蒸汽發(fā)生器傳熱管超聲檢測缺陷的識別

曹 萍，江 華，蔡志剛，張燕燕，張潔潔

(浙江久立特材科技股份有限公司，湖州 313008)

蒸汽發(fā)生器傳熱管是核電站一回路壓力邊界的關(guān)鍵部件，其性能的優(yōu)劣對核電站的經(jīng)濟(jì)性和安全性有重要影響[1]。由于長期服役在含有水蒸汽的高溫高壓環(huán)境下，蒸汽發(fā)生器傳熱管在生產(chǎn)過程中會(huì)出現(xiàn)各種微小缺陷，這些缺陷在傳熱管實(shí)際運(yùn)行過程中會(huì)加速擴(kuò)展。在傳熱管運(yùn)行過程中，缺陷一旦擴(kuò)大就會(huì)造成壁厚減薄，且會(huì)誘發(fā)蒸汽發(fā)生器傳熱管的破損。蒸汽發(fā)生器傳熱管管內(nèi)放射性一回路介質(zhì)一旦泄漏，則會(huì)對周邊環(huán)境和人員安全造成威脅，嚴(yán)重時(shí)需停堆進(jìn)行檢查維修。

蒸汽發(fā)生器傳熱管破裂事故的發(fā)生頻率較高[2]，為了進(jìn)一步提高反應(yīng)堆的可靠性和安全性，在生產(chǎn)制造過程中需采用無損檢測方法有效識別出這些缺陷。根據(jù)法國核島設(shè)備設(shè)計(jì)建造規(guī)則協(xié)會(huì)(AFCEM)編制的《壓水堆核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則(RCCM)》中M4105產(chǎn)品的采購技術(shù)規(guī)范，用于壓水堆蒸汽發(fā)生器管束的鎳-鉻-鐵合金(NC30Fe)無縫管需按RCCM MC2500 《管件超聲波檢驗(yàn)》 的規(guī)定，對傳熱器全長范圍進(jìn)行超聲檢測。

筆者對蒸汽發(fā)生器傳熱管超聲檢測發(fā)現(xiàn)的缺陷進(jìn)行了分析，結(jié)果有利于從源頭上避免類似缺陷的產(chǎn)生。

1 檢測要求

1.1 檢測管材信息

蒸汽發(fā)生器傳熱管材料牌號為NC30Fe(690)，管材規(guī)格(外徑×壁厚)為17.48 mm×1.02 mm，狀態(tài)為TT(Thermo Treatment)態(tài)。

1.2 檢測設(shè)備

設(shè)備選用GE ROTA40型脈沖反射式超聲波檢測系統(tǒng)；為了檢測出縱向及橫向全體積范圍內(nèi)的所有缺陷，選用的標(biāo)準(zhǔn)樣管與被檢管材具有相同的材料、幾何尺寸、制造工藝及表面狀態(tài)。標(biāo)準(zhǔn)樣管的人工缺陷為管材內(nèi)壁和外壁橫向和縱向的U形槽，人工缺陷尺寸為12.7 mm×0.1 mm×0.1 mm(長×寬×深)。4個(gè)U形槽應(yīng)分開一定距離，以保證能清楚區(qū)別其回波。

1.3 檢測方法

采用水浸線聚焦法進(jìn)行超聲檢測，耦合劑采用A級去離子水。采用3 mm線聚焦超聲探頭，探頭頻率為7 MHz，聲波在管壁中傳播的折射角為47°50°。

根據(jù)被檢管外徑及檢測探頭焦距調(diào)整水層高度為20.521.5 mm。移動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)樣管，將切槽正對探頭波束，調(diào)節(jié)增益使標(biāo)準(zhǔn)缺陷幅值調(diào)至滿屏的80%。

對被檢管進(jìn)行軸向和周向掃查，且均從2個(gè)相反方向進(jìn)行掃查，選擇探頭旋轉(zhuǎn)速度為6 000 r·min-1，檢測速度為13.5 m·min-1，以確保相鄰兩次軸向掃查的重疊面積至少為20%。

