核電廠超聲檢測技術的應用

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(中核武漢核電運行技術股份有限公司，武 漢 430223)

核電廠役前檢查是設備安裝后、運行前實施的檢查，檢查結果主要作為后續(xù)檢查的參考點；在役檢查是核電廠運行期間，定期對設備進行的檢查，以判斷設備中是否存在缺陷，或者缺陷是否可以接受。核電廠役前檢查和在役檢查期間，超聲檢測技術的應用相當廣泛。核電廠超聲檢測的主要應用有反應堆壓力容器筒體焊縫及接管焊縫、反應堆壓力容器主螺栓、燃料組件、控制棒束組件、蒸汽發(fā)生器筒體焊縫及接管焊縫、穩(wěn)壓器筒體焊縫、蒸汽發(fā)生器/穩(wěn)壓器人孔螺栓、主泵焊縫、主管道焊縫、核輔助管道焊縫和汽輪機葉片葉根等。

1 超聲檢測主要特點及應用

1.1 核電廠超聲檢測的主要特點

核電廠設備或部件的超聲檢測一般采用手動超聲檢測技術和自動超聲檢測技術，手動超聲檢測技術又分為常規(guī)手動超聲以及相控陣手動超聲檢測技術。

核電廠最厚的被檢焊縫約為300 mm，最薄部件的壁厚約為0.5 mm，被檢對象的材料主要有碳鋼、低合金鋼、鍛件不銹鋼和離心鑄造不銹鋼等。超聲檢測技術需要根據(jù)具體的被檢測對象進行檢測方案的設計，綜合考慮的因素包括：核電廠在役檢查規(guī)范和核電廠在役檢查大綱的檢驗要求；被檢部件的可能缺陷產生形式、損傷機理和缺陷類型；被檢部件的規(guī)格、結構及材料特征；被檢部件所處環(huán)境、可達性限制。

1.2 厚壁容器焊縫的自動超聲檢測

核島一回路主設備反應堆壓力容器、穩(wěn)壓器、蒸汽發(fā)生器部件均采用鍛件焊接制造，其筒體材料為鍛造低合金鋼，焊縫厚度一般可達到100～300 mm，考慮到耐腐蝕性能等特殊要求，在內壁堆焊6～8 mm的不銹鋼堆焊層,這類焊縫統(tǒng)稱為厚壁容器焊縫。反應堆壓力容器厚壁焊縫一般采用從內壁接近的方式進行自動超聲檢測；其他主設備焊縫一般采用外壁接近方式進行自動或手動超聲檢測。

1.2.1 反應堆壓力容器筒體及接管焊縫的超聲檢測

受可達性和輻射環(huán)境的影響，超聲探頭只能從反應堆壓力容器筒體和接管內壁接近，通過專用的自動檢查裝置實施自動檢查。典型反應堆壓力容器上筒體結構和接管焊縫位置示意如圖1所示，典型反應堆壓力容器檢查機械系統(tǒng)外觀如圖2所示。

圖1 典型反應堆壓力容器上筒體結構和接管焊縫位置示意

圖2 典型反應堆壓力容器檢查機械系統(tǒng)外觀

對于反應堆壓力容器筒體的超聲檢測，需要從筒體內表面對焊縫實施軸向和周向掃查。一般使用角度分別為0°，45°，60°，70°，頻率為2 MHz的探頭進行檢測，在發(fā)現(xiàn)缺陷后則使用45°，4 MHz的縱波探頭對缺陷進行定量(即缺陷高度和長度測量)檢測。同時，由于焊縫內表面存在不銹鋼堆焊層，因此在確定檢查技術和進行缺陷信號分析的過程中，需要特別注意堆焊層對超聲檢測帶來的不利影響。堆焊層對超聲檢測的不利影響主要表現(xiàn)為：不銹鋼堆焊層為粗大的柱狀晶粒，超聲波衰減較大，會造成檢驗靈敏度下降；超聲波在堆焊層內部和結合面上會發(fā)生聲束偏轉，造成缺陷定位偏差；由于堆焊層的影響，容易形成偽缺陷顯示[1]。消除和減弱上述影響因素的措施如下所述。

