蒸汽發(fā)生器安放式小徑接管全焊透角焊縫超聲檢測工藝改進(jìn)

王佐森

(哈電集團(tuán)(秦皇島)重型裝備有限公司, 秦皇島 066206)

蒸汽發(fā)生器安放式小徑接管全焊透角焊縫超聲檢測工藝改進(jìn)

王佐森

(哈電集團(tuán)(秦皇島)重型裝備有限公司, 秦皇島 066206)

由于蒸汽發(fā)生器安放式小徑接管全焊透角焊縫的結(jié)構(gòu)限制、接管曲率大等因素，傳統(tǒng)的超聲檢測工藝存在一些弊端。改進(jìn)了傳統(tǒng)超聲檢測工藝，設(shè)計(jì)了專用的超聲波探頭并采用從接管內(nèi)壁進(jìn)行掃查的檢測方法。采用改進(jìn)后的超聲檢測工藝在缺陷模擬接管上進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果表明新的檢測工藝規(guī)避了傳統(tǒng)超聲檢測工藝的缺點(diǎn)。

小徑接管; 全焊透角焊縫; 超聲探頭; 檢測方案

蒸汽發(fā)生器是核電站核島主設(shè)備之一，是壓水堆核電廠一回路、二回路的邊界，其傳遞反應(yīng)堆的熱量產(chǎn)生蒸汽推動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電。蒸汽發(fā)生器是一級(jí)安全等級(jí)、一級(jí)規(guī)范級(jí)別和質(zhì)保QA1級(jí)設(shè)備，其質(zhì)量直接關(guān)系到核電站的核安全。蒸汽發(fā)生器產(chǎn)品筒身上都有一些安放式小徑接管全焊透角焊縫(這些小徑接管用于溫度及水位測量)，其焊縫結(jié)構(gòu)如圖1(a),(b)所示；管板上設(shè)有為二次側(cè)排污的安放式全焊透小徑接管，焊縫結(jié)構(gòu)如圖1(c)所示。

按照設(shè)計(jì)文件要求，以上小徑接管與筒身或管板焊后需經(jīng)超聲檢測，驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)為ASME NB-5330《超聲檢測驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》。通常的檢測方法為：① 使用2.25 MHz、晶片尺寸(長×寬)為9 mm×8 mm、角度為45°,60°和70°的橫波短前沿探頭沿接管軸向使用一次波和一次反射波從接管外表面掃查焊縫，探頭楔塊磨成與接管外徑相適應(yīng)的曲率，掃查示意如圖2(a)所示。② 對(duì)于圖1(a),(b)接管還可使用2.25 MHz、晶片尺寸(長×寬)為13 mm×13 mm、角度為45°和60°的橫波探頭從筒身內(nèi)壁掃查接管焊縫，掃查示意如圖2(b)所示。

以上檢測方法的缺點(diǎn)為：① 從小徑接管側(cè)掃查時(shí)，一次波幾乎沒有掃查到焊縫區(qū)域；② 從接管側(cè)掃查時(shí)，一次反射波由于經(jīng)過接管內(nèi)壁凸曲率反射，反射波發(fā)散，回波聲壓較低，實(shí)際檢測中信噪比較差；③ 從小徑接管側(cè)掃查時(shí)，一次反射波僅能掃查到部分焊縫區(qū)域存在較大的漏檢區(qū)；④ 從小徑接管側(cè)使用一次反射波掃查焊縫和從筒身側(cè)使用一次波掃查焊縫為從同一個(gè)方向檢測焊縫，而缺少從另一個(gè)方向去檢測焊縫；⑤ 無法從圓周方向檢測焊縫；⑥ 圖1(c)所示接管焊縫由于結(jié)構(gòu)原因僅能從接管側(cè)掃查焊縫。

圖1 安放式小徑接管全焊透角焊縫結(jié)構(gòu)示例

圖2 傳統(tǒng)超聲檢測掃查示例

為克服常用檢測方法的缺點(diǎn)，更好地檢測焊縫質(zhì)量以保證核安全，應(yīng)對(duì)檢測工藝進(jìn)行改進(jìn)。

1 檢測工藝的改進(jìn)

