核電廠核級管道彎頭的TOFD檢測

鄧　黎，鄭子昂，陸　琦

(國核電站運(yùn)行服務(wù)技術(shù)有限公司， 上海 200233)

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核電廠核級管道彎頭的TOFD檢測

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(國核電站運(yùn)行服務(wù)技術(shù)有限公司， 上海 200233)

選取某核電站RIS/RCP系統(tǒng)最常用規(guī)格φ168 mm×7.1 mm的核級管道，基于CIVA軟件對TOFD(超聲波衍射時差法)探頭檢測管道彎頭時的聲場特性進(jìn)行仿真，從而選擇管道彎頭TOFD檢測參數(shù)，并通過試驗選取了檢測效果最優(yōu)的TOFD探頭進(jìn)行模擬件檢測試驗，驗證了TOFD檢測技術(shù)對于核電廠核級管道彎頭檢測的適用性。

CIVA軟件仿真；TOFD檢測；彎頭

核電站管道經(jīng)過長期服役后，由于制造、介質(zhì)沖刷及振動載荷等原因，易在彎頭部位產(chǎn)生沖刷減薄進(jìn)而產(chǎn)生疲勞裂紋，這類疲勞裂紋具有生長方向不確定的特點。核電站在役檢查時，對于管道彎頭通常采用常規(guī)超聲波檢測方法，用45°斜探頭從四個方向(平行和垂直于管道軸向)進(jìn)行掃查，此方法中對缺陷的判定和評價主要是基于缺陷的反射回波與試塊上人工反射體回波的相互比較進(jìn)行的，但由于缺陷取向的多樣性，當(dāng)缺陷生長方向與超聲波束不垂直而存在一個較小的夾角時，即便是高度較大的裂紋缺陷，其反射波幅仍可能比較小，甚至不能在檢測儀器上讀取出來，從而造成缺陷的漏檢。

不同于常規(guī)超聲反射法檢測技術(shù)，TOFD(超聲波衍射時差法)檢測技術(shù)對缺陷的判定主要是基于缺陷端點衍射信號進(jìn)行的，即通過發(fā)現(xiàn)并測量缺陷端點衍射信號來獲取缺陷真實高度，從而評價缺陷的嚴(yán)重程度。由于缺陷的端點衍射信號通常都很微弱，要檢出端點衍射信號需要系統(tǒng)靈敏度足夠高，而采用TOFD檢測技術(shù)可獲得很高的檢測靈敏度。同時，由于衍射信號是由缺陷端點振動發(fā)出并向任意方向傳播的，因此衍射信號的產(chǎn)生與缺陷取向并無特別緊密的關(guān)系，這也意味著采用TOFD技術(shù)檢測時，缺陷的檢出能力不受缺陷取向的限制。

2004年頒布的標(biāo)準(zhǔn)ASTM E 2373-04 《Standard Practice for Use of the Ultrasonic Time of Flight Diffraction (TOFD) Technique》，作為方法標(biāo)準(zhǔn)明確了TOFD檢測技術(shù)的適用范圍、掃查方法、試塊設(shè)計等要求，并在附錄X2中明確了對于曲面板的檢測，平板的TOFD配置的原則也可以適用。雖然在采用TOFD檢測管道彎頭上沒有先例，但具備了標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)。

CIVA軟件是由法國原子能委員會(CEA)研發(fā)的一款專業(yè)無損檢測仿真軟件，其中的超聲模塊能實現(xiàn)超聲檢測聲場計算及模擬，對于檢測探頭選擇和檢測工藝的開發(fā)具有非常好的指導(dǎo)作用，在國內(nèi)已經(jīng)得到成功應(yīng)用。筆者基于CIVA軟件對TOFD探頭檢測管道彎頭時的聲場特性進(jìn)行仿真，進(jìn)而選擇管道彎頭TOFD檢測參數(shù)，并通過工藝試驗選取檢測效果最優(yōu)的TOFD探頭進(jìn)行自動化掃查，以驗證TOFD檢測技術(shù)對于核電廠核級管道彎頭檢測的適用性。