2 試驗(yàn)過程

在檢測過程中，由于缺陷的類型、位置、大小以及取向會(huì)影響檢測結(jié)果，所以會(huì)出現(xiàn)一些達(dá)到或超過標(biāo)準(zhǔn)缺陷尺寸的缺陷，所產(chǎn)生的信號幅值卻低于標(biāo)準(zhǔn)缺陷的信號幅值，也會(huì)出現(xiàn)一些小于標(biāo)準(zhǔn)缺陷尺寸的缺陷所產(chǎn)生的信號幅值高于標(biāo)準(zhǔn)缺陷信號幅值的情況。為了防止超聲檢測出現(xiàn)漏檢和誤判，設(shè)置缺陷系數(shù)K=0.70。K值的定義如下：K=報(bào)廢限值/80%標(biāo)準(zhǔn)缺陷信號的滿屏高度，即將標(biāo)準(zhǔn)缺陷信號調(diào)整到80%的滿屏高度，故缺陷信號幅值不大于56%的管材判定為合格。

將實(shí)際超聲檢測過程中發(fā)現(xiàn)的信號幅值超過56%的各種不同類型的缺陷進(jìn)行分類。如果某個(gè)缺陷在多個(gè)超聲波檢測通道中都產(chǎn)生了信號，則統(tǒng)計(jì)最大振幅的通道。選取含有每種缺陷類型的管材進(jìn)行超聲檢測，再配合目視檢查法，準(zhǔn)確定位缺陷位置并截取含缺陷的2050 mm長度試樣。

首先采用Axio Imager Mzm型光學(xué)顯微鏡對含缺陷的試樣進(jìn)行缺陷表面宏觀觀察，再按照ASTM E3-11(2017)《金相試樣制備標(biāo)準(zhǔn)指南》 標(biāo)準(zhǔn)中金相試樣的制備方法，對缺陷橫截面依次進(jìn)行粗磨，細(xì)磨和拋光至鏡面，并用丙酮超聲清洗后吹干[3]，采用同型號光學(xué)顯微鏡進(jìn)行缺陷觀察和缺陷深度測量，采用層析法確定缺陷的最大深度。

3 結(jié)果與討論

3.1 超聲檢測結(jié)果

對蒸汽發(fā)生器傳熱管在超聲檢測中識別出的缺陷按照缺陷類型、缺陷取向進(jìn)行分類，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示，其中“縱向”代表缺陷方向與軋制方向一致，“橫向”代表缺陷方向與軋制方向垂直。

表1 超聲檢測出的缺陷信息統(tǒng)計(jì)結(jié)果

由表1可以看出，蒸汽發(fā)生器傳熱管生產(chǎn)過程中超聲檢測識別出的缺陷多為外表面缺陷。

3.2 表面宏觀觀察

對含有不同類型缺陷的典型試樣進(jìn)行缺陷表面宏觀觀察，不同類型缺陷表面形貌如圖1所示。

圖1 不同類型缺陷的表面形貌

3.3 缺陷尺寸的測量

選取常見的含有不同類型缺陷的典型試樣進(jìn)行缺陷深度檢測，不同類型缺陷的橫截面形貌如圖2所示。

圖2 不同類型缺陷的橫截面形貌

3.4 結(jié)果分析

對選取的含有不同類型缺陷的典型試樣的超聲檢測結(jié)果進(jìn)行不同缺陷位置、缺陷取向、缺陷類型、缺陷處超聲信號最大回波幅值的滿屏高度占比、缺陷尺寸等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表2所示，不同缺陷的最大超聲波幅與缺陷深度的關(guān)系如圖3所示。

表2 典型缺陷試樣的超聲檢測結(jié)果

圖3 不同缺陷的最大超聲波幅與缺陷深度的關(guān)系

由表2和圖3可知：① 超聲檢測可有效識別蒸汽發(fā)生器傳熱管縱向及橫向全體積范圍內(nèi)的所有缺陷;② 缺陷的深度與缺陷處最大超聲波幅并不呈線性關(guān)系，即并不是超聲波幅值越高，缺陷深度越大。這是因?yàn)閷?shí)際缺陷表面相對于超聲波入射方向并不完全垂直，而超聲垂直于缺陷表面時(shí)缺陷波幅最高，當(dāng)有傾斜角時(shí)，缺陷波幅隨著傾斜角的增大而急劇下降[4]。

3.5 缺陷產(chǎn)生原因分析及預(yù)防措施

3.5.1 缺陷產(chǎn)生原因分析

1號缺陷為典型的縱向劃傷缺陷，是由轉(zhuǎn)運(yùn)過程中某種尖銳的棱角或顆粒劃過管材外表面形成的。從圖1(a)中的表面宏觀觀察可明顯識別出劃痕方向?yàn)檠毓懿能堉品较?，顯示為從左側(cè)指向右側(cè)方向，與超聲檢測的缺陷取向一致。劃傷缺陷一般均為淺表層缺陷，深度較淺。1號缺陷處超聲信號最大回波幅值為56.0%的滿屏高度，最大深度僅為9.27 μm。

