堆內(nèi)構(gòu)件上部導(dǎo)向筒焊縫的超聲檢測(cè)

胡海濤，薛 敏

(上海第一機(jī)床廠有限公司，上海 201308)

上部導(dǎo)向筒組件是核電站堆內(nèi)構(gòu)件控制棒導(dǎo)向筒組件的一部分，主要為控制棒組件在其內(nèi)部的上下運(yùn)動(dòng)提供定位和導(dǎo)向。設(shè)計(jì)方要求對(duì)頂板和導(dǎo)向筒筒體間的真空電子束(EB)焊縫進(jìn)行超聲檢測(cè)，以保證其焊縫質(zhì)量。EB焊縫結(jié)構(gòu)及上部導(dǎo)向筒組件構(gòu)成說(shuō)明分別如圖1，2所示。

圖1 頂板與導(dǎo)向筒筒體EB焊縫結(jié)構(gòu)示意

圖2 上部導(dǎo)向筒組件構(gòu)成示意

不同于CPR1000二代加成熟堆型，在國(guó)內(nèi)沒有一個(gè)針對(duì)性的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)我國(guó)自主設(shè)計(jì)的三代先進(jìn)壓水堆核電站進(jìn)行規(guī)定，只能參考設(shè)計(jì)方提供的設(shè)計(jì)文件。

該EB焊縫的檢測(cè)難點(diǎn)在于三代堆型的頂板結(jié)構(gòu)較二代加堆型的多了一個(gè)φ 195 mm的沉槽，該沉槽底面的超聲回波信號(hào)與EB焊縫根部的回波信號(hào)位于同一深度，并且這兩個(gè)信號(hào)的水平間距只有3.4 mm左右，導(dǎo)致了信號(hào)疊加在一起，無(wú)法進(jìn)行評(píng)判。

1 二代加堆型的超聲檢測(cè)

對(duì)于二代加堆型上部導(dǎo)向筒EB焊縫的超聲檢測(cè)，設(shè)計(jì)方給出了專用的超聲檢測(cè)技術(shù)要求，檢測(cè)方法較為成熟簡(jiǎn)單。

設(shè)計(jì)方規(guī)定采用φ 10 mm的單晶直探頭從頂板表面實(shí)施直接接觸法縱波檢測(cè)，掃查范圍為頂板外圓向內(nèi)1012 mm的環(huán)形區(qū)域。檢測(cè)范圍如圖3所示。

圖3 二代加堆型EB焊縫檢測(cè)范圍示意

二代加堆型對(duì)比試塊的結(jié)構(gòu)如圖4所示，調(diào)節(jié)對(duì)比試塊上和EB焊縫同埋深處的1 mm寬矩形槽信號(hào)回波幅值至80%，以此作為基準(zhǔn)靈敏度(見圖5)。根據(jù)EB焊縫根部出現(xiàn)的反射信號(hào)回波幅值來(lái)判斷是否存在未焊透，當(dāng)反射信號(hào)波幅超過(guò)基準(zhǔn)靈敏度信號(hào)波幅時(shí)，則認(rèn)為焊縫存在超過(guò)1 mm的未焊透，判定為不合格。

圖4 二代加堆型對(duì)比試塊結(jié)構(gòu)示意

圖5 對(duì)比試塊基準(zhǔn)靈敏度

在二代加堆型中，頂板上沒有φ 195 mm的沉槽，EB焊縫根部信號(hào)(埋深為43 mm)與頂板大平底信號(hào)(埋深為50 mm)所處深度不同，故信號(hào)較易區(qū)分，利于評(píng)定(見圖6)。

圖6 二代加堆型EB焊縫檢測(cè)信號(hào)

2 三代堆型檢測(cè)難點(diǎn)分析

在三代堆型中，根據(jù)設(shè)計(jì)提供的頂板尺寸(見圖7)，φ 195 mm的沉槽(A點(diǎn))和EB焊縫根部(B點(diǎn))位于同一埋深(12.5 mm)，可算出其理論水平間距LAB=6.5 mm，理論上可采用單晶或雙晶直探頭分辨出這兩個(gè)信號(hào)。