1　CIVA軟件仿真

探頭的參數(shù)設(shè)置包括探頭頻率、晶片尺寸、楔塊角度和探頭中心距的設(shè)置。其中探頭參數(shù)的選型主要依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)為ASTM E2373-04;對于探頭中心距的計算,由于TOFD波在曲面中聲束傳播方式的不同,軟件對探頭中心距的理論公式進(jìn)行了修正。

1.1TOFD探頭參數(shù)ASTM E2373-04中規(guī)定了對壁厚小于300 mm(12 in)的工件檢測時,TOFD探頭的選擇要求，如表1,2所示。表中的角度指的是與探頭匹配的楔塊的角度。

表1　壁厚小于75 mm(3 in)時TOFD探頭的選擇要求

表2　壁厚從75 mm(3 in)到300 mm(12 in)時TOFD探頭的選擇要求

1.2探頭中心距公式修正

TOFD探頭在曲面外圓弧面上沿周向放置時，直通波沿兩個探頭之間的直線傳播，如圖1所示?；诓煌膫鬟f方式，根據(jù)直通波和底波傳遞的幾何結(jié)構(gòu)對于探頭中心距公式進(jìn)行了修正。修正結(jié)果如下：

(1)

式中:P為探頭中心距;D為工件直徑，mm;d為指定檢測深度，通常為工件厚度2/3;θ為探頭楔塊折射角。

圖1　TOFD探頭在曲面外圓弧面上的檢測示意

1.3基于CIVA軟件的TOFD檢測仿真模型建立

選取某核電站RIS/RCP系統(tǒng)最常用規(guī)格φ168 mm×7.1 mm的核級管道,用于CIVA軟件仿真模型的建立。從表1中，選用頻率10 MHz、晶片尺寸3 mm或6 mm的探頭，配合60°或70°楔塊(以TF××P×A××表示，TF后的數(shù)字為探頭頻率，P后的數(shù)字為晶片尺寸，A后的數(shù)字為楔塊角度)進(jìn)行檢測。探頭中心距值的設(shè)定仍以2/3T原則為基礎(chǔ)，探頭中心距參考修正公式(式(1))，CIVA聲束仿真結(jié)果如圖2所示。

由圖2觀察到，對于尺寸φ168 mm×7.1 mm的管道檢測采用同一探頭參數(shù)不同楔塊角度，聲場顯示了不同的形式。對于同一目標(biāo)深度，70°探頭檢測曲面平板比在平面平板上,需要更大的探頭中心距值,從而會導(dǎo)致聲場不能聚束、信噪比差、檢驗靈敏度低等問題。

對圖2(c),(d)進(jìn)行比較得到，由于晶片尺寸變大，φ6 mm晶片探頭要比φ3 mm晶片探頭聲場能量更為集中，但φ6 mm晶片探頭由于波束擴(kuò)散角較小，深度方向上的覆蓋范圍較小。較之φ6 mm晶片探頭，φ3 mm晶片探頭形成的聲場可獲得較大的覆蓋范圍，但是聲場強(qiáng)度稍低，易造成信噪比低的問題。

作為試驗仿真，加入一組頻率較低的TF5P6A60探頭進(jìn)行聲束仿真，結(jié)果如圖3所示。雖然探頭不符合ASTM E 2373-04標(biāo)準(zhǔn)的要求，但是從聲場仿真而言,聲場能量符合工藝試驗的要求。

圖3　5 MHz探頭檢測φ168 mm×7.1 mm管道的仿真結(jié)果

綜合分析比較CIVA軟件的仿真結(jié)果，對于規(guī)格φ168 mm×7.1 mm的管道，試驗參數(shù)可以選擇為:頻率10 MHz,晶片3 mm,60°;頻率TF10P3A60、TF10P6A60和TF5P6A60探頭。