(1) 采用堆焊工藝和表面狀況與被檢工件相似的對比試塊，以克服不銹鋼堆焊層對檢測靈敏度的影響。

(2) 采用合理的探頭角度，通常使用45°探頭對缺陷進行準確定位和定量檢測。

(3) 采用多種探頭及觀察被檢工件表面狀況等方法，來判別由堆焊層引起的偽缺陷信號。

對于反應堆壓力容器接管焊縫的超聲檢測，一般在接管內部進行軸向掃查，在筒體側實施徑向和切向掃查。對于接管側掃查一般使用0°，10°，30°，50°的縱波探頭，典型反應堆壓力容器接管焊縫接管側掃查示意如圖3所示。由于接管焊縫結構為馬鞍面，因此在檢驗時需注意對顯示信號的位置進行修正。

圖3 典型反應堆壓力容器接管焊縫接管側掃查示意

圖4 蒸汽發(fā)生器筒體焊縫自動掃查現(xiàn)場

1.2.2 蒸汽發(fā)生器及穩(wěn)壓器筒體焊縫自動超聲檢測

對于蒸汽發(fā)生器及穩(wěn)壓器筒體焊縫的超聲檢測，需從筒體外表面對焊縫采用手動或自動方式實施軸向和周向掃查(見圖4)。對于這些焊縫的檢驗，一般使用0°，45°，60°，70°探頭，其中70°或小晶片的60°探頭用于檢測近表面區(qū)域。實際檢測時，在上述設備的焊縫周邊存在部分結構性遮擋物，而導致部分區(qū)域檢測不可達，如接管支座、保溫支承和變徑區(qū)等，為了減少不可達區(qū)域，可以適當改變探頭角度。

1.3 奧氏體不銹鋼管道焊縫自動超聲檢測

奧氏體不銹鋼廣泛應用于核電廠，如一回路主管道、核輔助管道均采用奧氏體不銹鋼。奧氏體不銹鋼管道焊縫為粗晶材料，其超聲波檢驗一般從頻率、波型、聚焦、頻帶寬度和晶片收發(fā)等方面進行參數(shù)優(yōu)選，以達到最優(yōu)的檢驗效果。不銹鋼管道超聲檢測探頭參數(shù)選擇原則見表1。

表1 不銹鋼管道超聲檢測探頭參數(shù)選擇原則

探頭參數(shù)的具體選擇還需考慮受檢部件的結構、焊縫形式、材料衰減特性等因素。探頭所搭配的楔塊弧面尺寸應能確保掃查時有效貼合。為了提高探頭的縱向分辨率和信噪比，對于奧氏體不銹鋼焊縫的檢測應選用寬頻窄脈沖探頭。

在現(xiàn)場條件許可的情況下，采用自動超聲檢測技術對不銹鋼管道進行焊縫超聲檢測具有較好的檢驗效果，借助自動超聲成像技術可以減小較高的背景噪聲及散射信號所帶來的干擾，從而提高檢驗結果的可靠性。圖5為不銹鋼管道焊縫超聲檢測現(xiàn)場。

圖5 不銹鋼管道焊縫超聲檢測現(xiàn)場

1.4 超薄壁管材的超聲檢測

超薄壁管材被廣泛應用于核電堆芯及換熱器等部件中。超薄壁管材的直徑范圍一般為6～20 mm，壁厚最小可達0.45 mm，如燃料棒包殼管、控制棒包殼管和蒸汽發(fā)生器傳熱管等。

1.4.1 超薄壁管材的出廠檢測

對于超薄壁管材的出廠檢測，主要采用超聲檢測方法。其不僅用于檢測管材缺陷，同時還用于高精度測量管材外形尺寸和壁厚。要求的最小缺陷檢測靈敏度，以及外形、壁厚測量精度通常需要達到微米級。

