核電廠設(shè)備超聲檢測顯示性質(zhì)判定準(zhǔn)則的對比與分析

王 臣，劉 暢，王瑋潔，高 晨，馬若群，*

（1.中機生產(chǎn)力促進(jìn)中心，北京 100044；2.生態(tài)環(huán)境部核與輻射安全中心，北京 100082）

我國核電機組類型較多，不同類型機組的設(shè)計制造和在役檢查所依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范也有一定差異，無論核電廠采用哪個規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，超聲檢測都是機械設(shè)備制造、建安和在役檢查活動中重要的無損檢測手段。超聲顯示定性是超聲檢測的技術(shù)難點，也是缺陷顯示驗收的關(guān)鍵。常見缺陷一般包括裂紋、氣孔、夾渣、未熔合、未焊透等。業(yè)內(nèi)一般認(rèn)為：裂紋、未熔合、未焊透是平面型缺陷，危害性大；氣孔、夾渣是體積型缺陷，危害性較?。?］。本文主要通過對比分析不同標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于超聲檢測顯示性質(zhì)的相關(guān)規(guī)定，來研究核電設(shè)備超聲檢測中顯示性質(zhì)判定的重要性和主要判定方法，選出合適的判定準(zhǔn)則，并通過具體試驗來驗證該方法的適用性。

1 核電標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于超聲檢測顯示驗收及定性的規(guī)定

我國M310型機組機械設(shè)備的設(shè)計制造主要依據(jù)RCC-M（2000+2002補遺），其在役檢查主要依據(jù)RSE-M（1997+2000補遺）；我國AP1000型機組機械設(shè)備的設(shè)計制造主要依據(jù)ASME第Ⅲ卷（1998+2000補遺），其在役檢查主要依據(jù)ASME第Ⅺ卷（1998+2000補遺）；我國VVER型機組機械設(shè)備的焊接檢驗主要依據(jù)ПНАЭГ-7-010-89，其在役檢查主要依據(jù)俄羅斯規(guī)范ΠΗAЭΓ-7-008—89；我國CANDU堆型在役檢查主要依據(jù)CSA-N285.4—05。上述各規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于顯示驗收和超聲性質(zhì)判定的主要條款見表1［2-9］。

表1 不同核電標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于顯示驗收和性質(zhì)判定的主要條款Table 1 Main clauses on indication acceptance and nature determination in different nuclear standards

續(xù)表1

綜上所述，在法國標(biāo)準(zhǔn)、美國標(biāo)準(zhǔn)和俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)中，制造、建安階段發(fā)現(xiàn)的裂紋、未熔合等平面型缺陷顯示都是不可接受的；在役階段允許一定尺寸的平面型缺陷顯示，因此，超聲檢測顯示性質(zhì)的判定對缺陷驗收非常重要。相關(guān)在役檢查標(biāo)準(zhǔn)未給出超聲顯示的判定準(zhǔn)則，但要求通過能力驗證保證檢測工藝對缺陷的定性和定量能力；相關(guān)制造標(biāo)準(zhǔn)引用了超聲檢測專用標(biāo)準(zhǔn)，如EN1713、ПНАЭГ-7-030—91規(guī)定具體的超聲顯示性質(zhì)判定準(zhǔn)則。

2 超聲檢測顯示性質(zhì)判定

2.1 EN1713

歐標(biāo)EN1713《焊縫無損檢測超聲波檢測焊縫中顯示特征》是EN 1714《焊縫的超聲檢測》的配套標(biāo)準(zhǔn)，EN1713于1998年首次發(fā)布，并于2002年和2003年進(jìn)行了兩次修訂。該標(biāo)準(zhǔn)用于指導(dǎo)焊縫超聲檢測中顯示性質(zhì)判定，主要根據(jù)以下幾方面來判定為平面型顯示還是體積型顯示：焊接技術(shù)、缺陷的幾何位置、最大回波高度、定向反射性、回波靜態(tài)波形、回波動態(tài)波形和距離波幅曲線（distance amplitude curve簡稱DAC）。具體的判定步驟［10］如圖1所示，圖中S1=DAC-10 dB、S2=DAC+6 dB、S3=DAC-6 dB、S4=9 dB/15 dB。

圖1 EN1713中關(guān)于超聲顯示性質(zhì)的判定步驟Fig.1 Determination stepsof ultrasonic indicationstype in EN1713

步驟1：避免對回波幅值很低的顯示信號進(jìn)行定性。當(dāng)一個顯示信號的回波幅值低于S1（DAC-10 dB）時，則認(rèn)為該顯示信號是可接受的；

