)域有缺陷顯示，缺陷幅值為100%DAC+2 dB。測(cè)得的缺陷大小為47 mm×25 mm，缺陷距離堆焊層18 mm，超聲檢測(cè)顯示深度為237 mm。因?yàn)槠溥吘壩挥诠馨迮c下封頭焊縫熱影響區(qū)上(見圖3)，根據(jù)深度判斷，該缺陷可判定為母材缺陷；但根據(jù)其位置判斷，該缺陷靠近部件焊接坡口，有可能是焊縫成型不良而形成的根部焊道缺陷，因此亦可判定為焊縫缺陷[8]。

圖3　缺陷位置示意

2.2缺陷分析

該缺陷是在進(jìn)行下封頭堆焊層層下裂紋超聲檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)的，如果僅根據(jù)ASME V卷第5章T-543技術(shù)要求的驗(yàn)收規(guī)范來(lái)判斷，則該缺陷應(yīng)判定為超標(biāo)缺陷，但因西屋設(shè)計(jì)規(guī)范檢測(cè)的目的是檢測(cè)位于缺陷上方的堆焊層，因此，僅根據(jù)西屋設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)缺陷進(jìn)行評(píng)判，其判據(jù)存在較大爭(zhēng)議。

(1) 將缺陷判定為母材缺陷，即按鍛件驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行驗(yàn)收。設(shè)想該缺陷存在于母材中，根據(jù)材料的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：直探頭超過(guò)φ6.4 mm的平底孔顯示為不合格。從理論上計(jì)算，φ6.4 mm平底孔與φ3.2 mm平底孔的檢測(cè)分辨率相差12 dB；采用鍛件試塊FUT-B01(含φ6.4 mm平底孔)校驗(yàn)設(shè)備后，重新復(fù)核該處缺陷，發(fā)現(xiàn)直探頭幅值為50%DAC-2 dB，沒有達(dá)到記錄標(biāo)準(zhǔn)。

(2) 將缺陷判定為焊縫缺陷，即按焊縫驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行驗(yàn)收。如該缺陷存在于管板與封頭焊縫中，根據(jù)ASME第Ⅴ卷第5章要求，焊縫厚度大于250 mm時(shí)(實(shí)際母材厚度254 mm)，缺陷判定按φ9.5 mm橫孔進(jìn)行驗(yàn)收，驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)為缺陷波幅超過(guò)φ9.5 mm橫孔并且長(zhǎng)度大于19 mm為不合格，而目前直探頭幅值為50%DAC-2 dB，也沒有達(dá)到記錄標(biāo)準(zhǔn)。

綜合以上的判斷，無(wú)論將該缺陷定性為母材缺陷還是焊縫缺陷，其對(duì)缺陷的驗(yàn)收結(jié)論均為合格。從以上的評(píng)定過(guò)程可以看出，實(shí)際在評(píng)測(cè)缺陷的過(guò)程中分別應(yīng)用了三種驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，且在評(píng)測(cè)過(guò)程中采用的調(diào)試孔規(guī)格也均不相同，在應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的過(guò)程中，得到了兩種截然不同的結(jié)論，對(duì)于制造者而言，更要考慮后續(xù)返修的風(fēng)險(xiǎn)和難度。因此，偏重于采用后兩種判斷依據(jù)，但仔細(xì)分析不難發(fā)現(xiàn)，如果簡(jiǎn)單地將該處缺陷判為合格，那將會(huì)對(duì)檢測(cè)對(duì)象的評(píng)測(cè)產(chǎn)生影響。當(dāng)采用直波法在掃查路徑上發(fā)現(xiàn)缺陷時(shí)，其檢測(cè)路徑會(huì)被缺陷所阻擋，當(dāng)缺陷實(shí)際面積較大時(shí)，其對(duì)后續(xù)堆焊層的檢測(cè)影響則不容忽視，根據(jù)檢測(cè)缺陷的超聲測(cè)量尺寸進(jìn)行換算，發(fā)現(xiàn)被缺陷遮擋的堆焊層面積約47 mm×25 mm，直波法已無(wú)法對(duì)該區(qū)域的堆焊層質(zhì)量做出有效判斷，無(wú)法滿足規(guī)范要求的“補(bǔ)板下不銹鋼堆焊層進(jìn)行100%超聲檢測(cè)”;在此情況下，如采用缺陷保留的評(píng)定策略，而不做相應(yīng)的補(bǔ)充檢測(cè)，則無(wú)法保證被檢對(duì)象評(píng)價(jià)的充分性，因此，在對(duì)跨區(qū)域焊縫檢測(cè)的評(píng)定中，無(wú)損檢測(cè)專業(yè)人員對(duì)評(píng)定結(jié)論產(chǎn)生了較大的爭(zhēng)議。

2.3解決方法

通過(guò)對(duì)檢出缺陷進(jìn)行分析，該缺陷顯示當(dāng)量較大，以平底孔φ3.2 mm校準(zhǔn)時(shí)100%DAC+2 dB當(dāng)量值換算為φ4.2 mm，在直探頭檢測(cè)時(shí)，對(duì)缺陷下面的堆焊層可能具有一定的阻擋作用(見圖4)。

