核電廠BOSS焊縫的射線檢測及工藝評(píng)價(jià)

劉恩凱

(陽江核電有限公司, 陽江 529941)

某核電機(jī)組在運(yùn)行過程中存在個(gè)別管座焊縫失效，甚至發(fā)生泄漏的現(xiàn)象，對機(jī)組的安全運(yùn)行產(chǎn)生重大影響，因此需要對管座焊縫進(jìn)行內(nèi)部質(zhì)量檢測。根據(jù)RCC-M 《壓水堆核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則》、ASME(美國機(jī)械工程師協(xié)會(huì))標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等核電檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求，在該類焊縫的預(yù)制過程中，只需要對焊縫表面(坡口)、根部焊道和最終焊道進(jìn)行滲透檢測，缺少有效檢測管座焊縫內(nèi)部是否存在缺陷的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，難以保證焊接質(zhì)量。

按照監(jiān)督管理要求，結(jié)合國家核安全局《關(guān)于核電廠核2、3級(jí)管道與管座(BOSS)焊縫缺陷共性問題的經(jīng)驗(yàn)反饋》的要求制定排查處理方案，對核2、3級(jí)BOSS焊縫進(jìn)行射線檢測排查。國內(nèi)承建核電廠的相關(guān)設(shè)計(jì)及檢測標(biāo)準(zhǔn)主要為ASME和RCC-M標(biāo)準(zhǔn)。筆者制定了BOSS焊縫的射線檢測工藝，并結(jié)合現(xiàn)場檢測經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出相關(guān)BOSS焊縫射線檢測及底片評(píng)定過程的注意事項(xiàng)，保證了檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性及可靠性，可保障BOSS焊縫的安全有效運(yùn)行。

1 BOSS焊縫結(jié)構(gòu)形式

核電站BOSS焊縫是主管和支管(管座)常用的連接方式，管座與主管結(jié)構(gòu)的連接方式主要為安放式和插入式兩種，安放式有先焊后鉆類型(SOBO)和先鉆后焊類型(SOBP)，管座與主管的安放式連接形式如圖1所示，管座與主管的插入式連接形式如圖2所示。核級(jí)管座具有管徑小、曲率大的特點(diǎn)，常用外徑為33～82 mm。BOSS焊縫具有厚度不均勻、焊縫表面形狀不規(guī)則的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，難以對其實(shí)施超聲、渦流檢測，而射線檢測方式具有底片觀察缺陷直觀、拍片角度靈活可變的優(yōu)點(diǎn)，因此可對其實(shí)施射線檢測。因?yàn)橐话阒Ч軆?nèi)徑較小，主管內(nèi)部無法放置暗袋，且相對BOSS焊縫內(nèi)徑，其焊接厚度較大，檢測區(qū)域厚度差較大，所以需要結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際檢測情況綜合制定射線檢測工藝。

圖1 管座與主管的安放式連接形式示意

圖2 管座與主管的插入式連接形式示意

2 非標(biāo)準(zhǔn)射線檢測工藝的制定

目前，國內(nèi)核電廠對核級(jí)BOSS焊縫內(nèi)部的檢測主要是增加非標(biāo)準(zhǔn)工藝的射線檢測，驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)參照RCC-M標(biāo)準(zhǔn)或者ASME標(biāo)準(zhǔn)中產(chǎn)品焊縫射線檢測的驗(yàn)收準(zhǔn)則進(jìn)行評(píng)定。主要采用的透照方式是將放射源及膠片布置在母管與管座的兩側(cè)(見圖3)[1]。透照方向選擇為與BOSS焊縫母管和支管軸線均垂直的方向，將射線源置于受檢區(qū)域?qū)γ婀鼙诘耐鈧?cè)，從該方向進(jìn)行檢測的一次有效檢測范圍是最大的?？紤]到缺陷的方向性，結(jié)合現(xiàn)場條件，只能對BOSS焊縫采用對向互成180°的雙壁雙影透照方式，每個(gè)焊縫透照兩次。

圖3 BOSS焊縫透照方式布置示意

考慮到BOSS焊縫的特殊結(jié)構(gòu)形式，應(yīng)選擇寬容度較大的膠片并采用雙膠片技術(shù)，膠片至少為C3級(jí)及以上的級(jí)別[2]。射線底片的黑度沒有具體要求，可以進(jìn)行單片或雙片同時(shí)觀察及評(píng)定。因?yàn)楝F(xiàn)場的排查檢測主要采用Ir-192放射源，其具有較高的能量，可以提高底片的射線檢測厚度寬容度。目前，國內(nèi)各核電廠機(jī)組基本采用上述射線透照工藝進(jìn)行現(xiàn)場檢測，并發(fā)現(xiàn)了大量的焊縫內(nèi)部缺陷，為BOSS焊縫的安全提供了保障。