2　 探頭選型試驗

選用TF5C6L、TF10C6L和TF10C3L(C后數(shù)字為探頭晶片尺寸,L表示探頭波型為縱波)探頭，掃查TOFD靈敏度對比試塊，根據(jù)對比試塊反射體檢測的覆蓋能力和反射體檢測靈敏度來確定檢測用探頭的型號。試驗儀器采用Olympus OmniScan MX2檢測儀，并且自制周向和軸向的集成模塊形式的楔塊。靈敏度試塊則根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASTM E 2373-04進(jìn)行設(shè)計，試塊的設(shè)計圖詳見圖4。

圖4　7.1 mm靈敏度試塊的設(shè)計圖

2.1試驗實施分別采用TF5C6LA60、TF10C6LA60和TF10C3LA60的TOFD探頭采集7.1 mm靈敏度試塊上軸向和周向φ1.5 mm長橫孔的信號。信號顯示分別如圖5所示，周向橫孔和軸向橫孔信號特征如圖6所示。

2.2信號特征分析

2.2.1靈敏度

從圖5可看出，TF5C6L和TF10C6L探頭的直通波和底波之間的背景噪聲皆小于20%FSH(滿屏波高)，而TF10C3L則達(dá)到了40%FSH。TF10C3L探頭的信號顯示，75%T(試塊厚度)橫孔信號反射能量較弱,遠(yuǎn)低于25%T橫孔，容易與背景造成信號混淆在一起。比較TF5C6L和TF10C6L探頭在25%T和75%T橫孔信號的幅值，TF10C6L探頭得到的幅值均比TF5C6L的高一倍。相比而言，采用TF10C6L型號的TOFD探頭對于試塊反射體的檢出性能更好。

2.2.2覆蓋能力和分辨力

根據(jù)圖5的信號顯示觀察，三種型號探頭都能檢出7.1 mm靈敏度試塊上各個反射體的信號。TF10C3L探頭由于頻率高和晶片尺寸小，缺陷分辨率更高。但實際上由于聲場能量較小，反而影響了較遠(yuǎn)處橫孔的分辨力。TF10C6L和TF5C6L探頭的分辨力皆能達(dá)到要求，但由于前者頻率較高，缺陷分辨率更高，在實際檢測中對于細(xì)小裂紋的檢出更加具有優(yōu)勢。

圖5　各探頭對靈敏度試塊周向、軸向橫孔的檢測信號

圖6　靈敏度試塊周向、軸向橫孔信號特征示意

2.2.3深度測量

深度測量時，取橫孔上端的反射信號：25%T橫孔深度實際值為1 mm，75%T橫孔深度實際值為4.5 mm。

三種型號探頭的反射體深度測量結(jié)果見表3。TF10C6L型號探頭的檢測結(jié)果更加精確。

探頭選型試驗的結(jié)果表明，對于φ168.3 mm×7.1 mm標(biāo)稱管徑的彎頭，最適用的TOFD探頭型號為TF10C6L。

3　性能驗證試驗

3.1試驗方法與試件

TOFD超聲波檢測方法對于工件表面狀況要求很高。表面的不平整本來就會對檢測結(jié)果產(chǎn)生誤差，同時會造成耦合劑的厚度變化。檢測中采用水作為耦合劑并替代楔塊作用的優(yōu)勢在于:可以解決表面不平整,但不會因為無法耦合而造成信號損失;另外,減少了因涂抹耦合劑而帶來的污染。但是工件表面耦合不佳會造成直通波信號出現(xiàn)明顯的移動，看起來像表面開口缺陷，而影響缺陷辨別。因此,路徑的安排對于掃查實施至關(guān)重要——掃查路徑應(yīng)使掃查平滑開展。