圖4　缺陷背面阻擋區(qū)域示意

為尋求可信服的評(píng)定方法，分析了其他無(wú)損檢測(cè)方法，在基于充分滿足標(biāo)準(zhǔn)的前提下，擬采用補(bǔ)充超聲檢測(cè)的方案對(duì)焊縫進(jìn)行檢測(cè)。

為驗(yàn)證缺陷背面區(qū)域母材及堆焊層缺陷，在顯示復(fù)核過(guò)程中，對(duì)顯示缺陷區(qū)域使用如圖5所示的檢測(cè)方法，采用45°和60°斜射波檢測(cè)[9]，同時(shí)提高掃查靈敏度14 dB以上，在缺陷背面區(qū)域未發(fā)現(xiàn)任何顯示，因此可以推測(cè)堆焊層及母材下未出現(xiàn)線性缺陷，同時(shí)為排除堆焊層層間撕裂缺陷，采用小角度45°和17°串列探頭對(duì)缺陷背面區(qū)域進(jìn)行定性和試驗(yàn)(見圖6)，在靈敏度調(diào)試階段采用當(dāng)量換算法，將靈敏度通過(guò)補(bǔ)償提高約10 dB，采用該方法在掃查過(guò)程中依然未發(fā)現(xiàn)堆焊層下的缺陷，因此可判斷，掃查區(qū)域合格。

圖5　斜射波掃查示意

圖6　串列式檢測(cè)法示意

2.4結(jié)果分析

從以上的評(píng)定過(guò)程來(lái)看，常規(guī)的超聲檢測(cè)方法在核電領(lǐng)域的應(yīng)用中依然存在一定的檢測(cè)盲區(qū)，要獲得可靠的評(píng)定結(jié)論，需要針對(duì)核電設(shè)備的特殊性，制定出適用于特定結(jié)構(gòu)的超聲檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和方法，尤其是對(duì)于掃查覆蓋區(qū)域大，材料跨度大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的部位，需要統(tǒng)一和明確驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)以適應(yīng)特定區(qū)域的檢測(cè)要求，降低評(píng)定結(jié)論的爭(zhēng)議性。

3結(jié)語(yǔ)

核電產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)備品種繁多，設(shè)備制造質(zhì)量要求高，對(duì)核電設(shè)備進(jìn)行過(guò)程控制顯得尤為重要；無(wú)損檢測(cè)作為核電設(shè)備質(zhì)量控制的關(guān)鍵工序，更應(yīng)該把握好細(xì)節(jié)控制，檢測(cè)時(shí)應(yīng)注重對(duì)整個(gè)制造周期的全面考慮，對(duì)不同的核電產(chǎn)品應(yīng)該針對(duì)性地制定檢測(cè)方案，真正做到產(chǎn)品的全方位覆蓋檢測(cè)。

參考文獻(xiàn):

[1]胡禮木.焊接工藝參數(shù)對(duì)不銹鋼A-TIG焊焊縫熔深的影響[J].焊接,2006(2):60-62.

[2]黃文大.液體滲透檢測(cè)的質(zhì)量管理[J].無(wú)損檢測(cè),2006,28(8):441-443.

[3]左士偉，于治水.焊接熔池形狀的影響因素[J].上海工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010(3):272-276.

[4]林莉.合金鋼顯微組織超聲無(wú)損表征研究[D].大連:大連理工大學(xué),2003.

[5]李喜孟.無(wú)損檢測(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2011.

[6]和書嶺.AP1000核電機(jī)組汽輪機(jī)軸瓦的超聲檢測(cè)工藝[J].無(wú)損檢測(cè),2015,37(2)：34-39.

[7]徐華.巴氏合金鋼復(fù)合層的超聲檢測(cè)技術(shù)[J].無(wú)損檢測(cè),2011,33(10)：88-89.

[8]莊志強(qiáng).鍛件近表面缺陷的超聲檢測(cè)[J].無(wú)損檢測(cè),2015,37(5)：44-45.

[9]王朝輝，劉峰.超聲檢測(cè)中雙晶縱波探頭的選擇機(jī)理[J].無(wú)損檢測(cè),2011,33(1)：23-24.

Application of Ultrasonic Test for Steam Generator in Nuclear Power Station

YAN Xiao-liang, ZHOU Qing-li

(State Nuclear Power Engineering Company (SNPEC), Shanghai 200233, China)

Abstract：Compared with 2(nd) generation nuclear major equipment, the non-destructive technique for 3(rd) generation nuclear equipment has its uniqueness because of the complex structure of the latter. Through introduction of typical case studies of quality problem during ultrasonic test (UT) of steam generator, this paper reveals and analyzes the difficulties of UT technique during the 3(rd) generation equipment manufacturing, and searches for the UT methods and relevant solutions in manufacturing which is in compliance with the NDE standards of 3(rd) generation equipment manufacturing.

Key words:Steam generator; Ultrasonic test; Structural design

中圖分類號(hào)：TG115.28

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1000-6656(2016)01-0063-03

DOI:10.11973/wsjc201601017

作者簡(jiǎn)介：顏曉亮(1981-),男,研究生,工程師,主要從事質(zhì)量管理和主設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

基金項(xiàng)目:上海市科委科研計(jì)劃資助項(xiàng)目(13DZ2260900)

收稿日期：2015-07-02