采用周向和軸向偏轉的方式對管材進行水浸聚焦超聲波檢測。為了獲得最佳的檢測靈敏度，要求超聲波入射到管材內的折射角為45°左右(見圖6)。

圖6 管材缺陷的檢測示意

超薄壁管材的壁厚t較小，可采用共振法進行壁厚測量。利用寬帶高頻探頭在管壁內部形成共振波，分析共振波頻率f和超聲波傳播速度v，則可計算出被檢管材的壁厚。

采用雙直探頭測量時，探頭聲束會偏離被檢管材中心，聲束軸線會偏離旋轉中心;水中溫度的變化會導致聲速不穩(wěn)定以及兩探頭的中心距偏移;甚至超聲波采集系統(tǒng)的數(shù)模轉換等因素會導致外徑測量的偏差遠大于誤差要求，因此可以采用離散信號獨立周期分析方法來降低由機械運動導致的偏差。在標定過程中，對不同周期信號進行置信區(qū)間統(tǒng)計，可以使超聲采集系統(tǒng)數(shù)模轉換時產生的誤差影響降低至可接受范圍。

采用自動化的檢測設備才能保證對超薄壁管材高測量精度的要求。針對超薄壁管材的超聲檢測，國內外現(xiàn)有的檢測系統(tǒng)均采用高速旋轉頭承載著若干個不同功能的點聚焦/線聚焦探頭，在直流電機的驅動下高速旋轉，配合被檢管材的軸向勻速行進，來實現(xiàn)小管徑管材的全體積超聲波檢驗。為了保障檢測效率，高速旋轉頭的轉速至少應達到4 000 r·min-1。超薄壁管材出廠檢測系統(tǒng)外觀如圖7所示。

圖7 超薄壁管材出廠檢測系統(tǒng)外觀

1.4.2 反應堆控制棒束組件的超聲檢測應用

核電站反應堆控制棒束組件(Rod Cluster Control Assembly，以下簡稱RCCA)也是一種薄壁管，在服役一定的時間后，控制棒包殼上可能形成腫脹、磨損及裂紋等幾種典型缺陷。

在現(xiàn)場實際應用過程中，腫脹缺陷一般處于控制棒組件的尖部區(qū)域，缺陷軸向長度范圍為30～80 mm，多發(fā)生在服役時間較長的黑棒上，灰棒上未檢測出此類缺陷；磨損缺陷一般處于控制棒的板狀區(qū)域，形貌特征有邊緣磨損、月牙狀磨損及盔狀磨損；裂紋缺陷一般處于控制棒組件的尖部區(qū)域，沿軸向方向伸展，軸向長度范圍為30～80 mm，發(fā)生在服役時間較長的黑棒上，灰棒上未檢測出此類缺陷。RCCA典型缺陷的超聲信號如圖8所示。

圖8 RCCA典型缺陷的超聲信號

1.5 相控陣超聲檢測技術

基于相控陣超聲檢測技術的多種優(yōu)勢，相控陣超聲檢測技術已經(jīng)逐漸用于核電廠的役前及在役檢查中，如奧氏體不銹鋼管道的環(huán)焊縫檢測、核電樅樹型汽輪機葉片根部檢測、接管內圓角區(qū)檢測等。

1.5.1 奧氏體不銹鋼焊縫的相控陣超聲檢測

核電廠奧氏體不銹鋼管道內徑范圍為101.6～787.4 mm，壁厚范圍為10～90 mm。根據(jù)ASME XI卷《核電廠部件在役檢查規(guī)則》的相關規(guī)定，焊縫的檢驗區(qū)域為焊縫內壁1/3壁厚范圍以及焊縫邊沿兩側各6.4 mm的熱影響區(qū)。

奧氏體不銹鋼管道焊縫的相控陣超聲檢測一般采用二維雙晶面陣縱波探頭。扇掃顯示界面中能直觀顯示平面缺陷的特征，并可觀察出缺陷端點信號在不同聲束角度區(qū)間的動態(tài)變化規(guī)律，能精確測量缺陷的高度和長度。

