用于AP1000型核電站核級(jí)主設(shè)備厚壁焊縫的相控陣超聲檢驗(yàn)技術(shù)研究

楊勇　鞏希德　夏中杰

【摘 要】AP1000核電機(jī)組是目前國(guó)際上先進(jìn)的第三代核電機(jī)組，按照ASME規(guī)范要求，核級(jí)設(shè)備（例如：蒸發(fā)發(fā)生器等）的焊縫需要進(jìn)行超聲檢驗(yàn)，而這類焊縫均有厚壁較厚等特點(diǎn)。目前，在國(guó)內(nèi)均使用常規(guī)手動(dòng)超聲方式進(jìn)行檢驗(yàn)，效率相對(duì)較低且受人因因素影響較大的問(wèn)題。近年來(lái)相控陣超聲技術(shù)發(fā)展迅速，有著檢驗(yàn)效率高、信號(hào)直觀等優(yōu)點(diǎn)。目前國(guó)內(nèi)還未開(kāi)始設(shè)備厚壁焊縫相應(yīng)相控陣超聲的驗(yàn)證和應(yīng)用相關(guān)工作。本文通過(guò)研究和試驗(yàn)，形成了一套適用于AP1000核級(jí)主設(shè)備厚壁焊縫的相控陣超聲檢查方法。

【關(guān)鍵詞】AP1000；核級(jí)主設(shè)備；厚壁焊縫；相控陣超聲檢驗(yàn)

中圖分類號(hào)： TM623 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）12-0007-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.12.003

Research on phased array ultrasonic testing technology for thick wall weld of nuclear grade main equipment of AP1000 nuclear power plant

YANG Yong GONG Xi-de XIA Zhong-jie

（China Nuclear Power Operation Technology Corporation， LTD， Wuhan Hubei 430223， China）

【Abstract】AP1000 nuclear power unit is the advanced third generation nuclear power unit in the world. According to the requirements of ASME specification， the weld of nuclear grade equipment （such as evaporation generator， for example） needs ultrasonic inspection， and the thick wall of this kind of weld has the characteristics of thick wall. At present， the conventional manual ultrasonic testing method is used in China， which is relatively inefficient and is influenced by human factors. In recent years， phased array ultrasonic technology has developed rapidly， and has the advantages of high efficiency and intuitive signal. At present， there is no work on the verification and application of phased array ultrasonic for thick wall weld in China. Through research and experiment， a phased array ultrasonic inspection method suitable for thick wall weld of AP1000 nuclear grade main equipment has been formed.

【Key words】AP1000； Nuclear class main equipment； Thick wall welds； Phased array ultrasonic examination

0 引言

根據(jù)ASME規(guī)范，AP1000型核電站核級(jí)主設(shè)備筒體焊縫需要進(jìn)行超聲檢驗(yàn)，由于焊縫位于核一回路壓力邊界，一般厚壁都較厚。國(guó)內(nèi)對(duì)于現(xiàn)有此類厚壁焊縫的役前和在役檢查，除AP1000機(jī)組少量特定焊縫采用了自動(dòng)常規(guī)超聲檢驗(yàn)，其他多數(shù)焊縫普遍采用手動(dòng)常規(guī)超聲方式進(jìn)行檢驗(yàn)。相控陣超聲檢驗(yàn)技術(shù)由其特殊的超聲波發(fā)射方式，可同時(shí)形成多角度的扇形掃查[1]，以一個(gè)相控陣探頭同時(shí)替代多個(gè)常規(guī)超聲探頭，從而能夠高效的完成檢驗(yàn)任務(wù)。

目前，在核電無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域，相控陣超聲還處于小范圍使用的狀態(tài)[2-3]，僅在核級(jí)管道和部分自主項(xiàng)目上有所應(yīng)用。國(guó)內(nèi)還未開(kāi)始設(shè)備厚壁焊縫相應(yīng)相控陣超聲的驗(yàn)證和應(yīng)用相關(guān)工作。

1 設(shè)備厚壁焊縫相控陣超聲檢驗(yàn)技術(shù)

1.1 檢測(cè)對(duì)象介紹

本文選取AP1000核電機(jī)組核級(jí)主設(shè)備厚壁焊縫中壁厚最厚且內(nèi)壁帶有堆焊層的蒸汽發(fā)生器下封頭與管板連接焊縫（核安全1級(jí)）作為相控陣超聲檢驗(yàn)技術(shù)的研究對(duì)象。焊縫基本信息：母材材料為SA508 GR3 CL2，規(guī)格尺寸：？覫3979.6mm×（基體金屬254mm+堆焊層5.9mm）。

