反應(yīng)堆壓力容器J型坡口焊縫自動(dòng)超聲檢測(cè)工藝研究和結(jié)果分析

周毅

【摘 要】壓力容器驅(qū)動(dòng)管座和中子測(cè)量管座貫穿件J型坡口焊縫由于其結(jié)構(gòu)的特殊性不能采用常規(guī)超聲方法進(jìn)行檢測(cè)。本文針對(duì)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)展開(kāi)了調(diào)試，設(shè)計(jì)了參考試塊進(jìn)行了靈敏度和數(shù)據(jù)驗(yàn)證;通過(guò)對(duì)管座模擬件的檢測(cè)和結(jié)果分析，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可靠性和檢測(cè)方案的合理性;檢測(cè)系統(tǒng)在產(chǎn)品檢驗(yàn)中實(shí)際運(yùn)用，對(duì)產(chǎn)生的信號(hào)顯示進(jìn)行定位、定量和識(shí)別。

【關(guān)鍵詞】自動(dòng)超聲檢測(cè);反應(yīng)堆壓力容器;貫穿件;J型焊縫

中圖分類(lèi)號(hào)： TH878.2;TL351.6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）36-0272-004

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.36.129

Auto Ultrasonic Testing Research and Indication Analysis for J Type Welding in Reactor Pressure Vessel

ZHOU Yi*

（Shanghai Electric Nuclear Power Equipment Co.， Ltd.， Shanghai 201306， China）

【Abstract】Due to the special structure of J type welding for CRDM and BMI in Reactor Pressure Vessel， it is not feasible to carry out the inspection by the ordinary ultrasonic testing method. This research focus on debugging system and designed the UT blocks to carry on the sensitivity and data verification. The reliability of testing system， along with the rationality of testing scheme， are verified by the testing processing and results analysis for the simulation specimens.? This testing system is actually exercised in product examination， the sign of indications are located， measured and distinguished.

【Key words】Auto Ultrasonic testing; Reactor Pressure Vessel; Penetration piece; J type welding

0 引言

反應(yīng)堆壓力容器是核電站核島中的關(guān)鍵設(shè)備，它主要用來(lái)盛裝反應(yīng)堆堆芯，使高溫高壓的冷卻劑保持在一個(gè)密封的殼體內(nèi)，同時(shí)起輻射屏蔽作用。位于頂蓋的驅(qū)動(dòng)管座和位于下封頭的中子測(cè)量管座均貫穿了壓力容器外殼，管座與外殼金屬壁的焊接質(zhì)量對(duì)壓力容器的密封性產(chǎn)生重大影響，焊縫處的缺陷一旦形成穿透，將會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)堆冷卻劑出現(xiàn)泄漏，進(jìn)而影響了整個(gè)核反應(yīng)堆的安全。

驅(qū)動(dòng)管座和中子測(cè)量管座管壁厚度較大，渦流檢測(cè)存在趨膚效應(yīng)，從內(nèi)壁進(jìn)行渦流掃查效果不佳;由于該處結(jié)構(gòu)的特殊性，外壁超聲檢測(cè)存在結(jié)構(gòu)受限;而管座內(nèi)壁結(jié)構(gòu)平整，超聲檢測(cè)又能穿透一定的深度，能有效覆蓋焊縫處的檢測(cè)。因此，本文采用超聲方法通過(guò)內(nèi)壁對(duì)管座焊縫檢測(cè)展開(kāi)了研究，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)方法和檢測(cè)工藝的確定，針對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈敏度試塊保證檢測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性，最終對(duì)工藝評(píng)定件和產(chǎn)品進(jìn)行檢測(cè)并加以分析。

