壓水堆冷卻劑系統(tǒng)離心鑄造管射線(xiàn)檢測(cè)晶間衍射影像驗(yàn)證

朱從斌，李茂宇，王建軍

(1.中廣核工程有限公司， 深圳 518124；2.煙臺(tái)臺(tái)海瑪努爾核電設(shè)備股份有限公司， 煙臺(tái) 264003)

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壓水堆冷卻劑系統(tǒng)離心鑄造管射線(xiàn)檢測(cè)晶間衍射影像驗(yàn)證

朱從斌1，李茂宇2，王建軍2

(1.中廣核工程有限公司， 深圳 518124；2.煙臺(tái)臺(tái)?，斉瑺柡穗娫O(shè)備股份有限公司， 煙臺(tái) 264003)

對(duì)CPR1000壓水堆冷卻劑系統(tǒng)離心鑄造管進(jìn)行射線(xiàn)檢測(cè)時(shí)，在底片上發(fā)現(xiàn)大面積黑白相間、邊緣分界不清晰、沒(méi)有規(guī)律性的不規(guī)則斑紋狀或斑狀的疑似缺陷影像顯示。通過(guò)各種物理化學(xué)和無(wú)損檢測(cè)方法對(duì)影像進(jìn)行排除和驗(yàn)證，并與鑄件典型缺陷圖譜中的缺陷影像進(jìn)行比較，判定其屬于晶間衍射產(chǎn)生的非缺陷類(lèi)影像顯示，并進(jìn)行了形成機(jī)理的分析。

離心鑄造管；射線(xiàn)檢測(cè)；影像顯示；晶間衍射

CPR1000壓水堆冷卻劑系統(tǒng)管路中的離心鑄造直管(壁厚70 mm)，是防止帶有核放射性物質(zhì)的流體介質(zhì)擴(kuò)散外逸，保障核電廠一回路安全運(yùn)行的核一級(jí)部件。依據(jù)RCC-M《壓水堆核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則》標(biāo)準(zhǔn)零部件采購(gòu)技術(shù)規(guī)范M3406《用不含鉬的鉻鎳奧氏體-鐵素體不銹鋼制造的離心澆注管——用于壓水堆冷卻劑系統(tǒng)管道》及設(shè)計(jì)技術(shù)文件的要求，應(yīng)對(duì)離心鑄造管進(jìn)行全體積100%射線(xiàn)檢測(cè)，其中離心鑄造直管兩端焊接端距最終標(biāo)定線(xiàn)至少120 mm范圍內(nèi)強(qiáng)制要求采用192Ir進(jìn)行檢測(cè)，其他部位可采用60Co進(jìn)行檢測(cè)，依據(jù)ASTM E186靜態(tài)鑄造標(biāo)準(zhǔn)圖譜底片進(jìn)行評(píng)價(jià)[1-2]。筆者通過(guò)各種物理化學(xué)和無(wú)損檢測(cè)方法對(duì)影像進(jìn)行驗(yàn)證，并進(jìn)行了形成機(jī)理的分析。

1　疑似缺陷影像描述

為了驗(yàn)證離心鑄造直管的質(zhì)量及評(píng)估兩端最終的切除量，一般先進(jìn)行全體積60Co射線(xiàn)檢測(cè)，60Co底片并未發(fā)現(xiàn)可記錄的缺陷或疑似的缺陷影像，但對(duì)兩端部的120 mm焊接端范圍內(nèi)進(jìn)行192Ir單壁內(nèi)透照補(bǔ)充檢測(cè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)整個(gè)圓周方向上的底片均存在大面積可識(shí)別的黑度不均勻，邊緣分界不清晰，沒(méi)有規(guī)律性的斑紋狀、斑狀或纖維狀，黑白相間、整體類(lèi)似不規(guī)則網(wǎng)格的疑似缺陷影像顯示，如圖1所示。

圖1　晶間衍射顯示照片

針對(duì)直管底片出現(xiàn)的疑似缺陷影像，與ASTM E186和E446標(biāo)準(zhǔn)[3]的192Ir圖譜底片典型缺陷影像進(jìn)行了對(duì)比和分析，192Ir圖譜底片典型缺陷影像如圖2～3所示。圖2為ASTM E186標(biāo)準(zhǔn)(51～114 mm)的典型缺陷類(lèi)型A～F[2]，其中圖2(a)為A氣孔：孤立或成群，輪廓光滑，黑度較大影像；圖2(b)為B夾雜：顆粒狀或片狀，輪廓清晰，影像整體不規(guī)則，黑度具有顆粒狀特征；圖2(c)為CA收縮