表3　驗證試塊反射體深度測量結(jié)果

管道彎頭檢測中，最影響探頭前端效應(yīng)器的因素是曲率問題。對于核島管道彎頭的檢測而言，主要存在兩種曲率半徑的影響——彎頭半徑和管道表面曲率。工件曲率越大對掃查信號質(zhì)量的影響越小，信號顯示效果越好。當(dāng)管道彎頭檢測裝置沿周向掃查運(yùn)動時，管道表面曲率和彎頭半徑同時影響了掃查路徑，安裝探頭的前端效應(yīng)器的每條掃查路徑都是曲率不同的曲線。如圖7(a)所示，直通波和底波都有明顯的信號位移。而當(dāng)掃查沿徑向進(jìn)行時，管道表面曲率和掃查路徑相交，基本不影響掃查路徑的運(yùn)動軌道。每次的掃查路徑相當(dāng)于直線，對于運(yùn)動的耦合狀態(tài)影響不大，信號沒有明顯的偏移情況發(fā)生，如圖7(b)所示。因此，驗證試驗時選用徑向掃查周向進(jìn)動的掃查路徑。

將選型試驗中確定的型號為TF10C6L的TOFD探頭安裝到機(jī)械裝置上，在等比例φ168.3 mm×7.1 mm的管道彎頭驗證試塊上采集數(shù)據(jù)。試塊的設(shè)計圖詳見圖8。

圖7　管道彎頭檢測時,不同方向掃查、進(jìn)動的掃查信號

圖8　φ168.3 mm×7.1 mm管道彎頭對比試塊的設(shè)計圖

3.2試驗結(jié)果

對φ168.3 mm×7.1 mm管道彎頭對比試塊實施自動化掃查，采用徑向掃查周向進(jìn)動的掃查路徑，所有缺陷的檢出結(jié)果以及缺陷高度測量結(jié)果如表4所示。圖9為實際高度為1 mm的B3缺陷實測圖像。從檢測結(jié)果可以看到，所有缺陷都能檢出，證明了自動化掃查的檢測能力。從高度測量結(jié)果可以看到，高度測量誤差較小，滿足測量的要求。

圖9　B3周向槽實際檢測圖像

表4　對比試塊的缺陷檢測結(jié)果

4　結(jié)論

確定了核島管道彎頭TOFD檢測技術(shù)中對于φ168.3 mm×7.1 mm標(biāo)稱管徑的彎頭的掃查路徑，通過試驗驗證了采用自動化掃查核島管道彎頭能夠檢出設(shè)計缺陷，且缺陷高度的測量精度高。對于核電廠管道彎頭缺陷的檢出、缺陷跟蹤具有適用性。核島管道彎頭TOFD檢測技術(shù)和檢測裝置具有在現(xiàn)場檢測實施中應(yīng)用的前景。

[1]白小寶,江運(yùn)喜,梁菁,等.CIVA仿真軟件的實際應(yīng)用[J].無損檢測，2011,33(10):36-39.

TOFD Inspection of Nuclear Class Pipe Elbows

DENG Li, ZHENG Zi-ang, LU Qi

(State Nuclear Power Plant Service Company, Shanghai 200233, China)

Theφ168 mm×7.1 mm nuclear pipe of the most common specification in the nuclear power station RIS/RCP system was selected to study the application of TOFD technology on its elbow. Based on software CIVA acoustic field simulation result, the selection of TOFD probe and examination parameters was undertaken. According to the result, the following test on Mock-up specimens verified the accuracy of the CIVA simulation and applicability of TOFD technology on the nuclear class pipe elbows.

CIVA soft simulation; TOFD testing; Elbow

2015-09-22

鄧?yán)?1986-),女,工程師,本科,主要從事核電廠在役檢查技術(shù)研究。

鄧?yán)? E-mail: lilydeng1986@sina.com。

10.11973/wsjc201606009

TG115.28

A

1000-6656(2016)06-0036-05