1.2 技術(shù)能力驗(yàn)證要求

核級(jí)主設(shè)備厚壁焊縫不屬于特殊驗(yàn)證項(xiàng)目，其超聲檢驗(yàn)驗(yàn)證要求將參考ASME規(guī)范XI卷規(guī)定性附錄VIII的反應(yīng)堆壓力容器的筒體焊縫要求進(jìn)行。

1.3 檢驗(yàn)難點(diǎn)分析

（1）厚度大造成聲束傳播路徑長(zhǎng)，底面超聲信號(hào)噪聲大，影響缺陷分辨和定量數(shù)據(jù)。

（2）檢測(cè)對(duì)象底面堆焊層會(huì)使超聲信號(hào)進(jìn)一步衰減，而形成底面缺陷信號(hào)弱。

（3）焊縫屬于核安全1級(jí)，質(zhì)量要求較高。

（4）焊縫處于核電廠一回路邊界，周圍環(huán)境劑量率高且位置空間復(fù)雜，需要高效地完成焊縫的檢驗(yàn)過(guò)程。

1.4 相控陣超聲探頭的設(shè)計(jì)

設(shè)備厚壁焊縫一般可能發(fā)生的缺陷類型主要是平面型的裂紋、未焊透、未熔合和體積型的夾渣和氣孔等[4]。基體材料一般為鐵素體鋼鍛造而成，其晶粒均勻，然而隨著壁厚增加，超聲衰減變明顯，需要通過(guò)合理設(shè)置相控陣探頭的電子聚焦法則來(lái)盡可能減小壁厚衰減以及內(nèi)壁堆焊層的影響。

通過(guò)使用不同孔徑和頻率探頭對(duì)統(tǒng)一規(guī)則反射體超聲信號(hào)的對(duì)比試驗(yàn)[5-6]，最終選用2.25MHz孔徑30*20的橫波探頭作探測(cè)，選用4MHz孔徑35*20的縱波探頭作定量。

2 設(shè)備厚壁焊縫相控陣超聲試驗(yàn)

2.1 相控陣儀器和探頭

采用Olympus生產(chǎn)商生產(chǎn)的型號(hào)為Omniscan MX2便攜式相控陣超聲儀以及配套的軟件并搭載1.4節(jié)中的探頭。

2.2 試塊

2.2.1 參考試塊

參考試塊主要用于基準(zhǔn)靈敏度標(biāo)定。本次試驗(yàn)采用蒸汽發(fā)生器管板與底封頭焊縫試塊，示意圖如下圖。

2.2.2 驗(yàn)證試塊

驗(yàn)證采用帶有真實(shí)裂紋的試塊，用于驗(yàn)證探測(cè)探頭的發(fā)現(xiàn)缺陷和缺陷定量精度能力。本次試驗(yàn)采用了大直徑厚壁、內(nèi)壁帶堆焊層的裂紋試塊（低合金鋼材質(zhì)），選取了了4個(gè)深度位置具有代表性的裂紋。

裂紋試塊的具體信息如下：

帶有焊縫，內(nèi)直徑3951mm，厚度為基體金屬235mm+堆焊層7mm和基體金屬200mm+堆焊層6mm兩種試塊；

試驗(yàn)選取位于焊縫的裂紋。各裂紋設(shè)計(jì)尺寸見(jiàn)下表。

裂紋示意圖見(jiàn)下圖3。

2.3 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)使用相控陣超聲手動(dòng)方式在參考試塊上進(jìn)行標(biāo)定，最終將在裂紋試塊上進(jìn)行手動(dòng)檢驗(yàn)并記錄相關(guān)缺陷信息，與裂紋缺陷尺寸設(shè)計(jì)值對(duì)比并得出是否能夠滿足ASME相關(guān)的驗(yàn)證要求。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果將分為探測(cè)結(jié)果和定量結(jié)果兩個(gè)部分分別進(jìn)行描述和分析。

2.4.1 探測(cè)結(jié)果

探測(cè)測(cè)試主要目的是驗(yàn)證探測(cè)探頭在當(dāng)前靈敏度下是否能夠全部有效的檢驗(yàn)出上述的裂紋缺陷，本次探測(cè)使用-12dB法記錄缺陷的起始與終止位置，結(jié)果匯總?cè)缦拢?/p>

從上述相控陣探頭探測(cè)結(jié)果可以得出：

（1）試驗(yàn)裂紋全部都能夠探測(cè)出來(lái)，當(dāng)前探測(cè)探頭參數(shù)滿足探測(cè)檢驗(yàn)要求；

（2）試驗(yàn)裂紋的相控陣信號(hào)中具有很高的信噪比，扇形掃查界面能夠供檢驗(yàn)人員快速、直觀地分辨缺陷。

2.4.2 定量結(jié)果

定量測(cè)試主要目的是驗(yàn)證定量探頭是否能夠全部準(zhǔn)確地測(cè)量出上述的裂紋缺陷尺寸信息，以評(píng)判是否滿足ASME規(guī)范中驗(yàn)證相關(guān)要求。本次裂紋缺陷的定量使用端點(diǎn)衍射法測(cè)量缺陷高度，使用-12dB法記錄缺陷的長(zhǎng)度，結(jié)果匯總?cè)缦拢?/p>