1 檢測(cè)方法

壓力容器驅(qū)動(dòng)管座和中子測(cè)量管座內(nèi)壁孔徑小，檢測(cè)位置距離管端較遠(yuǎn)，常規(guī)超聲檢測(cè)無(wú)法到達(dá)檢測(cè)區(qū)域。內(nèi)壁檢測(cè)需要自動(dòng)超聲掃查裝置，超聲探頭安裝到運(yùn)動(dòng)裝置內(nèi)，利用運(yùn)動(dòng)裝置替代人工掃查實(shí)現(xiàn)軸向伸縮和周向旋轉(zhuǎn)的功能，設(shè)置合理的掃查范圍和步進(jìn)參數(shù)，達(dá)到檢測(cè)區(qū)域的掃查覆蓋。J型焊縫與管座結(jié)合面平行于管座內(nèi)壁，焊縫結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定直探頭就可以實(shí)現(xiàn)該區(qū)域的有效檢測(cè)，為保證檢測(cè)過(guò)程的分辨力，本文采用高頻探頭。

2 檢測(cè)設(shè)備

檢測(cè)設(shè)備由運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、超聲檢測(cè)系統(tǒng)、耦合劑循環(huán)系統(tǒng)、音視頻系統(tǒng)和INTRASPECT超聲數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)五個(gè)部分組成。

超聲檢測(cè)系統(tǒng)采用多通道，檢測(cè)之前應(yīng)對(duì)水平線性和垂直線性完成測(cè)試。驅(qū)動(dòng)管座采用縱波雙晶直探頭進(jìn)行檢測(cè)，頻率為5MHz， 為保證探頭分辨力，界面處的聲束直徑不大于2.5mm;中子測(cè)量管采用縱波單晶直探頭，頻率為5MHz，焊縫結(jié)構(gòu)較小，檢測(cè)要求更高，界面處的聲束直徑不大于1.5mm。

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)主體為7160掃查器和MCS控制器，以及自動(dòng)對(duì)位裝置。7160掃查裝置具有較好的擴(kuò)展性，通過(guò)更換位于掃查裝置頂部的探頭組件，即可完全覆蓋兩種焊縫的掃查。組件的線纜通過(guò)掃查裝置的轉(zhuǎn)接板與超聲檢測(cè)系統(tǒng)相連，較為靈活。

7160掃查裝置具有X周向旋轉(zhuǎn)軸和垂直運(yùn)動(dòng)Y軸，自動(dòng)對(duì)位裝置能夠提供平行地面的兩維運(yùn)動(dòng)，兩者共同控制確保了檢測(cè)行進(jìn)的靈活性。

耦合劑循環(huán)系統(tǒng)由循環(huán)水管、智能控制水泵、過(guò)濾器等構(gòu)成，作用是掃查時(shí)耦合劑的供給及回收。

音視頻系統(tǒng)包括攝像頭、照明燈和顯示器等設(shè)備，對(duì)掃查裝置和掃查部位進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

INTRASPECT超聲數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)由超聲數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、前置放大器、采集分析工作站、INTRASPECT采集軟件及分析軟件，對(duì)超聲信號(hào)進(jìn)行采集和分析。

3 參考試塊

ASME標(biāo)準(zhǔn)要求焊縫深度小于25mm時(shí)，橫孔孔徑設(shè)置為2.5mm， RCCM標(biāo)準(zhǔn)要求橫孔孔徑為2.0mm， 綜上考慮CRDM管座基準(zhǔn)靈敏度設(shè)定為位于焊縫和管座交界面的φ2mm橫孔以保證檢測(cè)精度，靈敏度校驗(yàn)試塊按照實(shí)際產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，詳見(jiàn)圖1。φ2mm橫孔對(duì)檢測(cè)信號(hào)的有效性進(jìn)行驗(yàn)證，檢測(cè)信號(hào)的位置和幅值均得到核驗(yàn)。另外本文設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)校驗(yàn)試塊，試塊上φ3mm平底孔和φ2mm橫孔與管座外壁相切，模擬位于J型焊縫處的缺陷信號(hào)，φ2橫孔設(shè)定基準(zhǔn)靈敏度，比較檢測(cè)過(guò)程中的信號(hào)幅值偏差;φ3mm平底孔驗(yàn)證采集過(guò)程中位置的偏差，由此保證了檢測(cè)過(guò)程中信號(hào)幅值和位置的可靠性。詳見(jiàn)下圖2。