以AP1000核電機(jī)組蒸汽發(fā)生器上筒體組件中水位計(jì)接管焊縫為例進(jìn)行介紹，檢測技術(shù)條件中要求：探頭頻率2 MHz～5 MHz，一個(gè)探頭的折射角度為45°，另一個(gè)探頭的角度應(yīng)為60°或70°，在近檢測面1/4厚度范圍內(nèi)可采用折射角60°～70°的單晶或雙晶斜探頭做補(bǔ)充檢測；掃查方式為采用斜探頭以垂直于焊縫軸線的方向進(jìn)行兩次互相成180°的掃查。如果焊縫余高磨平，還應(yīng)采用斜探頭以平行于焊縫軸線的方向進(jìn)行兩次互相成180°的掃查，否則應(yīng)在焊縫兩側(cè)進(jìn)行斜平行掃查。

為滿足法規(guī)和技術(shù)文件要求，使用如圖3所示的探頭從接管內(nèi)壁沿軸向和周向從正反方向掃查焊縫，探頭為凸曲率，曲率半徑與接管內(nèi)徑相吻合，掃查方向如圖4所示。

圖3 改進(jìn)后的探頭外觀

圖4 改進(jìn)后的掃查示意

1.1 探頭設(shè)計(jì)

為滿足此類焊縫的檢測，特設(shè)計(jì)特殊的專用探頭(見圖3)。探頭通過彈簧懸浮固定于外殼上，通過彈簧的彈力能夠與接管內(nèi)壁很好地耦合；探頭上有suhner插座，手柄端部留有C9插座，組件內(nèi)部通過同軸電纜一端連接suhner接頭，一端連接C9插座；打開后蓋可以更換不同角度和聲束方向的探頭；外殼直徑與接管內(nèi)徑相吻合并保持負(fù)公差。

探頭參數(shù)選取的考慮：該焊縫內(nèi)壁表面和近表面缺陷無法使用磁粉或滲透檢測方法進(jìn)行檢測，故選擇4 MHz雙晶70°探頭進(jìn)行檢測；45°和60°探頭因其聲束要覆蓋R角區(qū)域，故選擇2 MHz；考慮到接管內(nèi)徑較小并盡可能減少探頭盲區(qū)及焊縫厚度適中，故晶片尺寸(長×寬)選擇9 mm×8 mm；為滿足技術(shù)條件中對(duì)檢測方向的要求，探頭聲束方向設(shè)計(jì)了沿接管軸向正反兩個(gè)方向、沿接管周向正反兩個(gè)方向；考慮到耦合效果，探頭的楔塊曲率設(shè)計(jì)為與接管內(nèi)徑一致。

1.2 對(duì)比試塊設(shè)計(jì)

按照ASME V《鍋爐及壓力容器規(guī)范 第V卷 無損檢測》和技術(shù)條件的要求設(shè)計(jì)的軸向掃查試塊，周向掃查試塊如圖5所示。

圖5 對(duì)比試塊尺寸

試塊與接管采用相同牌號(hào)材料并進(jìn)行相同的熱處理。試塊的橫孔直徑按照接管壁厚進(jìn)行選取，直徑為φ2.4 mm，長度為40 mm。最深處長橫孔距掃查面的距離為接管壁厚與焊縫加強(qiáng)高厚度之和。試塊曲率與接管內(nèi)徑一致，并設(shè)計(jì)距掃查面2 mm深的長橫孔，用以測試探頭盲區(qū)。

圖6 鑒定試樣 (槽)尺寸與實(shí)物圖片

1.3 鑒定試樣設(shè)計(jì)

圖7 鑒定試樣(橫孔)尺寸與實(shí)物圖片

參考ASME V卷第4章附錄F《管座檢驗(yàn)中鑒定試樣的要求》制作如圖6和圖7所示的鑒定試樣[1]，試樣材料與產(chǎn)品接管的P-No.號(hào)相同，外形尺寸同產(chǎn)品焊縫相同。如圖6所示，試樣布置矩形槽反射體，焊縫外表面布置1個(gè)環(huán)向槽代表焊縫近外表面的環(huán)向缺陷，1個(gè)縱向槽代表焊縫近外表面的縱向缺陷；焊縫內(nèi)表面根部布置1個(gè)環(huán)向槽代表焊縫內(nèi)壁根部近表面缺陷，槽寬和槽深為1 mm。如圖7所示，試樣布置2個(gè)長橫孔反射體代表焊縫內(nèi)部缺陷，孔直徑φ2 mm。