從上述相控陣探頭定量結(jié)果可以得出：

（1）對(duì)于缺陷自身高度的測(cè)量，相控陣的特有扇掃界面非常容易辨別平面型缺陷的上下端點(diǎn)，定量和定性分析容易。

（2）扇掃界面可一次性顯示缺陷周圍的圖像信息，對(duì)于缺陷和偽缺陷或是結(jié)構(gòu)信號(hào)的辨別快速而清晰。

2.5 試驗(yàn)結(jié)果分析

將本次試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，探測(cè)和定量結(jié)果分析表見(jiàn)下表4。

根據(jù)上述探測(cè)和定量結(jié)果分析表：

a）內(nèi)外表面、近表面及中部埋藏等4個(gè)裂紋均被檢測(cè)出，且缺陷的位置誤差在-2.3～10.9mm范圍內(nèi)，滿足缺陷探測(cè)驗(yàn)收準(zhǔn)則。

b）對(duì)于缺陷的自身高度尺寸測(cè)量，誤差在-2.4～1mm以內(nèi)，滿足缺陷定量驗(yàn)收準(zhǔn)則（a）的要求。

c）對(duì)于缺陷的長(zhǎng)度尺寸測(cè)量，誤差范圍在1.7～6.1mm以內(nèi)，滿足缺陷定量驗(yàn)收準(zhǔn)則（b）的要求。

d）統(tǒng)計(jì)缺陷的定量測(cè)量結(jié)果，通過(guò)計(jì)算，線性回歸線斜率為0.88；缺陷自身高度平均偏差為1.3mm；相關(guān)系數(shù)為0.99；上述數(shù)據(jù)滿足缺陷定量驗(yàn)收準(zhǔn)則（c）的要求。

上述相控陣試驗(yàn)分析結(jié)果完全能夠滿足厚壁焊縫的相關(guān)檢驗(yàn)要求。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

厚壁焊縫相控陣超聲檢驗(yàn)技術(shù)目前已成功的應(yīng)用于蒸發(fā)器二次側(cè)自主檢查項(xiàng)目中，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施方便快捷，缺陷的探頭和定量結(jié)果與設(shè)備出廠檢查結(jié)果相吻合，取得了良好效果。

4 結(jié)論

針對(duì)核級(jí)主設(shè)備厚壁焊縫，相控陣超聲檢驗(yàn)技術(shù)測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果表明該技術(shù)完全滿足相關(guān)的檢測(cè)需求和能力驗(yàn)證要求。

在部分方面甚至優(yōu)于目前的常規(guī)手動(dòng)超聲檢測(cè)技術(shù)，具體如下：

（1）探測(cè)和定量分析方面。相控陣檢驗(yàn)技術(shù)有其獨(dú)特的扇形掃查，能夠快速、直觀地分辨缺陷，同時(shí)可以減少人為因素造成的漏檢。

（2）相同檢驗(yàn)質(zhì)量下的檢驗(yàn)時(shí)間花費(fèi)方面。對(duì)于核級(jí)主設(shè)備厚壁焊縫超聲檢驗(yàn)，相控陣檢驗(yàn)技術(shù)所用探頭少，可以減少人員需求和有效縮短檢驗(yàn)總體時(shí)間。

目前，試驗(yàn)的相控陣技術(shù)為手動(dòng)方式，未來(lái)可進(jìn)行超聲自動(dòng)掃查試驗(yàn)研究，將可進(jìn)一步減小人因因素的影響，提高缺陷的重復(fù)率和準(zhǔn)確率，保障核電運(yùn)行的安全性。

【參考文獻(xiàn)】

[1]李衍.焊縫超聲相控陣扇形掃查的覆蓋范圍，無(wú)損探傷，2011，35（4）：6-11.

[2]何曉春.超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)在無(wú)損檢測(cè)中的應(yīng)用，船舶標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量，2014（5）：29-31.

[3]劉云.相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)核電應(yīng)用前景展望，科技視界，2018，06，251-253.

[4]門正興.核電用SA508-3鋼大型鍛件的內(nèi)部裂紋缺陷分析及工藝優(yōu)化，鍛壓技術(shù)，2017，08，1-6.

[5]況迎輝.超聲相控陣探頭的模型研究與參數(shù)優(yōu)化，傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2010，23（12）；1732-1735.

[6]劉正凡.對(duì)接焊縫中超聲相控陣的檢測(cè)，廣東化工，2008，35（12），103-108.