2號缺陷為典型的外表面縱向軋折缺陷，管材表面可觀察到部分材料缺失，由橫截面形貌可看出該缺陷與外表面呈一定的角度。由圖2(b)中的橫截面形貌可觀察到缺陷與內(nèi)表面呈一定的角度，內(nèi)外兩層之間形成明顯的折疊。2號缺陷處超聲信號最大回波幅值為99.20%的滿屏高度，最大深度為98.09 μm。

3號和4號缺陷為典型的外表面縱向磕碰缺陷，是由轉(zhuǎn)運(yùn)過程中異物直接壓入管材表面所形成的，異物在后續(xù)流轉(zhuǎn)過程中缺失。由圖2(b)中的橫截面形貌可觀察到缺陷是缺失的，與2號缺陷不同，未形成折疊，可判定為成品管子軋制完成后形成。3號和4號缺陷處超聲信號最大振幅分別為58.50%和74.5%的滿屏高度，最大深度分別為82.38 μm和61.78 μm。

5號缺陷為典型的凹坑缺陷，是由生產(chǎn)及轉(zhuǎn)運(yùn)過程中尖銳顆粒狀異物壓入表面(致使部分金屬材料缺失)形成的。該缺陷為體積狀缺陷，超聲檢測過程中僅橫向缺陷通道有明顯顯示。通過波長λ，聲速c，頻率f之間的關(guān)系λ=c/f，可計(jì)算出橫波波長為0.46 mm，縱波波長為0.84 mm(鋼中橫波波速為3 200 m·s-1，縱波波速為5 900 m·s-1，探頭頻率為7 MHz)。由于缺陷直徑近似為1 277 μm，是橫波波長的2倍以上，故橫向缺陷通道具有較好的指向性[5]。5號缺陷處超聲信號最大回波幅值為107.1%的滿屏高度，最大深度僅為116.30 μm。

6號缺陷為典型的橫向磕碰缺陷，由轉(zhuǎn)運(yùn)過程中異物直接壓入管材表面所形成，異物在后續(xù)流轉(zhuǎn)過程中缺失。6號缺陷與3號、4號缺陷的形成原因一致，6號缺陷處超聲信號最大回波幅值為56.30%的滿屏高度，最大深度為55.36 μm。

7號缺陷為典型的內(nèi)表面縱向軋折缺陷，在內(nèi)表面上呈現(xiàn)為直線和鋸齒狀缺陷，其形成原因與2號缺陷的形成原因一致。從圖2(g)中的橫截面照片中也可觀察到明顯的折疊。7號缺陷處超聲信號最大回波幅值為118.10%的滿屏高度，最大深度為175.7 μm。

3.5.2 預(yù)防措施

為了獲得高品質(zhì)的蒸汽發(fā)生器傳熱管，應(yīng)重視各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制，后續(xù)生產(chǎn)過程中可從以下幾個(gè)方面進(jìn)行預(yù)防及改進(jìn)。

(1) 對軋制管坯加強(qiáng)質(zhì)量控制，來料管材表面不允許存在翹皮、劃傷、擦傷、異物等缺陷。

(2) 對輥道、軋制工模具、矯直輥、傳輸裝置等表面加強(qiáng)粗糙度控制，對磨損的工模具及時(shí)進(jìn)行更新。

(3) 對軋制過程進(jìn)行控制，防止軋制過程中有異物壓入。

4 結(jié)語

(1) 蒸汽發(fā)生器傳熱管實(shí)際生產(chǎn)過程中缺陷多以縱向缺陷為主，橫向缺陷極為少見，且多為外表面缺陷。

(2) 超聲檢測可有效識別蒸汽發(fā)生器傳熱管縱向及橫向全體積范圍內(nèi)的所有缺陷。

(3) 缺陷的深度與缺陷處最大超聲波振幅的關(guān)系并不是超聲波幅值越高，缺陷深度就越大。

(4) 典型缺陷分別為劃傷、軋折、凹坑、磕碰，主要在軋制和轉(zhuǎn)運(yùn)過程中產(chǎn)生。