在檢測時，當缺陷信號呈現(xiàn)端點信號特征時，即可判定為平面缺陷(如裂紋)。平面缺陷的顯示特征如圖9所示，該顯示在扇掃界面中有明顯的上、下端點衍射信號。對于有外表面開口傾向的顯示，可使用爬波探頭進行輔助判斷。該顯示深度在10 mm內，且爬波探頭90°時還有向上延伸的趨勢，可判斷為外表面開口型缺陷(見圖10)。對于沒有明顯端點信號的缺陷，必要時可以利用多角度探頭輔助判斷其缺陷性質。

圖9 平面缺陷的顯示特征

圖10 外表面開口缺陷爬波特征

對于深度較深的缺陷，應優(yōu)先選擇在小角度區(qū)域進行定量檢測；對于深度較淺(≤15 mm)的缺陷，則應優(yōu)先選擇在大角度區(qū)域進行定量檢測。

針對不同深度的缺陷，其端點信號應優(yōu)先使用表2中相應的角度范圍進行缺陷高度測量。從試驗效果來看，在缺陷檢測及定量上，相控陣超聲檢測技術比常規(guī)超聲檢測技術具有明顯優(yōu)勢。

表2 缺陷高度測量對應的聲束角度區(qū)間

1.5.2 樅樹型汽輪機葉片根部超聲相控陣檢測技術

在汽輪機運行過程中，葉片根部受到的應力主要有離心拉應力、蒸汽彎應力和偏心彎應力。通過計算機模擬進行葉片的應力分析，結果如圖11所示。由圖11可知：根部第一齒(靠近葉片)處應力最大，第四齒(遠離葉片)處應力最??；第一齒兩端(進氣側和出氣側)的應力最大。因此，汽輪機轉動過程中，第一齒處最易產生缺陷，尤其在進氣側和出氣側的位置。為了最大限度地保證葉片的安全運行，需對葉片第一齒實現(xiàn)全覆蓋檢測，進氣側與出氣側是重點關注區(qū)域。

圖11 汽輪機葉片的應力分析

由于葉片為復雜的空間曲面結構，為了保證探頭與檢測面的耦合，需要將探頭設計得足夠小。對于橫波探頭，為了獲得高的縱/橫波轉換效率(透射系數(shù)α=T/L，T為橫波振幅，L為縱波振幅)，需要為其設計合適的斜楔塊(傾角約36°)。由于相鄰葉片之間的空隙狹窄，不同的掃查區(qū)域還需考慮探頭的放置空間。

國內某核電廠汽輪機轉子的若干葉片根部存在缺陷，對葉片的進氣口肩臺上第一齒內弧側采用橫波進行檢測，缺陷信號如圖12所示，并將其與完好的同級葉片進行比較，可發(fā)現(xiàn)明顯的顯示信號。借助三維結構模型分析可知，該缺陷處于進氣口第一齒(距離肩臺檢測面28 mm，距離進氣端面約5 mm)上。

圖12 葉片缺陷檢測結果

為了進一步確認檢測結果的準確性，將該葉片從轉子上拆下，通過打磨處理后進行滲透檢測，得到明顯的裂紋顯示(見圖13)。裂紋深約3 mm，并在齒根方向延伸。

圖13 打磨處理后的裂紋顯示

1.6 反應堆壓力容器頂蓋貫穿件超聲檢測技術的應用

反應堆壓力容器頂蓋為半球形結構，內表面堆有不銹鋼堆焊層。頂蓋上方布置兩種類型的貫穿件,分別為控制棒驅動機構(CRDM)貫穿件和排氣管貫穿件。貫穿件材料通常為Inconel-600合金、Inconel-690合金等。根據(jù)檢驗規(guī)范的要求，超聲檢測區(qū)域為CRDM貫穿件本體，以及與貫穿件本體相連的J型焊縫熔合面。

