核反應(yīng)堆壓力容器自動(dòng)超聲檢測(cè)幻象波成因分析及消除方法

(中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)股份有限公司，武漢 430223)

0 引言

反應(yīng)堆壓力容器是核動(dòng)力裝置中核心和關(guān)鍵的主設(shè)備，長(zhǎng)期在高溫、高壓、高輻照等特殊環(huán)境下工作，易形成裂紋、腐蝕、疲勞損傷，是核電站主設(shè)備中主要的受力易損組件，屬ASME規(guī)范、RSE-M規(guī)范要求的必檢部件[1-2]。定期對(duì)反應(yīng)堆壓力容器進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，對(duì)及時(shí)發(fā)現(xiàn)焊縫產(chǎn)生的危險(xiǎn)性缺陷、確保核反應(yīng)堆的安全運(yùn)行有重大意義。

采用自動(dòng)超聲檢測(cè)技術(shù)對(duì)反應(yīng)堆壓力容器進(jìn)行檢測(cè)是實(shí)施在役檢查的最佳途徑。反應(yīng)堆壓力容器由法蘭、上筒體、下筒體、底封頭、進(jìn)水口和出水口組成[3]，結(jié)構(gòu)如圖1所示。目前，針對(duì)不同的檢查部位均有相應(yīng)的超聲檢驗(yàn)技術(shù)，如反應(yīng)堆壓力容器焊縫的超聲檢測(cè)及驗(yàn)證[4]、反應(yīng)堆壓力容器接管安全端異種金屬焊縫超聲檢測(cè)[5]、反應(yīng)堆壓力容器接管內(nèi)圓角區(qū)超聲檢測(cè)[6]、反應(yīng)堆壓力容器接管內(nèi)圓角區(qū)超聲檢測(cè)[7]等。在整個(gè)反應(yīng)堆壓力容器超聲檢測(cè)中，筒體焊縫檢驗(yàn)工作量占總工作量的40%左右。在檢驗(yàn)過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生一種類似于缺陷反射的波，但經(jīng)過(guò)核實(shí)后既不是缺陷波，也不是各類變形波，而是一種由于容器結(jié)構(gòu)變化及設(shè)備等綜合因素造成的幻象波，俗稱幽靈波或鬼波[8]，如圖2所示。由于幻象波的存在，給缺陷的判定帶來(lái)很大困難，甚至需要重新設(shè)定參數(shù)進(jìn)行重掃，加大了現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)工作量，降低了檢驗(yàn)效率。本文針對(duì)該類現(xiàn)象進(jìn)行分析與研究，總結(jié)自動(dòng)掃查中引起幻象波的原因，得出存在結(jié)構(gòu)回波下重復(fù)頻率計(jì)算方法和幻象波位置計(jì)算方法，并結(jié)合實(shí)例對(duì)該方法進(jìn)行驗(yàn)證，證明利用該方法合理設(shè)置檢測(cè)參數(shù)能有效避免幻象波的出現(xiàn)，提高超聲數(shù)據(jù)質(zhì)量和現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)效率。

圖1 反應(yīng)堆壓力容器結(jié)構(gòu)示意

圖2 筒體自動(dòng)超聲檢測(cè)幻象波示意

1 反應(yīng)堆壓力容器自動(dòng)超聲檢測(cè)幻象波產(chǎn)生原因

在反應(yīng)堆壓力容器自動(dòng)超聲檢測(cè)中，易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)回波引起的幻象波主要是由于以下3個(gè)原因形成的。

(1)重復(fù)頻率過(guò)高。超聲檢測(cè)重復(fù)頻率指同步脈沖在每秒鐘出現(xiàn)的次數(shù)，即單位時(shí)間內(nèi)向被檢測(cè)工件發(fā)射超聲脈沖的次數(shù)。如果重復(fù)頻率較高時(shí)，會(huì)使沒有被充分衰減的多次反射信號(hào)落入下一個(gè)掃查周期內(nèi)，形成幻象波，對(duì)信號(hào)的判斷產(chǎn)生干擾。

(2)反應(yīng)堆壓力容器材質(zhì)晶粒度細(xì)。從超聲檢測(cè)的角度，工件內(nèi)部缺陷和雜質(zhì)越少，晶粒度越細(xì)，衰減系數(shù)越小，如果在下一個(gè)掃描開始之前，多次反射波尚未完全衰減，則容易產(chǎn)生幻象波。反應(yīng)堆壓力容器材料為低合金碳鋼，其晶粒度細(xì)、衰減小，在超聲檢測(cè)時(shí)，更容易產(chǎn)生幻象波。