步驟2：對于回波幅值很高的顯示信號，即大于S2（DAC+6 dB）的缺陷顯示直接判定為平面類缺陷；

步驟3：主要為了識別未熔合缺陷。該步驟可以適用于所有顯示信號，或者規(guī)格書中要求只適用于長度超過指定值的顯示信號，對于長度小于指定值的顯示信號，可直接跳到步驟4。利用某一角度探頭獲得的最大回波幅值為Hdmax，利用另一角度探頭獲得的最小回波幅值為Hdmin。為了確認(rèn)定向反射性，以下兩個條件需同時滿足。

（1）其中某個角度探頭測得的回波幅值應(yīng)不得小于S3（DAC-6 dB）；

（2）兩個不同角度橫波探頭測得回波幅值相差9 dB以上，即Hdmax-Hdmin>9 dB；或者兩個不同角度探頭（一個為縱波探頭、一個為橫波探頭）測得的回波幅值相差15 dB以上，即Hdmax-Hdmin>15 dB；

步驟4：主要為了識別夾雜物。在該步驟中，分析靜態(tài)波形（如A型顯示）。當(dāng)靜態(tài)波形呈現(xiàn)出單一光滑時，該顯示信號判定為體積類缺陷。當(dāng)靜態(tài)波形沒有呈現(xiàn)出單一光滑時，則進(jìn)入步驟5。

步驟5：主要為了識別裂紋。當(dāng)靜態(tài)波形沒有呈現(xiàn)出單一光滑時，則可認(rèn)為該顯示信號呈現(xiàn)單一鋸齒狀回波或多個回波特征。超聲波橫向掃查缺陷顯示時，缺陷顯示的橫向動態(tài)波形就是探頭橫移時所有回波的包絡(luò)圖像，波形分析不僅要考慮包絡(luò)線形狀，還要考慮包絡(luò)線中各回波的特性，并給出了典型平面型缺陷的動態(tài)波形。

綜上所述，EN1713中提供的缺陷顯示定性方法較為詳細(xì)，具有較好的可操作性。因此，我國能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NB/T20003.2—2010《核電廠核島機械設(shè)備無損檢測第2部分：超聲檢測》在編制過程中也參考了RCC-M、相關(guān)EN標(biāo)準(zhǔn)，其附錄J也提供了缺陷性質(zhì)的評估方法，相關(guān)內(nèi)容與EN1713基本相同。

2.2 ПНАЭГ-7-030—91附錄7和附錄8

ПНАЭГ-7-030—91是ПНАЭГ-7-010—89的配套標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)附錄7和附錄8給出了兩種判定超聲顯示性質(zhì)的方法：按形狀系數(shù)判定、改變觀測角判定缺陷形狀和取向［11］。

第一種方法：按形狀系數(shù)Кф判定，即利用分離聯(lián)合方式的兩個探頭進(jìn)行探傷。Кф由兩個信號幅值之比（UA/UA3）確定，UA是從缺陷向探頭直接反射信號的幅值，UA3是從一個探頭缺陷和部件內(nèi)表面反射到另一個探頭的信號幅值。且認(rèn)為UA大于UA3時Kф為正數(shù)，則判定該缺陷為體積型；UA與UA3的幅值差別不大于1 dB時，Kф為0，也判定該缺陷為體積型；UA幅值小于UA3時Kф為負(fù)數(shù)，判定該缺陷為平面型。

第二種方法：可采用一套探頭進(jìn)行探傷，探頭角度從40°到65°，用不同角度探頭測量缺陷的回波信號，如果來自缺陷的回波信號波幅在探頭角度的全部范圍內(nèi)改變不大于12 dB，或者它的當(dāng)量面積改變小于4倍，則認(rèn)為該缺陷是體積型。如果來自缺陷的回波信號波幅在探頭角度的全部范圍內(nèi)改變大于12 dB，或者它的當(dāng)量面積改變大于4倍，則認(rèn)為該缺陷是平面型。該方法類似于EN1713的步驟3?？紤]到俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范自成體系，其超聲顯示性質(zhì)的判定方法較為獨特，不具有普遍適用性，暫不予推薦非VVER機組使用。

2.3 國內(nèi)其他工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

GB/T 29711—2013《焊縫無損檢測：超聲檢測焊縫中的顯示特征》是我國國標(biāo)GB/T 11345—2013的配套標(biāo)準(zhǔn)，主要是在ISO 23279—2010的基礎(chǔ)上進(jìn)行編譯的，而ISO 23279又是在EN1713的基礎(chǔ)上進(jìn)行編制的。通過分析對比GB/T 29711和EN1713，筆者發(fā)現(xiàn)這兩份標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)內(nèi)容基本完全一致。

NB/T 47013.3—2015是針對承壓設(shè)備超聲檢測技術(shù)的能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)附錄Q給出了超聲顯示定性的判定方法。NB/T 47013.3僅通過動態(tài)波形進(jìn)行顯示性質(zhì)判定，即直接采用EN1713步驟5進(jìn)行判定。該方法需要檢測人員有較強的實踐經(jīng)驗，不如EN1713的操作性強。