圖7 三代堆型頂板結(jié)構(gòu)示意

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，實(shí)際的檢測(cè)效果并不理想，A點(diǎn)和B點(diǎn)的信號(hào)疊加在一起，完全無(wú)法區(qū)分。對(duì)此，筆者進(jìn)行了初步分析，主要?dú)w納了以下3個(gè)方面的原因。

(1) 探頭聲束寬度的影響。因A，B點(diǎn)間的信號(hào)水平間距理論上只有6.5 mm，檢測(cè)采用φ 10 mm的單晶直探頭，其聲束擴(kuò)散容易導(dǎo)致同時(shí)發(fā)現(xiàn)A，B點(diǎn)的反射信號(hào)，并造成信號(hào)疊加，無(wú)法真實(shí)反映B點(diǎn)的最大反射信號(hào)。對(duì)此，筆者采用雙晶點(diǎn)聚焦直探頭進(jìn)行試驗(yàn)，探頭晶片直徑為6 mm，并將焦點(diǎn)直徑盡量控制在2～3 mm，但試驗(yàn)結(jié)果仍存在明顯的信號(hào)疊加情況，結(jié)果無(wú)法進(jìn)行評(píng)定(見圖8)。

圖8 沉槽A點(diǎn)和1 mm矩形槽B點(diǎn)的信號(hào)疊加現(xiàn)象

(2) 頂板上C1.5 mm倒角的影響。對(duì)比試塊上有足夠的掃查面供探頭水平移動(dòng)找到1 mm矩形槽的最大反射回波。當(dāng)探頭在對(duì)比試塊上校準(zhǔn)好靈敏度并開始檢測(cè)焊縫時(shí)，B點(diǎn)的正上方距離頂板邊緣4 mm，而φ 10 mm直探頭接觸面的半徑至少有6 mm(含1 mm寬的金屬外殼)，再加上倒角的限制，導(dǎo)致探頭無(wú)法往頂板邊緣移動(dòng)找到B點(diǎn)的最大反射信號(hào)。

(3) 焊縫實(shí)際熔深偏差的影響。根據(jù)實(shí)際加工工藝，焊縫外徑為221 mm，內(nèi)徑要求焊透到導(dǎo)向筒筒體，所以要求EB焊縫的最小熔深為6.35 mm，而焊縫深度實(shí)際可達(dá)8.6 mm。據(jù)此得出實(shí)際A，B點(diǎn)的信號(hào)水平間距AB。在焊縫熔深最小時(shí)，ABmax=5.65 mm；在焊縫熔深最大時(shí)，ABmin=3.4 mm。

3 檢測(cè)工藝

3.1 對(duì)比試塊

結(jié)合上述分析，模擬三代堆型頂板的實(shí)際形狀，結(jié)合實(shí)際焊縫熔深的不同情況，制作相應(yīng)的對(duì)比試塊,其結(jié)構(gòu)及缺陷分布如圖9，10所示。

圖9 三代堆型對(duì)比試塊結(jié)構(gòu)示意

圖10 三代堆型對(duì)比試塊缺陷分布示意

(1) 當(dāng)焊縫熔深最大時(shí)(8.6 mm)，未焊透信號(hào)只可能出現(xiàn)在08.6 mm信號(hào)段，此時(shí)，只需評(píng)定是否有大于1 mm的反射信號(hào)，故設(shè)置了1 mm的矩形槽，圖10中A和B點(diǎn)的信號(hào)水平間距為3.4 mm。

(2) 當(dāng)焊縫熔深最小時(shí)(6.35 mm)，未焊透信號(hào)只可能出現(xiàn)在6.35 mm之外的信號(hào)段，在此，考慮到未焊透大小可能會(huì)在1～2.25 mm之間，為了方便比較不同大小反射體的信號(hào)，設(shè)置了2 mm寬的矩形槽，圖10中A′和B′之間的信號(hào)水平間距為3.65 mm。

3.2 探頭

在深度為12.5 mm處制作了不同寬度的矩形槽，采用單晶探頭對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，探頭頻率為5 MHz，晶片尺寸為φ 6 mm。