(3)檢驗(yàn)靈敏度很高。反應(yīng)堆壓力容器檢測(cè)所使用的探頭為0°直探頭，45°和60°橫波斜探頭；各探頭需利用試塊上不同深度的?2 mm橫通孔設(shè)置基準(zhǔn)靈敏度；然后再增益12 dB以上作為檢驗(yàn)時(shí)的靈敏度；此時(shí)增益值很大，容易產(chǎn)生幻象波。

在反應(yīng)堆壓力容器自動(dòng)檢查中，易產(chǎn)生幻象波干擾的區(qū)域和容器上的附屬結(jié)構(gòu)的位置一致。自動(dòng)超聲檢測(cè)儀器的可設(shè)置的參數(shù)有重復(fù)頻率、信號(hào)平均值、通道激發(fā)順序等。在實(shí)際掃查中，改變重復(fù)頻率值可有效消除幻象波的干擾。

2 反應(yīng)堆壓力容器自動(dòng)超聲檢測(cè)重復(fù)頻率計(jì)算和位置分析

2.1 超聲檢測(cè)重復(fù)頻率計(jì)算

在自動(dòng)超聲檢測(cè)中，重復(fù)頻率的設(shè)置十分重要。為了實(shí)現(xiàn)高速掃查并且保證缺陷不漏檢，需要設(shè)置較高的重復(fù)頻率。但是，重復(fù)頻率設(shè)置過(guò)高會(huì)使兩次脈沖間隔時(shí)間變短，有可能使未充分衰減的回波進(jìn)入下一個(gè)脈沖周期，形成幻象波，造成干擾[9]。

超聲檢測(cè)的重復(fù)頻率一般要求如下：

C/2S≥PRF≥kv/D

(1)

式中C——材料聲速，mm/s；

S——結(jié)構(gòu)回波位置，mm；

v——探頭掃查速度，mm/s；

PRF——重復(fù)頻率，Hz；

D——探頭平行于掃查方向上經(jīng)過(guò)的距離，mm；

k——探頭在該掃查距離上觸發(fā)的脈沖次數(shù)。

2.2 幻象波計(jì)算

在超聲檢測(cè)時(shí)，工件中存在傳播時(shí)間t1大于相鄰脈沖激發(fā)時(shí)間t(t=1/F)的回波信號(hào)，F(xiàn)為儀器設(shè)定重復(fù)頻率值，如圖3所示。

圖3 幻象波計(jì)算原理示意

傳播時(shí)間：

t1=2S/C

(2)

回波信號(hào)接收后已經(jīng)過(guò)的多個(gè)完整的脈沖周期時(shí)間t2(INT為向下取整函數(shù))：

t2=INT(t1/t)·t

(3)

最后一次脈沖激發(fā)后，接收到回波信號(hào)的時(shí)間Δt：

Δt=t1-t2

(4)

可得此回波信號(hào)位于屏幕的位置P(半聲程)：

P=ΔtC/2

(5)

經(jīng)過(guò)上述公式，可根據(jù)回波信號(hào)位置計(jì)算出工件中的最大重復(fù)頻率和幻象波的位置，指導(dǎo)檢查人員設(shè)置合理的自動(dòng)超聲檢測(cè)參數(shù)。

2.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

2.3.1 工件及儀器

采用和壓力容器材質(zhì)一致的試塊，試塊厚度92 mm，長(zhǎng)度587 mm。儀器為DYNARAY多通道超聲儀；配套軟件為Ultravision；探頭為0°直探頭、45°和60°橫波斜探頭。

2.3.2 試驗(yàn)方法

通過(guò)移動(dòng)45°和60°橫波斜探頭尋找試塊多次底面反射達(dá)到端角后的回波信號(hào)來(lái)模擬實(shí)際檢測(cè)時(shí)遇到的結(jié)構(gòu)回波信號(hào)，原理如圖4所示，記錄端角回波信號(hào)的顯示位置和幅值。0°探頭以底面反射回波次數(shù)來(lái)確定，以第一次回波幅值為80%時(shí)，選取多次底面反射后幅值為20%以下的回波信號(hào)進(jìn)行記錄。