圖1 驅(qū)動(dòng)管座靈敏度校驗(yàn)試塊

中子測(cè)量管座J型焊縫檢測(cè)試塊基準(zhǔn)靈敏度設(shè)定為φ3mm平底孔，在焊縫和管座外壁交界面上設(shè)計(jì)φ3mm、φ2mm兩個(gè)平底孔，φ2mm平底孔核驗(yàn)探頭焦點(diǎn)尺寸是否產(chǎn)生偏差，φ3mm平底孔調(diào)節(jié)基準(zhǔn)靈敏度，核驗(yàn)檢測(cè)前后的位置、深度。試塊設(shè)計(jì)圖如下（圖3）。

為驗(yàn)證檢測(cè)方案的合理可行，本文設(shè)計(jì)了驅(qū)動(dòng)管座和中子測(cè)量管座J型焊縫的工藝評(píng)定件。驅(qū)動(dòng)管座J型焊縫模擬件1設(shè)置了點(diǎn)狀缺陷，用于氣孔、夾渣等點(diǎn)狀缺陷的研究，模擬件2設(shè)計(jì)了未熔合缺陷，用于面狀缺陷的研究。中子測(cè)量管座J型焊縫模擬件設(shè)置了點(diǎn)狀缺陷。

圖2 驅(qū)動(dòng)管座數(shù)據(jù)校驗(yàn)試塊

圖3 中子測(cè)量管座數(shù)據(jù)校驗(yàn)試塊

4 檢測(cè)工藝

4.1 參數(shù)設(shè)置

表1 系統(tǒng)采集參數(shù)基本設(shè)置

連接運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、超聲檢測(cè)系統(tǒng)、耦合劑循環(huán)系統(tǒng)、音視頻系統(tǒng)和INTRASPECT超聲數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)，通過(guò)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集分析軟件調(diào)試各個(gè)系統(tǒng)是否有效運(yùn)行。進(jìn)行檢驗(yàn)參數(shù)的初始設(shè)置，通過(guò)試驗(yàn)，得出了較為優(yōu)化的參數(shù)配置，如表1和表2所示。

表2 探頭參數(shù)基本設(shè)置

4.2 數(shù)據(jù)采集

（1）采集之前對(duì)探頭靈敏度和探頭延遲進(jìn)行調(diào)節(jié)。探頭延遲調(diào)節(jié)要求為將第一次底面回波深度調(diào)節(jié)至校準(zhǔn)試塊標(biāo)稱(chēng)厚度（即管座管壁厚度）。驅(qū)動(dòng)管座檢測(cè)以距對(duì)比試塊內(nèi)徑深度16mm處Φ2mm橫孔的回波高度達(dá)到滿屏的80%作為參考靈敏度;中子測(cè)量管檢測(cè)以距對(duì)比試塊內(nèi)徑深度11.3mm處Φ3mm平底孔回波高度達(dá)到滿屏的80%作為參考靈敏度。

（2）為保證掃查覆蓋率和數(shù)據(jù)采樣率，本研究對(duì)數(shù)據(jù)采集間距和最大掃查速度進(jìn)行了調(diào)試，確認(rèn)后按下表參數(shù)執(zhí)行掃查。

表3 貫穿件超聲檢測(cè)掃查參數(shù)

（3）為保證定位標(biāo)準(zhǔn)的一致性，掃查軸向零點(diǎn)設(shè)置為貫穿件下端口;周向零點(diǎn)為貫穿件J焊縫最低點(diǎn)。檢測(cè)覆蓋范圍設(shè)置如下：驅(qū)動(dòng)管座將管座/焊縫界面周向兩側(cè)外延各2.5mm范圍內(nèi)的區(qū)域應(yīng)進(jìn)行100%檢驗(yàn)，軸向檢測(cè)范圍為J形焊縫最高點(diǎn)往上12mm到J形焊縫最低點(diǎn)往下12mm。。驅(qū)動(dòng)管座將管座/焊縫界面周向兩側(cè)外延各2.5mm范圍內(nèi)的區(qū)域應(yīng)進(jìn)行100%檢驗(yàn)，軸向檢測(cè)范圍為J形焊縫最高點(diǎn)往上12mm到J形焊縫最低點(diǎn)往下12mm。

