核電廠VVP疏水器管道焊縫相控陣超聲檢測與缺陷分析

劉恩凱，施建輝，張大勇，許星星，暢璐璐，王樹昌

（陽江核電有限公司，廣東陽江 529941）

0 引言

某核電廠常規(guī)島主蒸汽（簡稱VVP）系統(tǒng)疏水器管道焊縫在運(yùn)行過程中發(fā)生裂紋穿孔導(dǎo)致泄漏，泄漏位置如圖1所示。為了確認(rèn)缺陷屬于焊縫自身問題還是運(yùn)行工況導(dǎo)致，以及排除其他管線焊縫是否存在同樣的缺陷，對疏水器系統(tǒng)內(nèi)同類管線上的焊縫進(jìn)行質(zhì)量排查，第一批焊縫采用以往的射線檢測方式進(jìn)行檢測，僅發(fā)現(xiàn)個別焊縫存在焊瘤缺陷，焊縫整體不合格率在5%左右；第二批焊縫采用研發(fā)的相控陣超聲檢測技術(shù)進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)同批焊縫的整體不合格率高達(dá)50%以上，缺陷位置普遍集中在根部熱影響區(qū)附近。對于檢測不合格的焊縫，切割焊口后對根部內(nèi)表面進(jìn)行液體滲透檢測，顯示特征為裂紋缺陷，如圖2所示。

圖1 泄漏位置焊縫現(xiàn)場情況

圖2 焊縫內(nèi)表面PT檢測情況

為進(jìn)一步確認(rèn)缺陷產(chǎn)生的根本原因，現(xiàn)場截取一段帶有裂紋缺陷的焊縫，采用金相、硬度、斷口電鏡等手段進(jìn)行失效檢測。通過檢測結(jié)果的綜合分析確定缺陷的類型及產(chǎn)生原因，同時為后續(xù)其他機(jī)組的排查檢測手段的選擇及工程改造措施提供技術(shù)參考。

1 相控陣超聲檢測工藝制定

近幾年來，隨著壓電復(fù)合材料、微加工、微電子等技術(shù)的發(fā)展，相控陣超聲檢測技術(shù)在工業(yè)無損檢測領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展，尤其在火電廠碳鋼焊縫檢測領(lǐng)域已廣泛應(yīng)用，2017年電力行業(yè)也頒布了國內(nèi)首個碳鋼相控陣超聲檢測標(biāo)準(zhǔn)DL/T 1718—2017《火力發(fā)電廠焊接接頭相控陣超聲檢測技術(shù)規(guī)程》，但是對于不銹鋼管道焊縫的相控陣超聲檢測目前無標(biāo)準(zhǔn)可參考。

為了解決不銹鋼管道焊縫的相控陣超聲檢測技術(shù)難題，經(jīng)過大量模擬缺陷試樣的相控陣超聲檢測與射線檢測進(jìn)行對比，同時對不同規(guī)格（不同壁厚、不同焊縫寬度）的焊縫進(jìn)行檢測試驗(yàn)，自主設(shè)計(jì)了不銹鋼靈敏度對比試塊，經(jīng)過大量的現(xiàn)場應(yīng)用驗(yàn)證，證明其檢測技術(shù)工藝及檢測結(jié)果準(zhǔn)確可靠，進(jìn)行了大量的模擬焊接缺陷對比試驗(yàn)，并通過解刨驗(yàn)證其缺陷檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性［1］。

1.1 相控陣超聲檢測工藝制定原則

VVP疏水器焊縫材料為022Cr19Ni10奧氏體不銹鋼，焊接方式為鎢極氬弧焊。管徑尺寸為76 mm，壁厚為7 mm。焊縫按照電力行業(yè)DL/T 1118—2009《核電廠常規(guī)島焊接技術(shù)規(guī)程》進(jìn)行焊接，標(biāo)準(zhǔn)要求焊后進(jìn)行100%體積性探傷。在無任何可參考標(biāo)準(zhǔn)的條件下，通過對NB/T 47013.3—2015《承壓設(shè)備無損檢測》附錄Ⅰ和DL/T 1718—2017標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的內(nèi)容進(jìn)行研究，初步可確定相關(guān)設(shè)備的性能要求、試塊設(shè)計(jì)思路、探頭型號類型、驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)等重要參數(shù)的制定范圍。但是NB/T 47013.3—2015附錄Ⅰ規(guī)定的常規(guī)超聲不銹鋼對接接頭的厚度范圍在10～80 mm的范圍，本次VVP疏水器不銹鋼管道的壁厚為7 mm，不在其規(guī)定的檢測范圍，這樣需要重新對壁厚10 mm以下的不銹鋼管道焊縫的超聲檢測工藝和試塊進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)，以便滿足現(xiàn)場的檢測需要。

1.2 靈敏度對比試塊設(shè)計(jì)