3 BOSS焊縫射線檢測有效性探討

結(jié)合上述非標(biāo)準(zhǔn)射線檢測方法，在一定程度上能發(fā)現(xiàn)管座焊縫內(nèi)部的缺陷，但非標(biāo)準(zhǔn)檢測也存在一些不足之處，主要如下所述。

(1) 檢測盲區(qū)大，不能對管座焊縫進(jìn)行100%的射線檢測。

(2) 膠片與焊縫之間存在較大的空隙，幾何不清晰度大。

(3) 焊縫經(jīng)射線透照后在底片上的影像放大，且畸變較多。

(4) 焊縫內(nèi)部的缺陷顯示尺寸也相應(yīng)放大較多，導(dǎo)致缺陷的評(píng)定及驗(yàn)收過于嚴(yán)格。

(5) 底片上影像不同區(qū)域的黑度差異明顯，對缺陷的識(shí)別相對困難。

目前，射線檢測主要用于焊縫中部分區(qū)域的體積型缺陷(氣孔、夾渣、未焊滿、未焊透等)的檢測，部分焊縫位置及面積型缺陷的檢出率可能較低,結(jié)合BOSS焊縫的主要失效原因，需要對根部區(qū)域的焊接質(zhì)量進(jìn)行重點(diǎn)檢測，避免在焊縫根部應(yīng)力集中區(qū)域的相關(guān)焊接缺陷擴(kuò)展，并導(dǎo)致泄漏?，F(xiàn)有的非標(biāo)準(zhǔn)射線檢測工藝基本可以有效發(fā)現(xiàn)BOSS焊縫中根部未焊滿、未焊透以及焊縫中的氣孔、夾渣等體積型缺陷。實(shí)際檢測時(shí)，應(yīng)將膠片盡量貼近焊縫外表面，減小焊縫與膠片之間的間隙，降低幾何不清晰度并減小影像的放大、畸變程度，盡可能減少非標(biāo)準(zhǔn)射線檢測工藝條件下的弊端[3]。

4 BOSS焊縫射線檢測底片評(píng)定注意事項(xiàng)

考慮到BOSS焊縫的特殊結(jié)構(gòu)形式，實(shí)際焊縫結(jié)構(gòu)厚度差較大，同時(shí)現(xiàn)場只能進(jìn)行互成180°的雙向透照檢測，射線底片上影像的結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生畸變，再加上雙壁透照檢測條件下的影像重疊現(xiàn)象，BOSS焊縫的底片評(píng)定工作需要注意以下問題。

(1) 注意區(qū)分現(xiàn)場BOSS焊縫的結(jié)構(gòu)形式。

(2) 需要核實(shí)底片的影像畸變程度。

(3) 需要核實(shí)底片的影像放大狀態(tài)，結(jié)合實(shí)際尺寸及結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

(4) 注意關(guān)注射線檢測底片的厚度寬容度，焊縫中間區(qū)域盡量進(jìn)行單片評(píng)定，兩側(cè)肩部壁厚疊加最嚴(yán)重區(qū)域采用雙片評(píng)定。

(5) 關(guān)注母管的壁厚，注意在焊接過程中其是否產(chǎn)生了變形。

(6) 重點(diǎn)關(guān)注根部區(qū)域缺陷的識(shí)別，安放式關(guān)注根部未焊滿、未焊透，插入式關(guān)注根部未熔合等缺陷。

在評(píng)定實(shí)際BOSS焊縫的底片時(shí)，插入式結(jié)構(gòu)底片根部未熔合和安放式結(jié)構(gòu)底片根部未焊透的評(píng)定存在不確定性，主要是因?yàn)锽OSS焊縫結(jié)構(gòu)的重疊及薄壁母管焊接過程的變形(類似塌陷)導(dǎo)致的缺陷位置不確定，根部區(qū)域與母管外壁的相貫線不是一條平行的直線，影響了該類缺陷的評(píng)定，插入式BOSS焊縫底片顯示(薄壁母管)如圖4所示。

圖4 插入式BOSS焊縫底片顯示(薄壁母管)