4.3 數(shù)據(jù)驗(yàn)證

每次數(shù)據(jù)采集前后應(yīng)進(jìn)行有效性驗(yàn)證。（1）驅(qū)動(dòng)管座根據(jù)圖2所示試塊進(jìn)行驗(yàn)證，Φ3mm平底孔的位置與試塊圖紙名義值的偏差在軸向±1mm，周向±1°范圍內(nèi);Φ2mm橫孔的最大回波幅度校驗(yàn)值的偏差在±2dB范圍內(nèi)。（2）中子測(cè)量管座焦點(diǎn)尺寸偏差采用-6dB法測(cè)定圖3對(duì)比試塊上距內(nèi)徑11.3mm深處Ф2mm的平底孔尺寸，要求測(cè)量結(jié)果在Ф2±0.5mm范圍內(nèi);位置和信號(hào)幅值校準(zhǔn)以圖3的Φ3mm平底孔為基準(zhǔn)，位置偏差控制在軸向±1mm，周向±1°范圍內(nèi)，幅值偏差控制在最大回波幅度的±2dB范圍內(nèi)。

5 結(jié)果與討論

5.1 工藝評(píng)定結(jié)果分析

圖4為驅(qū)動(dòng)管座模擬件1的C掃圖，圖中藍(lán)色部分為焊縫區(qū)域，J型焊縫呈馬鞍型，C掃平面展開(kāi)呈S型帶狀區(qū)域，其他區(qū)域?yàn)楣茏油獗谛盘?hào)的C掃顯示。如圖所示，掃查結(jié)果表明模擬件內(nèi)部數(shù)據(jù)存在5個(gè)圓形顯示，信號(hào)的位置、幅值信息見(jiàn)表4。數(shù)據(jù)采集完成后對(duì)工藝評(píng)定件缺陷處進(jìn)行了解剖分析，并對(duì)缺陷尺寸和位置信息進(jìn)行了尺寸測(cè)量，結(jié)果見(jiàn)表4的實(shí)測(cè)值。比照超聲檢測(cè)值和實(shí)際測(cè)量值，兩者僅存在細(xì)微偏差，結(jié)果保持了較好的一致性。

圖5為驅(qū)動(dòng)管座模擬件2的C掃圖，如圖所示，焊縫區(qū)域出現(xiàn)了面狀密集顯示，說(shuō)明整圈焊縫結(jié)合不緊密，整個(gè)區(qū)域出現(xiàn)了幅值較大的反射信號(hào)，檢測(cè)完成后對(duì)模擬件2#進(jìn)行了解剖處理，結(jié)果也表明了整圈焊縫存在未熔合。

圖6為中子測(cè)量管座模擬件超聲檢測(cè)的C掃圖，顯示信號(hào)的位置、尺寸信息見(jiàn)表5，從表中可知超聲檢測(cè)結(jié)果和實(shí)際測(cè)量值數(shù)據(jù)幾乎吻合。

圖4 驅(qū)動(dòng)管座J型焊縫模擬件1

圖5 驅(qū)動(dòng)管座J型焊縫模擬件2

圖6 中子測(cè)量管座J型焊縫模擬件

5.2 產(chǎn)品檢測(cè)結(jié)果分析

模擬件試驗(yàn)得到的一系列數(shù)據(jù)通過(guò)與實(shí)際檢測(cè)數(shù)據(jù)的比較，只有極小偏差，保持了結(jié)果的一致性，同時(shí)驗(yàn)證了檢測(cè)工藝的合理性。利用上述試驗(yàn)調(diào)整得到的檢測(cè)參數(shù)，對(duì)兩臺(tái)壓力容器的產(chǎn)品管座J型焊縫進(jìn)行檢測(cè)，驅(qū)動(dòng)管座和中子測(cè)量管座分別得到了130和100組焊縫的檢測(cè)數(shù)據(jù)，在采集的過(guò)程中值得注意的是由于管座位置在封頭上的排布存在差異，J型焊縫的形狀位置特征參數(shù)也有不同，為確保采集數(shù)據(jù)的完整性，采集開(kāi)始前需要觀測(cè)反射波的信號(hào)變化來(lái)確定檢測(cè)范圍。結(jié)果數(shù)據(jù)量較大，下面僅挑選具有代表性的數(shù)據(jù)展開(kāi)分析。以驅(qū)動(dòng)管座為例。