3.3 基準(zhǔn)靈敏度

(1) 將探頭置于對(duì)比試塊掃查面，使探頭位于1 mm寬矩形槽正上方，調(diào)節(jié)1 mm寬槽的最大反射回波高度至儀器滿屏的80%(見圖11)，此回波信號(hào)可能含部分深為12.5 mm的大平底反射信號(hào)。

圖11 探頭在1 mm寬矩形槽正上方時(shí)的波形

(2) 使探頭向深為19 mm的小平底方向移動(dòng)，觀察信號(hào)高度的改變，1 mm寬矩形槽的回波信號(hào)逐漸降低至43%(見圖12)，同時(shí)深為19 mm小平底的回波信號(hào)逐漸升高。探頭繼續(xù)向深為12.5 mm的大平底方向移動(dòng)，深為12.5 mm的大平底回波信號(hào)逐漸升高后超過(guò)100%(見圖13)，同時(shí)深為19 mm小平底回波信號(hào)降低至消失。該變化證明了1 mm矩形槽的信號(hào)和深為12.5 mm的大平底回波信號(hào)之間存在一定的間隙，1 mm寬矩形槽的回波信號(hào)最高點(diǎn)不在兩個(gè)信號(hào)的疊加處。

圖12 探頭向小平底方向移動(dòng)的波形變化

圖13 探頭向大平底方向移動(dòng)的波形變化

(3) 探頭從1 mm矩形槽正上方向倒角邊緣移動(dòng)，回波信號(hào)逐漸降低至32%左右(見圖14)，繼續(xù)移動(dòng)，信號(hào)迅速消失，排除了C1.5 mm倒角對(duì)探頭接觸面大小的影響。

圖14 探頭向倒角邊緣移動(dòng)的波形變化

(4) 探頭在1mm矩形槽正上方時(shí)，聲束擴(kuò)散導(dǎo)致其80%波高的信號(hào)中包含部分大平底回波信號(hào)，無(wú)法區(qū)分真實(shí)反射體信號(hào)的大小。采用對(duì)比試塊中左側(cè)2 mm的矩形槽反射信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)在同等靈敏度增益、同倒角和同大平底信號(hào)疊加的情況下，2 mm矩形槽的反射信號(hào)比1 mm矩形槽的反射信號(hào)高(見圖15)，故證明在此條件下能區(qū)分出不同反射體的大小。

圖15 不同寬度矩形槽的回波信號(hào)比較

經(jīng)此分析，可采用對(duì)比試塊右側(cè)的1 mm寬矩形槽調(diào)節(jié)基準(zhǔn)靈敏度，輕微移動(dòng)探頭使該矩形槽最大反射回波高度至儀器滿屏的80%，以此作為基準(zhǔn)靈敏度。

3.4 掃查和評(píng)定

在上述基準(zhǔn)靈敏度下，縱波垂直頂板表面入射，在距外圓周6～10 mm區(qū)域進(jìn)行掃查，找到焊縫根部的最大反射信號(hào)。當(dāng)焊縫根部的反射信號(hào)波幅超過(guò)滿屏的80%時(shí)，則認(rèn)為有超過(guò)1 mm的未焊透，并判定為不合格。

4 結(jié)語(yǔ)

三代堆型核電站堆內(nèi)構(gòu)件上部導(dǎo)向筒結(jié)構(gòu)的改變，是結(jié)合了我國(guó)核電設(shè)備實(shí)際制造基礎(chǔ)和技術(shù)特點(diǎn)而做的改進(jìn)。試驗(yàn)研究充分考慮了頂板尺寸的變化、實(shí)際加工工藝和不同焊縫熔深的情況，制作了與產(chǎn)品類似的對(duì)比試塊，建立了對(duì)應(yīng)的基準(zhǔn)靈敏度評(píng)定方法，并形成一套直接適用于三代非能動(dòng)先進(jìn)核電堆型堆內(nèi)構(gòu)件上部導(dǎo)向筒EB焊縫的超聲檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了三代堆型超聲檢測(cè)的國(guó)產(chǎn)化。