基于NB/T 47013.3—2015附錄Ⅰ奧氏體不銹鋼焊縫的檢測思路，對于壁厚10 mm以上的需要制作帶有焊縫的靈敏度對比試塊，并在焊縫中鉆橫通孔，重點(diǎn)是保證靈敏度調(diào)試時與檢測時焊縫與母材對聲束衰減的差異保持一致，這樣才能保證所檢測缺陷的定量的準(zhǔn)確性。對于壁厚10 mm以下的奧氏體不銹鋼焊縫，因其焊縫寬度和厚度都很小，通過對超聲波聲束在母材與焊縫的衰減差異進(jìn)行測試結(jié)果表明，當(dāng)量差異在2 dB以內(nèi)，基本可忽略不計(jì)。因此，設(shè)計(jì)出如圖3，4所示的靈敏度對比試塊，并獲得國家實(shí)用新型專利（專利號：ZL 2019 2 0092385.7）。

圖3 T＜10 mm奧氏體不銹鋼焊縫對比試塊結(jié)構(gòu)示意

圖4 T≥10 mm奧氏體不銹鋼焊縫對比試塊結(jié)構(gòu)示意

1.3 檢測工藝參數(shù)

對于壁厚為6～10 mm的管道焊縫，推薦采用5S16-0.5×10自聚焦探頭開展檢測工作，在必要時也可以采用2.25S16-0.5×10或者7.5 S16-0.5×10探頭開展缺陷檢測或者缺陷驗(yàn)證工作。自聚焦探頭的應(yīng)用可以解決因管徑太小導(dǎo)致聲束擴(kuò)散影響檢測靈敏度和分辨力的問題。經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)分析及試驗(yàn)驗(yàn)證，確定壁厚T＜10 mm的不銹鋼管道單V形坡口對接焊縫與母材對超聲波聲束衰減的差異可以忽略不計(jì)，因此靈敏度對比試塊擬采用不銹鋼母材作為基體進(jìn)行設(shè)計(jì)，檢測時主要采用1，2，3次波進(jìn)行單面雙側(cè)掃查（如圖5所示），編碼器步進(jìn)精度為1 mm。當(dāng)無法實(shí)現(xiàn)單面雙側(cè)掃查時，應(yīng)在焊縫單側(cè)單面進(jìn)行2次掃查，2次掃查的角度差異至少10°以上［2］。

圖5 根部裂紋缺陷模擬驗(yàn)證檢測

1.4 檢測工藝驗(yàn)證

對于現(xiàn)場擬采用的相控陣超聲檢測工藝，必須在應(yīng)用前進(jìn)行模擬缺陷驗(yàn)證，重點(diǎn)是保證檢測過程中各類缺陷不漏檢，確保檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。對于模擬驗(yàn)證工作，需要結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況及發(fā)生的缺陷類型進(jìn)行綜合考慮［3-5］，例如本次VVP疏水器焊縫的缺陷主要為根部裂紋缺陷，最好的模擬驗(yàn)證試塊為現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)的已經(jīng)產(chǎn)生裂紋缺陷的原始管道?？紤]采用相控陣代替射線檢測技術(shù)，根據(jù)前期大量的模擬焊接缺陷檢測對比試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)相控陣超聲檢測對于氣孔及小夾渣類缺陷的檢測能力不如射線，因此重點(diǎn)要考慮焊后產(chǎn)生的氣孔及小夾渣缺陷的檢出，根據(jù)NB/T 47013.2—2015射線Ⅱ級驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)中對壁厚7 mm的對接焊縫圓形缺陷的驗(yàn)收要求，需要控制氣孔的尺寸不大于3 mm，同時參考ASEM CODE CASE-659《Use of Ultrasonic Examination in Lieu of Radiography for Weld Examination》需要至少驗(yàn)證兩個面積型缺陷，其中一個在近表面，另一個與坡口面平行，制作1∶1模擬焊接試塊進(jìn)行驗(yàn)證。

現(xiàn)場實(shí)際驗(yàn)證時，以圖5中的裂紋缺陷為例，在基準(zhǔn)靈敏度基礎(chǔ)上，保證對應(yīng)裂紋缺陷的波幅在超過100%滿屏的儀器增益條件下的dB值作為根部裂紋缺陷的掃查靈敏度，經(jīng)過實(shí)際檢測驗(yàn)證后，如圖5所示。對焊接過程中產(chǎn)生的未熔合缺陷進(jìn)行模擬驗(yàn)證，具體如圖6所示。

圖6 坡口未熔合缺陷模擬驗(yàn)證檢測

對于焊縫過程中產(chǎn)生的氣孔（直徑1.5 mm）缺 陷，按照擬定的檢測工藝驗(yàn)證，其結(jié)果如圖7所示。

圖7 1.5 mm氣孔缺陷模擬驗(yàn)證檢測

經(jīng)過上述模擬驗(yàn)證檢測結(jié)果可知，擬采用的相控陣超聲檢測工藝能夠滿足現(xiàn)場檢測的需求，可檢測出根部裂紋、未熔合、1.5 mm氣孔等缺陷，該檢測工藝可以納入現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用。