類(lèi)缺陷：條紋或纖維狀，輪廓不清晰或清晰，影像與周?chē)鷮?duì)比明顯；圖2(d)為CB收縮類(lèi)缺陷：樹(shù)枝狀，黑度一般較大，對(duì)比明顯；圖2(e)為CC收縮類(lèi)缺陷：云霧狀、細(xì)網(wǎng)紋或模糊暗斑，輪廓不清晰；圖2(f)為D冷裂紋：平滑直線(xiàn)狀或彎曲平滑線(xiàn)狀；圖2(g)為E熱裂紋：不規(guī)則暗線(xiàn)，為波折狀，有分叉；圖2(h)為F內(nèi)嵌物：影像輪廓清晰。離心鑄造直管192Ir底片的影像特征與上述A～F類(lèi)缺陷的影像存在很大的差異，因此，對(duì)ASTM E446(<51 mm)中G衍射影像標(biāo)準(zhǔn)圖譜進(jìn)行了分析，圖3為ASTM E446(<51 mm)中G衍射影像：黑度不均勻，邊緣分界不清晰，黑白相間，沒(méi)有規(guī)律性的斑紋狀或斑狀。按照ASTM E186經(jīng)驗(yàn)反饋，51～114 mm厚度底片不可能存在衍射斑現(xiàn)象，離心鑄造直管剛好在這個(gè)范圍之內(nèi)。但是從ASTM E446(<51 mm)適當(dāng)透照條件下產(chǎn)生的衍射影像特征可以看出，離心鑄造直管192Ir底片的疑似缺陷影像特征與其非常類(lèi)似。

圖2　192Ir圖譜底片典型缺陷影像(ASTM E186標(biāo)準(zhǔn))

圖3　G衍射影像(ASTM E446)

離心鑄造芯筒的高速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，在慣性力的作用下，金屬結(jié)晶從鑄件外表面向鑄件內(nèi)表面順序進(jìn)行，呈方向性結(jié)晶(外表面主要是柱狀晶)，熔渣、氣孔和夾雜物等主要集中于鑄件內(nèi)表層并被最終機(jī)加工去除，其他部分組織細(xì)密，一般不會(huì)出現(xiàn)氣孔、收縮類(lèi)和夾雜物等缺陷。而且由于離心鑄造管是層狀冷卻，也基本不會(huì)出現(xiàn)厚度方向空間分布的收縮類(lèi)缺陷。因此，從鑄造工藝分析，底片上大面積存在的疑似缺陷影像為實(shí)際鑄造缺陷的可能性不大。

2　工藝試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果

雖然離心鑄造直管底片疑似缺陷影像與ASTM E186標(biāo)準(zhǔn)靜態(tài)鑄造典型缺陷影像特征存在較大差異，與ASTM E446標(biāo)準(zhǔn)的衍射影像類(lèi)似。但由于鑄造工藝不同，從核安全的角度，有必要進(jìn)一步驗(yàn)證和分析，確定形成影像的原因和性質(zhì)，排除為實(shí)際鑄造缺陷的可能性。

圖4　離心鑄造直管45°傾角加工外觀

圖5　表面滲透檢測(cè)照片

2.1破壞性試驗(yàn)驗(yàn)證分析對(duì)存在上述疑似缺陷影像顯示嚴(yán)重的離心鑄造直管端面進(jìn)行45°傾角加工，然后對(duì)加工部位進(jìn)行滲透檢測(cè)，并從外圓表面向內(nèi)每加工5 mm后逐層進(jìn)行滲透檢測(cè)，直至斜面去除完畢，均未發(fā)現(xiàn)任何可識(shí)別的缺陷顯示，見(jiàn)圖4～5，可以說(shuō)明在工件內(nèi)部沿軸向和厚度方向沒(méi)有大面積的收縮類(lèi)缺陷存在。2.2金相試驗(yàn)驗(yàn)證分析金相試驗(yàn)的目的是確認(rèn)離心鑄造直管存在上述嚴(yán)重疑似缺陷影像顯示部位的金相組織形態(tài)是否正常。