DL/T820.2—2019是針對管道焊縫超聲檢測的電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)附錄F提供了未焊透、未熔合、裂紋等缺陷的典型回波圖。該方法也需要檢測人員有較強的實踐經(jīng)驗。2.4 其他實踐

尖端衍射技術(shù)是目前常用的缺陷自身高度的測量方法之一。根據(jù)惠更斯原理，當(dāng)超聲波遇到缺陷尤其是裂紋類缺陷時，一般會在缺陷的上下尖端產(chǎn)生明顯衍射信號［12，13］，而對于氣孔或夾渣等體積型缺陷，一般情況下衍射信號會比較微弱或難以發(fā)現(xiàn)，技術(shù)原理見圖2。目前該方法已廣泛應(yīng)用于國內(nèi)核電廠反應(yīng)堆壓力容器的自動超聲檢查中。實踐證明：該方法對平面型缺陷尤其是垂直于設(shè)備表面的裂紋有著較高的檢出率和定量精度，在對缺陷顯示定性中，尖端衍射信號是判斷平面型缺陷的重要佐證。

圖2 尖端衍射法的技術(shù)原理圖Fig.2 Technical schematic of tip diffraction method

隨著計算機應(yīng)用的發(fā)展，有些科研院所開展了基于計算機的超聲檢測新技術(shù)的研究，例如：上海交通大學(xué)已開展了基于軟件算法實現(xiàn)超聲衍射時差法（time of flight diffraction，簡稱TOFD）的成像和缺陷自動識別研究［14］；華北電力大學(xué)采用信號分析方法對缺陷信號進(jìn)行特征提取，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器對缺陷特征進(jìn)行訓(xùn)練和識別，實現(xiàn)缺陷的智能判定［15］。雖然目前這些新技術(shù)還未在工程實踐中推廣應(yīng)用，但計算機大數(shù)據(jù)和超聲檢測的結(jié)合應(yīng)用是未來的發(fā)展方向。

3 試驗驗證

為進(jìn)一步驗證EN1713判定方法的有效性，筆者實施了超聲檢測的試驗驗證。試驗參數(shù)見表2，試驗所采用的探頭和試塊如圖3所示。

表2 驗證試驗的試驗條件參數(shù)Table2 Test parametersof validation test

圖3 超聲檢測顯示性質(zhì)判定的驗證試塊和探頭Fig.3 Verification blocksand probesfor determination of ultrasonic test display properties

本試驗主要采用一塊含人工制造的裂紋和夾渣缺陷的對接焊縫試塊作為檢測對象，該試塊中的缺陷性質(zhì)、位置和尺寸已知，具體信息見表3。

表3 試塊中含有的已知缺陷的相關(guān)信息Table 3 Information about known defectscontained in the test block

試驗對每個缺陷顯示都采用了45°T2、60°T2、45°L4三種探頭進(jìn)行探傷，比較不同探頭測得的回波幅值，利用EN1713的方法進(jìn)行顯示性質(zhì)判定。試驗結(jié)果見表4。我們根據(jù)試驗結(jié)果可以看出：利用EN1713基本可以較準(zhǔn)確地判定出缺陷顯示性質(zhì)。

表4 利用EN1713得到的顯示性質(zhì)判定結(jié)果Table 4 Resultsof indications type obtained by using EN1713

4 總結(jié)

（1）本文對比分析了我國核電站機械設(shè)備設(shè)計建造和在役檢查標(biāo)準(zhǔn)。分析結(jié)果表明：超聲顯示的性質(zhì)判定對缺陷顯示的驗收評價至關(guān)重要，相關(guān)在役檢查標(biāo)準(zhǔn)中未給出超聲顯示的判定準(zhǔn)則，相關(guān)制造標(biāo)準(zhǔn)中引用了超聲檢測專用標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行顯示性質(zhì)判定。

（2）本文梳理分析了不同超聲檢測標(biāo)準(zhǔn)中顯示性質(zhì)判定方法。分析表明：相比而言EN1713的判定方法較為詳細(xì)，具有較好的可操作性。

（3）筆者采用常規(guī)超聲檢測設(shè)備，在含裂紋和夾渣缺陷的對接焊縫試塊上進(jìn)行了檢測試驗，基本驗證了EN1713的判定方法具有較好的準(zhǔn)確性。

（4）尖端衍射信號可用來輔助判定缺陷性質(zhì)，實際工作中我們還可通過制造工藝、設(shè)備服役環(huán)境、缺陷產(chǎn)生時機等信息進(jìn)行綜合判定，此外基于計算機大數(shù)據(jù)的超聲檢測顯示智能識別技術(shù)是未來研究方向。