2 相控陣超聲檢測與射線檢測結(jié)果的對比

按照擬定的檢測工藝對同一批VVP疏水器不銹鋼管道焊縫進(jìn)行相控陣檢測和射線檢測［6］，詳細(xì)檢測結(jié)果對比如表1所示。

根據(jù)上述兩種檢測結(jié)果對比［7］可知：（1）相控陣超聲檢測不合格率遠(yuǎn)高于射線檢測；（2）對于錯邊的結(jié)構(gòu)信號，相控陣也可檢出；（3）對于1 mm和1.5 mm氣孔，相控陣不能檢出；（4）射線檢測手段難以檢出在役階段焊縫根部裂紋缺陷。

表1 相控陣超聲檢測與射線檢測結(jié)果對比

3 理化檢驗(yàn)及結(jié)果分析

為了分析該缺陷產(chǎn)生的根本原因，對相控陣超聲檢測發(fā)現(xiàn)裂紋的部件進(jìn)行金相、斷口分析，以便確認(rèn)缺陷類型，同時為后續(xù)改造方案的制定提供技術(shù)支撐。

3.1 金相檢驗(yàn)

圖8 1#管樣裂紋處縱截面取樣金相檢驗(yàn)照片

在VVP疏水管道1#和2#管焊縫裂紋位置截取縱向焊接接頭試樣，3#母材截取橫向試樣開展金相檢驗(yàn)分析［8］，測試標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》。金相檢驗(yàn)照片見圖8～10。

圖9 2#管樣裂紋處縱截面取樣金相檢驗(yàn)照片

通過對VVP疏水管道取樣的金相檢驗(yàn)照片可以看出，1#和2#管內(nèi)壁裂紋特征相似，主裂紋均位于焊趾區(qū)域，裂紋較為平直，呈穿晶開裂特征，主裂紋附近均可見二次裂紋。送檢直管母材的顯微組織均為奧氏體+δ鐵素體，晶粒度約4～6級，焊縫顯微組織均為鑄態(tài)枝晶，組織未見異常。

3.2 斷口電鏡

依據(jù)JY/T 010—1996《分析型掃描電子顯微鏡方法通則》，對裂紋打開后的斷口微觀形貌進(jìn)行掃描電鏡微觀觀察分析，對于1#，2#試樣分別選擇1，2，3區(qū)域進(jìn)行電鏡掃描，斷口電鏡微觀照片如圖11，12所示。

圖10 3#管樣橫截面取樣金相檢驗(yàn)照片

通過對送檢疏水裂紋打開后的斷口電鏡觀察可以看出，1#管樣相對2#管樣斷口氧化及磨損更為嚴(yán)重，但整體特征相似，斷口宏觀上均較為平齊。從位置1區(qū)可見裂紋啟裂區(qū)位于內(nèi)壁側(cè)，從內(nèi)表面向基體內(nèi)部擴(kuò)展。從位置2，3區(qū)可見疲勞弧線特征，微觀上以準(zhǔn)解理特征為主，可見徑向臺階特征，擴(kuò)展區(qū)局部可見疲勞條帶特征。由此表明，1#和2#管樣的開裂性質(zhì)均為典型的疲勞開裂。

圖11 1#管樣裂紋打開后斷口電鏡微觀照片

圖12 2#管樣裂紋打開后斷口電鏡微觀照片

4 疲勞載荷來源分析

進(jìn)一步分析整個常規(guī)島VVP疏水系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)裂紋缺陷較多的疏水器為倒置桶疏水器，為非連續(xù)疏水設(shè)計(jì)，其工作原理為在水滿的情況下進(jìn)行一次自動排水。經(jīng)過監(jiān)測其疏水頻率在一個運(yùn)行周期內(nèi)疏水次數(shù)1 465 205次，排水頻率偏高，同時受管道內(nèi)介質(zhì)溫度冷熱交替影響，存在嚴(yán)重的熱疲勞應(yīng)力影響，嚴(yán)重加速了疲勞裂紋的產(chǎn)生及后續(xù)擴(kuò)展［9］。

5 結(jié)語

經(jīng)過上述對不銹鋼管道焊縫相控陣超聲檢測、射線檢測、金相檢測及斷口電鏡掃描的詳細(xì)檢驗(yàn)，基本已確認(rèn)相控陣技術(shù)所檢測出的根部缺陷主要為疲勞裂紋缺陷。其疲勞載荷來源主要為疏水器是非連續(xù)疏水設(shè)計(jì)，排水頻率較高，為疲勞裂紋的產(chǎn)生及后續(xù)擴(kuò)展創(chuàng)造了條件。因此，需要從設(shè)計(jì)的源頭減少疏水頻次，才能徹底解決疲勞裂紋的產(chǎn)生。另外，針對于運(yùn)行階段的在役檢查工作，優(yōu)先選用相控陣超聲檢測手段進(jìn)行排查，制造及安裝階段所使用的射線檢測技術(shù)對于裂紋缺陷（裂紋在運(yùn)行階段產(chǎn)生的，非焊接階段產(chǎn)生）的檢出率很低，不能滿足檢測的需求。