2 檢測工藝主聲束盲區(qū)的理論分析

利用計(jì)算機(jī)畫圖功能，對(duì)探頭主聲束對(duì)此焊縫的覆蓋進(jìn)行理論分析。由于雙晶70°探頭主要用于檢測焊縫內(nèi)壁近表面缺陷，主聲束對(duì)焊縫覆蓋理論上不存在盲區(qū)。45°和60°探頭在圖4中所示2，3和4方向不存在覆蓋盲區(qū)。在圖4中所示的1方向上，45°和60°探頭主聲束的盲區(qū)如圖8所

圖8 改進(jìn)后方向1的探頭掃查盲區(qū)示意

示，即1方向只有圖8右側(cè)黑色實(shí)心區(qū)域無任何角度探頭主聲束覆蓋，其深度為1.4 mm；而考慮到探頭擴(kuò)散角的覆蓋，實(shí)際聲束未覆蓋區(qū)域小于1.4 mm，該部分盲區(qū)可以在磁粉檢測時(shí)進(jìn)行補(bǔ)充檢測。

3 檢測工藝的演示驗(yàn)證

采用改進(jìn)后的超聲檢測方法在缺陷模擬接管上進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，各探頭的檢測結(jié)果圖片如圖9所示(圖中閘門紅線右側(cè)的較高的信號(hào)為此模擬體的固定結(jié)構(gòu)信號(hào))，試驗(yàn)結(jié)果表明：使用雙晶70°探頭能夠清晰地識(shí)別出焊縫內(nèi)表面的切槽；使用45°探頭能夠清晰地識(shí)別出外表面切槽和焊縫內(nèi)部橫孔。經(jīng)過模擬體的鑒定試驗(yàn)，此檢測工藝能夠滿足此焊縫的檢測技術(shù)要求。

圖9 改進(jìn)的超聲檢測工藝的驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

4 實(shí)際產(chǎn)品焊縫的檢測

按照ASME V卷,核電設(shè)計(jì)院的《焊縫超聲檢測技術(shù)條件》和改進(jìn)的檢測工藝編制專用的《蒸汽發(fā)生器安放式全焊透小接管焊縫超聲檢測規(guī)程》。對(duì)實(shí)際產(chǎn)品焊縫進(jìn)行檢測，軸向檢測使用圖5(a)試塊制作DAC曲線，周向檢測使用圖5(b)試塊制作DAC曲線。其中，雙晶70°探頭使用距掃查面深度為2，5，15 mm的孔制作DAC曲線；45°和60°探頭使用距掃查面深度為5，20，45 mm和70 mm的孔制作DAC曲線。以DAC曲線為基準(zhǔn)靈敏度，在此基礎(chǔ)上至少提高14 dB作為掃查靈敏度。該檢測方法取得了較好的結(jié)果。

5 結(jié)語

通過理論分析和鑒定試樣的驗(yàn)證演示，改進(jìn)后的檢測工藝很好地避免了傳統(tǒng)檢測工藝的缺點(diǎn)，能夠滿足核電設(shè)計(jì)院對(duì)此類安放式全焊透小接管焊縫的檢測要求，從而很好地保證此類焊縫的檢測質(zhì)量。

The Ultrasonic Examination Process Improvement for Full-Penetration CornerWeld of Small Diameter Pipes on Steam Generator

WANG Zuosen

(Harbin Electric Corporation (QHD) Heavy Equipment Company Limited, Qinhuangdao 066206, China)

Because of the geometric limitation and big curvature of small diameter pipes, the conventional ultrasonic examination process for their full-penetration corner weld has some shortcoming. The author has improved the conventional process by designing new ultrasonic probes and applying inner scanning method from pipes inside. The new process is tested on simulation pipes to prove its feasibility and it shows that this method can avoid the conventional method′s shortcoming.

small pipe; full-penetration corner weld; ultrasonic probe; examination method

2016-10-28

王佐森(1980-)，男，工程師，主要從事無損檢測和質(zhì)量管理工作

王佐森，wangzuos@sohu.com

10.11973/wsjc201706017

TG115.28

B

1000-6656(2017)06-0073-04