圖4 試驗(yàn)原理示意

設(shè)置不同的重復(fù)頻率，對(duì)幻象波的位置和幅值進(jìn)行記錄，典型的幻象波如圖5所示。

圖5 0°,45°和60°探頭不同重復(fù)頻率下的波形

將試驗(yàn)所得結(jié)果進(jìn)行分析，并按照最大允許重復(fù)頻率公式和幻象波位置公式來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果如表1所示。

表1 0°，45°和60°探頭不同重復(fù)頻率對(duì)比

通過(guò)以上試驗(yàn)結(jié)果分析對(duì)比可知：

(1)當(dāng)重復(fù)頻率小于最大重復(fù)頻率時(shí)，不出現(xiàn)幻象波；重復(fù)頻率大于等于最大重復(fù)頻率時(shí)，會(huì)出現(xiàn)幻象波；

(2)幻象波的位置隨著重復(fù)頻率的改變而改變，其幅值無(wú)顯著變化；

(3)幻象波的位置可以根據(jù)結(jié)構(gòu)回波顯示的位置進(jìn)行計(jì)算，幻象波理論計(jì)算位置與試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果一致。

3 實(shí)際案例及分析

考慮到由于探頭角度、表面堆焊層等狀況，無(wú)法精確確定實(shí)際結(jié)構(gòu)回波位置，為了便于現(xiàn)場(chǎng)檢查，可提前經(jīng)過(guò)理論計(jì)算，得出建議的最大重復(fù)頻率值。具體實(shí)施方式為通過(guò)預(yù)定的探頭掃查起始點(diǎn)到結(jié)構(gòu)變化的位置來(lái)計(jì)算各探頭聲束在第幾次反射后收到結(jié)構(gòu)回波，得出各探頭在完整回波次數(shù)下的理論結(jié)構(gòu)回波位置，以此計(jì)算出在掃查該焊縫時(shí)應(yīng)設(shè)置的最大重復(fù)頻率。

圖6 法蘭段筒體焊縫結(jié)構(gòu)示意

以某電站反應(yīng)堆壓力容器法蘭段筒體焊縫為例，法蘭段焊縫下方存在接管，其結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的回波信號(hào)，容易在檢測(cè)過(guò)程中產(chǎn)生幻象波，通過(guò)結(jié)構(gòu)圖可得出探頭的掃查起點(diǎn)到結(jié)構(gòu)變化的距離，如圖6所示。以此距離進(jìn)行計(jì)算得出45°和60°探頭聲束在內(nèi)壁多次反射后收到結(jié)構(gòu)回波位置，0°探頭選取多次底面反射后幅值為20%以下的回波信號(hào)作為結(jié)構(gòu)回波，根據(jù)幻象波允許的最大重復(fù)頻率公式得出各探頭在此焊縫掃查時(shí)建議的重復(fù)頻率值，如表2所示。

表2 法蘭段筒體焊縫最大重復(fù)頻率計(jì)算值

(a)45°橫波探頭幻象波

(b)0°直探頭幻象波

(c)60°橫波探頭幻象波

在現(xiàn)場(chǎng)檢查時(shí)，按照以上計(jì)算方法得出重復(fù)頻率值，在該部位設(shè)置的重復(fù)頻率低于上述重復(fù)頻率值時(shí)各探頭均沒有出現(xiàn)如圖7中所示的幻象波。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比分析可知，當(dāng)重復(fù)頻率小于最大重復(fù)頻率時(shí)，不出現(xiàn)幻象波；重復(fù)頻率大于等于最大重復(fù)頻率時(shí)，會(huì)出現(xiàn)幻象波；重復(fù)頻率和掃查靈敏度偏高是導(dǎo)致幻象波產(chǎn)生的內(nèi)因。

(2)被檢工件結(jié)構(gòu)信號(hào)產(chǎn)生的幻象波信號(hào)，幻象波的位置隨著重復(fù)頻率的改變而改變，其幅值無(wú)顯著變化。

(3)幻象波的位置可以根據(jù)結(jié)構(gòu)回波顯示的位置進(jìn)行計(jì)算，幻象波理論計(jì)算位置與試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果一致。為了便于現(xiàn)場(chǎng)檢查，可提前經(jīng)過(guò)理論計(jì)算，正確設(shè)置儀器的最大重復(fù)頻率值，有利于提高反應(yīng)堆壓力容器超聲檢測(cè)的準(zhǔn)確性，避免不必要的誤判。