取樣方法及部位：對(duì)離心鑄造直管端部用鋸割方法進(jìn)行破壞性取樣，沿管子壁厚方向分別切取四個(gè)試驗(yàn)樣塊。對(duì)切取的試樣用王水從不同方向、不同層次進(jìn)行宏觀腐蝕，觀察其表面是否有明顯的收縮類(lèi)缺陷，然后再進(jìn)行微觀制樣，觀察其顯微組織。

圖6　離心鑄造直管宏觀金相照片

試樣的宏觀和微觀金相組織均正常，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)較大的宏觀偏析和收縮類(lèi)缺陷，只是個(gè)別試樣存在鑄件上不可避免的極細(xì)小的金屬夾雜物，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6～7。

圖7　離心鑄造直管金相照片

金相試驗(yàn)結(jié)果也可以說(shuō)明在工件內(nèi)部沿軸向、圓周和厚度方向沒(méi)有大面積的收縮類(lèi)缺陷存在。

2.3不同角度的射線(xiàn)檢測(cè)驗(yàn)證分析

對(duì)離心鑄造直管上存在上述嚴(yán)重疑似缺陷影像顯示的部位做好標(biāo)記，采用192Ir射線(xiàn)源單壁內(nèi)透照。第一次正對(duì)標(biāo)記垂直透照，射線(xiàn)源平移100 mm后進(jìn)行第二次透照，以不同角度透照兩次的底片來(lái)驗(yàn)證疑似缺陷影像的變化。

第一次透照底片上疑似缺陷影像比較明顯，黑白相間且形狀不規(guī)則，分布無(wú)規(guī)律，放射源正對(duì)垂直部位的黑白相間影像較多，略?xún)A斜方向較少，甚至沒(méi)有出現(xiàn)此類(lèi)顯示；第二次透照底片也存在上述顯示，影像位置、可識(shí)別的數(shù)量和輪廓上與第一次透照底片相比有了較大變化，正對(duì)垂直部位的黑白相間影像較多，略?xún)A斜方向較少甚至沒(méi)有出現(xiàn)此類(lèi)顯示的狀況與第一次透照有相似規(guī)律，第一次透照出現(xiàn)較嚴(yán)重疑似缺陷影像的部位在第二張底片上較少。該試驗(yàn)說(shuō)明疑似缺陷影像受射線(xiàn)角度的影響比較大。

2.4逐層去除柱狀晶材料的射線(xiàn)檢測(cè)驗(yàn)證分析

沿離心鑄造直管端部壁厚方向進(jìn)行了宏觀金相試驗(yàn)，從金相照片上可以觀察到從外壁向內(nèi)部分別是柱狀晶、混合晶和等軸晶區(qū)域，如圖8所示。

圖8　壁厚方向宏觀金相照片

192Ir單壁內(nèi)透照時(shí)，柱狀晶位于膠片側(cè)，底片出現(xiàn)上述疑似缺陷影像顯示。根據(jù)第2.3節(jié)試驗(yàn)，該影像顯示與透照角度的關(guān)系也比較明顯，初步認(rèn)為該疑似缺陷影像顯示可能與離心鑄造直管的柱狀晶有關(guān)，在第2.1節(jié)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上補(bǔ)充了192Ir透照和偏移透照驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果如下：

(1) 進(jìn)行全厚度單壁外透照(即柱狀晶位于射線(xiàn)源側(cè)時(shí))試驗(yàn)，底片黑度均勻，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)類(lèi)似的疑似缺陷影像。

(2) 加工5 mm后的透照底片，偏移試驗(yàn)結(jié)果與第2.3節(jié)試驗(yàn)一致，疑似缺陷影像明顯減弱。

(3) 加工去除10 mm后的透照底片，已經(jīng)沒(méi)有了明顯的疑似缺陷影像，底片黑度基本均勻。在此基礎(chǔ)上，增大焦距和減小焦距透照，底片仍沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的疑似缺陷影像。

(4) 對(duì)加工掉10 mm柱狀晶材料的離心鑄造直管用X射線(xiàn)機(jī)再進(jìn)行拍攝，仍然清晰可見(jiàn)黑白相間的影像;傾斜約10°進(jìn)行拍攝，可以發(fā)現(xiàn)影像分布發(fā)生了較大變化。

(5) 截取兩個(gè)試塊，分別加工掉等軸晶和柱狀晶部分，分別采用192Ir射線(xiàn)源進(jìn)行透照。去除等軸晶的試塊透照底片存在明顯的疑似缺陷影像顯示，去除柱狀晶的試塊透照底片黑度均勻細(xì)膩，未發(fā)現(xiàn)有類(lèi)似的疑似影像存在。