母管壁厚較大的BOSS焊縫經(jīng)過焊接后不會(huì)發(fā)生變形，母管外壁的相貫線與焊縫根部在顯示上屬于平行的直線結(jié)構(gòu)，不影響缺陷的評(píng)定，安放式BOSS焊縫底片顯示(厚壁母管)如圖5所示。

圖5 安放式BOSS焊縫底片顯示(厚壁母管)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證上述薄壁母管、插入式BOSS焊縫射線底片缺陷評(píng)定的正確性，模擬焊接現(xiàn)場實(shí)際的BOSS焊縫結(jié)構(gòu)，按照通用的射線檢測工藝進(jìn)行射線檢測，對底片上未熔合缺陷和無缺陷對應(yīng)的位置分別進(jìn)行解剖和金相驗(yàn)證。試驗(yàn)過程如下所述。

(1) 選取模擬焊縫中較為典型的兩個(gè)焊口，編號(hào)分別為A0649-2和A0045-1。兩個(gè)焊縫的射線檢測結(jié)果分別為：A0649-2底片上根部兩側(cè)顯示縫隙伸入到焊縫區(qū)域；A0045-1底片上根部一側(cè)顯示縫隙伸入到焊縫區(qū)域(見圖6，7)。

圖6 A0694-2焊口射線檢測底片

(2) 對上述焊縫進(jìn)行金相檢驗(yàn)，用硝酸腐蝕后確認(rèn)底片上對應(yīng)的縫隙是否伸入到焊縫區(qū)域中，金相檢驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。通過圖7觀察到，焊縫根部有間隙伸入到焊縫區(qū)域中，與底片顯示一致。

圖7 A0045-1焊口射線檢測底片

圖8 A0694-2焊口金相檢驗(yàn)結(jié)果

焊口A0045-1的底片顯示根部一側(cè)伸入焊縫區(qū)域，另一側(cè)為完好焊縫，相應(yīng)的金相檢驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

圖9 A0045-1焊口金相檢驗(yàn)結(jié)果

從上述檢測試驗(yàn)結(jié)果來看，可以總結(jié)出如下經(jīng)驗(yàn)。

(1) 若底片上顯示的根部縫隙影像(未熔合)明顯伸入到焊縫中，超過了母管外表面的相貫線，則焊縫根部一定存在未熔合缺陷。

(2) 當(dāng)母管壁厚較薄，并因焊接產(chǎn)生了變形，底片評(píng)定時(shí)要找到真實(shí)的相貫線，不應(yīng)采用母管外壁相貫線的平行直線進(jìn)行評(píng)定。

(3) 當(dāng)母管壁厚較厚且沒有產(chǎn)生焊接變形，則底片評(píng)定時(shí)以母管外壁相貫線進(jìn)行界線劃分，評(píng)定相貫線以上的焊縫內(nèi)部缺陷。

(4) 從金相檢驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)存在根部未熔合缺陷時(shí)，根部伸入到焊縫區(qū)域內(nèi)的外觀顯示明顯與完好區(qū)域的顯示不同，間隙寬度也明顯不同。

5 結(jié)語

綜合上述討論及試驗(yàn)結(jié)果可知，BOSS焊縫的射線檢測工藝屬于非標(biāo)準(zhǔn)檢測工藝，因其結(jié)構(gòu)及焊縫特點(diǎn)等限制，射線檢測實(shí)施過程中存在一定的弊端，進(jìn)而影響后續(xù)底片評(píng)定過程。針對不同結(jié)構(gòu)形式的BOSS焊縫，通過模擬試驗(yàn)、理化試驗(yàn)等手段總結(jié)出底片評(píng)定的相關(guān)注意事項(xiàng)及經(jīng)驗(yàn)性技術(shù)總結(jié)，有助于后續(xù)相關(guān)射線檢測及底片評(píng)定過程的質(zhì)量控制，提高了非標(biāo)準(zhǔn)射線檢測結(jié)果的可靠性及有效性，總結(jié)并形成了一套非標(biāo)準(zhǔn)BOSS焊縫射線檢測工藝制定流程及相關(guān)注意事項(xiàng)，有利于行業(yè)內(nèi)進(jìn)行參考。另外，結(jié)合BOSS焊縫射線檢測的技術(shù)特點(diǎn)，通過技術(shù)調(diào)研及相關(guān)單位驗(yàn)證試驗(yàn)，采用相控陣超聲檢測手段可以有效解決BOSS類焊縫射線檢測存在的弊端問題。