反應堆壓力容器頂蓋貫穿件的狹窄空間布局、焊縫的曲面結構以及其所處的高放射性環(huán)境，決定了頂蓋貫穿件在役檢查的技術難度較大。對其的檢測，一方面應實現(xiàn)自動化檢測，并保障從頂蓋內部接近的可達性和選擇探頭貼合效果良好的檢查裝置；另一方面則必須選擇滿足缺陷定量檢測要求的檢測技術。

針對貫穿件本體，一般采用超聲衍射時差法(TOFD)，該技術逐步替代傳統(tǒng)的橫波檢測技術，廣泛應用于頂蓋貫穿件的在役檢查中。其主要優(yōu)點為：① 對平面型顯示敏感；② 基于尖端衍射波的缺陷測高方法具有較高的定量精度，定量精度一般可達到±2 mm。貫穿件本體TOFD典型信號如圖14所示。

圖14 貫穿件本體TOFD典型信號

頂蓋自動化檢查裝置根據(jù)功能進行分類，可分為定位平臺和掃查器兩個模塊。定位平臺用于運載掃查器到不同的貫穿件位置。目前主要有兩種類型的定位平臺，即基于多軸聯(lián)動的機械手和全向運動小車。掃查器用于攜帶檢測探頭并執(zhí)行對檢測區(qū)域的自動掃查。針對不同類型貫穿件的掃查，通常需設計滿足其結構尺寸特征的掃查器。

1.7 反應堆壓力容器主螺栓超聲檢測技術的應用

反應堆壓力容器主螺栓在服役過程中，要求對螺栓實施定期全體積超聲檢測，并重點檢查螺紋根部區(qū)域。為了提高檢測可達性及檢測能力，國內主要核電廠一般采用自動超聲檢測法，從螺栓中心孔內部對其實施檢查。

一般使用水浸或接觸式45°橫波探頭，探頭聲束方向為軸向，機械裝置驅動探頭在螺栓中心孔內旋轉，并在軸向方向上連續(xù)運動，以螺旋式的掃查方式對螺栓進行超聲檢測。反應堆壓力容器主螺栓超聲檢測系統(tǒng)示意如圖15所示。

圖15 反應堆壓力容器主螺栓超聲檢測系統(tǒng)示意

1.8 缺陷自身高度測量技術

核電廠役前/在役檢查期間，為了滿足缺陷評定分析的要求，通常要求測量缺陷的位置、自身高度、長度等信息。基于缺陷的評定分析，要求用超聲檢測方法對缺陷進行定量檢測，并給出缺陷沿壁厚方向的自身高度。

從目前國內外的實踐來看，尖端衍射信號測量法是目前設備和管道焊縫比較通用而有效的一種缺陷自身高度的測量方法。尖端衍射測量法是根據(jù)惠更斯原理，超聲波入射到缺陷(如裂紋)時，在裂紋上下尖端會形成次波源而產生衍射(稱為衍射波)來實現(xiàn)檢測的；端點衍射波測量法是通過測量裂紋端點衍射回波的傳播時間差來求得裂紋自身高度的。尖端衍射信號測量法示意如圖16所示。

圖16 尖端衍射信號測量法示意(B掃)

目前的研究結果表明，只要缺陷形狀和取向適當，探頭選擇合適，缺陷自身高度測量精度就較高。為了提高對較小缺陷自身高度的測量精度，在信噪比滿足要求的條件下，盡量選用較高頻率的探頭，如采用縱波頻率為4 MHz的探頭，并選用寬帶窄脈沖，對主設備和核級管道焊縫而言，由于探頭參數(shù)本身的限制，通常僅能夠較準確地測量不小于3 mm的缺陷自身高度。

對于反應堆壓力容器檢查的堆焊層下缺陷的自身高度測量技術，采用70°縱波雙晶斜探頭檢測，再用45°縱波雙晶斜探頭進行高度核實。如果探頭的信噪比足夠，對于自身高度小于3 mm的較小缺陷，雖然不能進行自身高度測量，但是對這類缺陷仍然具有較好的檢出率。對于非常薄的部件，如果采用較高頻率的探頭，也可以對較小自身高度的缺陷進行測量。