以上試驗(yàn)可以充分說(shuō)明疑似缺陷影像受晶粒大小(尤其是柱狀晶)和射線(xiàn)能量的影響比較大;試驗(yàn)也更進(jìn)一步說(shuō)明經(jīng)過(guò)混合晶和等軸晶區(qū)的過(guò)濾后，針對(duì)192Ir射線(xiàn)源，柱狀晶對(duì)產(chǎn)生疑似缺陷影像的影響已經(jīng)消失。

3　試驗(yàn)結(jié)果分析

(1) 從X射線(xiàn)、60Co和192Ir透照結(jié)果看出，去除柱狀晶后的X射線(xiàn)檢測(cè)仍發(fā)現(xiàn)疑似缺陷影像，該影像受射線(xiàn)能量和角度的影響很大，符合衍射顯像特征。

(2) 從單獨(dú)柱狀晶透照、去除柱狀晶后透照以及單壁內(nèi)、外方式透照驗(yàn)證結(jié)果可以看出，該影像受晶粒尺寸大小以及不同晶粒占的比例和位置分布的影響很大，符合衍射現(xiàn)象特征。雖然ASTM E 186說(shuō)明在70 mm內(nèi)鑄件不會(huì)出現(xiàn)衍射現(xiàn)象，但其是基于靜態(tài)鑄造工藝而言的，離心鑄造獨(dú)特的柱狀晶分布和比例足以在射線(xiàn)檢測(cè)時(shí)產(chǎn)生衍射現(xiàn)象。

(3) 該影像與ASTM E446衍射影像的特征可以進(jìn)行類(lèi)比，結(jié)合機(jī)加工解剖和滲透檢測(cè)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)實(shí)際鑄造缺陷的結(jié)果，也能間接證明該疑似影像是衍射現(xiàn)象產(chǎn)生的。

4　結(jié)語(yǔ)

不同的鑄造工藝對(duì)應(yīng)的晶粒類(lèi)型和分布均存在差異，鑄件晶粒比較粗大，射線(xiàn)底片容易出現(xiàn)晶間衍射現(xiàn)象，主要與晶體幾何學(xué)和晶體入射輻射方向有關(guān)，制訂鑄件射線(xiàn)檢測(cè)工藝和選擇檢測(cè)參數(shù)時(shí)應(yīng)予以考慮。

晶間衍射現(xiàn)象是可以通過(guò)驗(yàn)證試驗(yàn)進(jìn)行確認(rèn)和排除的，并不會(huì)對(duì)射線(xiàn)底片實(shí)際的評(píng)估產(chǎn)生較大的不利影響，透照工藝的改變不會(huì)改變氣孔、收縮類(lèi)或其他非連續(xù)性的影像，但衍射影像的類(lèi)型和分布會(huì)發(fā)生劇烈變化。

[1]RCC-M 2000Edition & addendum 2002 deign and construction rules for mechanical components of PWR nuclear islands [S].

[2]ASTM E 186-93Standardreference radiographs for heavy-walled (51 to 114 mm) steel castings[S].

[3]ASTM E 446-93Standard reference radiographs for steel castings up to 51 mm in thickness[S].

Verification of RT Crystal Diffraction Image of the Centrifugal Casting Tube for PWR Coolant System

ZHU Cong-bin1, LI Mao-yu2, WANG Jian-jun2

(1.China Nuclear Power Engineering Co., Ltd., Shenzhen 518124, China;2.Yantai Taihaimanuer Nuclear Equipment Co., Ltd., Yantai 264003, China)

On RT testing of centrifugal casting pipe of CPR1000 PWR coolant system, an image on the film with a large area of black and white, and with unclear edge boundary was found. The image was also characteristic of irregular patch or defect image. Through a variety of physical and chemical methods and non-destructive examination methods for exclusion and verification and by comparing it with the defect image of typical casting defect map, it was verified that the image was the non-defect image caused by the crystal diffraction, and following on its formation mechanism was analyzed.

Centrifugal casting tube; RT test; Image; Crystal diffraction

2016-01-08

朱從斌(1974-),男，高級(jí)工程師，主要從事無(wú)損檢測(cè)技術(shù)研究和機(jī)械設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督工作。

朱從斌， E-mail: congbinzhu@163.com。

10.11973/wsjc201609009

TG115.28

A

1000-6656(2016)09-0033-04