圖7 驅(qū)動(dòng)管座J型焊縫產(chǎn)品信號(hào)圖

表6 驅(qū)動(dòng)管座J型焊縫產(chǎn)品缺陷超聲檢測(cè)結(jié)果

兩臺(tái)壓力容器驅(qū)動(dòng)管座共130根，如表6所示，顯示結(jié)果表明存在4處疑似信號(hào)。信號(hào)的長(zhǎng)寬比均小于或接近2，形狀特征均為圓形顯示，對(duì)應(yīng)的是氣孔，夾渣等點(diǎn)狀缺陷，而且缺陷的幅值，大小均遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的要求;不存在未熔合，未焊透，裂紋等缺陷對(duì)應(yīng)的線性顯示，而線性顯示易擴(kuò)展，易導(dǎo)致材料失效。以上結(jié)果間接證明了焊接工藝的可靠性。

值得注意的是表中1#，2#，3#缺陷為前一臺(tái)壓力容器管座J型焊縫的檢測(cè)結(jié)果，結(jié)果表明焊縫均疑似氣孔夾渣等點(diǎn)狀缺陷類(lèi)別的信號(hào)。尤其是氣孔信號(hào)，很可能由如下原因引起：（1）表面清理不干凈。（2）焊條焊劑未完全烘干（3）焊接線能量過(guò)小，導(dǎo)致熔池冷卻速度大，不利于氣體逸出。檢測(cè)結(jié)束后將結(jié)果反饋給焊接部門(mén)，做好下臺(tái)設(shè)備手工焊接的技術(shù)交底，注意如上幾點(diǎn)檢測(cè)事項(xiàng)，結(jié)果表明下臺(tái)設(shè)備僅有1#一處信號(hào)顯示，焊接質(zhì)量顯著改善。

對(duì)中子測(cè)量管座J型焊縫進(jìn)行了檢測(cè)， 100處焊縫無(wú)一處記錄顯示。

6 結(jié)束語(yǔ)

本研究主要針對(duì)驅(qū)動(dòng)管座和中子測(cè)量管座J型焊縫的檢測(cè)進(jìn)行了試塊設(shè)計(jì)，檢測(cè)方案的制定，模擬件試驗(yàn)信號(hào)分析，產(chǎn)品檢測(cè)結(jié)果信號(hào)分析等一系列工作。設(shè)計(jì)出了能代表產(chǎn)品特征的靈敏度試塊和數(shù)據(jù)驗(yàn)證試塊，為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集前后的穩(wěn)定性，設(shè)置了數(shù)據(jù)驗(yàn)證的要求。利用試塊調(diào)節(jié)出較為優(yōu)化的檢測(cè)工藝參數(shù)。模擬產(chǎn)品對(duì)該兩類(lèi)焊縫均設(shè)計(jì)出含有自然缺陷的模擬件，模擬件檢測(cè)結(jié)果與實(shí)際尺寸測(cè)量結(jié)果保持了很好的一致性。產(chǎn)品檢測(cè)結(jié)果表明J型焊縫較易出現(xiàn)氣孔、夾渣等圓形顯示，因此，焊接工藝要重點(diǎn)防控這類(lèi)缺陷的產(chǎn)生。整套檢測(cè)系統(tǒng)具有較好的可調(diào)節(jié)性，通過(guò)對(duì)7160部分組件的更換可完成核電項(xiàng)目各種堆型壓力容器貫穿件焊縫的掃查，為后續(xù)AP1000、CAP1400、華龍一號(hào)等堆型貫穿件的檢測(cè)提供可靠的檢測(cè)技術(shù)支持。

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