對某類型反應堆壓力容器接管焊縫檢測時，使用了4 MHz單晶斜探頭對某缺陷進行測量，缺陷高度為5 mm(見圖17)；對某類型反應堆壓力容器接管安全端異種金屬焊縫檢測時，使用了4 MHz雙晶斜探頭對某缺陷進行測量，缺陷高度為35 mm(見圖18)。

圖17 反應堆壓力容器接管焊縫平面型缺陷高度測量(B掃)

圖18 反應堆壓力容器接管安全端焊縫平面型缺陷高度測量(B掃)

1.9 超聲檢測技術的能力驗證

在核安全設備在役檢查規(guī)范中，已經(jīng)明確提出了需要對部分檢驗對象的無損檢測技術進行能力驗證。無損檢測技術能力驗證也稱為無損檢測技術鑒定，是針對某項無損檢測技術采用合適的論證和考核方法，證明其檢驗規(guī)程、操作人員和檢驗設備組成的檢驗系統(tǒng)，符合相關檢驗技術要求，并能夠達到滿意的檢驗結果。

通常無損檢測技術能力驗證包括兩部分內容，即技術論證和實踐測試考核。技術論證是指對某項無損檢測技術的應用經(jīng)驗、試驗研究成果以及理論分析結果等多方面進行的評價。實踐測試考核(明測或盲測)是指在具有代表性的測試試塊上進行的測試考核，測試試塊必須能夠代表相應被檢工件的特點。明測是在操作人員知道測試試件的部分缺陷信息的情況下所進行的測試考核，此項測試主要考核檢測規(guī)程和檢測設備的合理性和有效性；而盲測是在操作人員不知道測試試塊的任何缺陷信息的情況下而進行的測試考核，主要是考核操作人員的操作技能。

在美國，無損檢測技術能力驗證主要采用盲測試件進行實踐測試考核評價，即對檢測規(guī)程、檢測設備和操作人員組成的系統(tǒng)一起進行盲測考核。而在歐洲和其他部分國家，通常采用實踐測試考核和技術論證相結合的方法實施無損檢測能力驗證，一般首先進行檢測技術(檢測規(guī)程和檢測設備)的技術論證，然后進行檢測規(guī)程和檢測設備的明測考核，最后再進行操作人員的盲測考核。

我國的能力驗證體系也漸趨完善，由國家核安全局組織無損檢測技術能力驗證，已于2015年9月頒布《核電廠在役檢查無損檢驗技術能力驗證實施辦法(試行)》。

2 超聲檢測技術展望

(1) 新型檢測技術的開發(fā)和普及，如相控陣超聲波檢測技術、全矩陣超聲信號采集和分析技術等。以相控陣為例，其在美國已大范圍使用，且關鍵部件的相控陣檢測技術均已通過能力驗證，而國內仍在小范圍內使用，核電廠相控陣超聲技術有待進一步推廣應用。

(2) 在役檢查機器人的研究與應用。核電廠在役檢查期間的作業(yè)環(huán)境涉及高空、高輻照、密閉空間、水下等復雜環(huán)境，超聲檢測機器人的開發(fā)及應用可以降低檢測人員的安全風險和輻照風險，同時也可以有效提高超聲檢測技術的可靠性。

(3) 檢測數(shù)據(jù)智能分析軟件開發(fā)。隨著自動超聲檢測技術的推廣，檢測數(shù)據(jù)的在線或離線分析占用了檢測人員越來越多的精力。開發(fā)超聲數(shù)據(jù)智能分析軟件可減少分析人員工作量，同時和人工分析相結合，也可以有效降低漏檢和減少誤判。

參考文獻：

[1] 許遠歡，葛亮，付千發(fā)，等.核設備不銹鋼堆焊層對超聲檢測的影響[J].無損檢測，2013,35(8)：18-21.