核電廠厚壁高密度聚乙烯管道熱熔接頭的相控陣超聲檢測(cè)

周路生，黃 驕，吳 雙，邱曉東，王立仁

(1.國(guó)核電站運(yùn)行服務(wù)技術(shù)有限公司，上海 200233； 2.上海核工程研究設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200233)

核電廠廠用水系統(tǒng)(SWS)利用海水通過(guò)設(shè)備冷卻水系統(tǒng)的熱交換器帶走核島設(shè)備的熱量，達(dá)到冷卻的目的[1]。二代及二代加核電廠輸送海水介質(zhì)的管道主要為不銹鋼管道、內(nèi)襯防腐涂層或水泥沙漿的碳鋼管道、鋼筋混凝土管等[2]?；诟呙芏染垡蚁?HDPE)材料良好的耐腐蝕及抗氧化、老化性能，1998年美國(guó)卡巴托核電站在常規(guī)的水管系統(tǒng)中首次使用了HDPE管道，運(yùn)行多年后，管道服役狀態(tài)仍良好。國(guó)內(nèi)AP1000三代依托項(xiàng)目(三門(mén)和海陽(yáng)核電機(jī)組)廠用水系統(tǒng)(非安全級(jí))已采用外徑為30 inch(1 inch=25.4 mm)的HDPE管道，2017年中廣核大亞灣核電站的循環(huán)水(CFI)系統(tǒng)首次將HDPE管道應(yīng)用到核安全級(jí)系統(tǒng)中[3]，另外，CAP1400及CAP1000后續(xù)項(xiàng)目的廠用水系統(tǒng)用到的HDPE管道，其最大壁厚已超過(guò)100 mm。目前國(guó)內(nèi)已有的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 10662-2013 《無(wú)損檢測(cè) 聚乙烯管道焊縫超聲檢測(cè)》 適用于檢測(cè)輸送燃?xì)夂妥詠?lái)水介質(zhì)的非核用聚乙烯管道的熔接接頭，即壁厚小于60 mm的聚乙烯管道熱熔接頭。對(duì)于核電廠用的大口徑(外徑30 inch以上)、超厚壁(大于90 mm)HDPE管道熱熔接頭，國(guó)內(nèi)尚無(wú)相應(yīng)的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。因此，開(kāi)展核電廠大口徑超厚壁HDPE管道熱熔接頭缺陷的檢測(cè)技術(shù)研究尤為必要。

以國(guó)內(nèi)某在建三代機(jī)組廠用水系統(tǒng)外徑為32 inch的HDPE管道熱熔接頭為研究對(duì)象，對(duì)其主要聲學(xué)性能參數(shù)(如材料聲速和聲衰減系數(shù))進(jìn)行研究。HDPE為粘彈性材料，超聲波在該類(lèi)材料中傳播時(shí)能量損失尤為嚴(yán)重。相較于縱波，橫波波長(zhǎng)較短，穿透能力更差，無(wú)法有效穿透厚壁HDPE管道熔接接頭的全厚度范圍，因而通常采用縱波對(duì)HDPE材料進(jìn)行檢測(cè)。

1.1 聲速測(cè)量

以國(guó)內(nèi)某核電供應(yīng)商生產(chǎn)的牌號(hào)為PE4710，壁厚為90 mm的HDPE管道母材材料作為試驗(yàn)對(duì)象，在不同溫度下，采用脈沖回波法從試件的各截面進(jìn)行材料縱波聲速測(cè)量試驗(yàn)，測(cè)量結(jié)果如表1所示。由表1可知，核電廠用HDPE材料在10～50 ℃下，其縱波聲速為2 107～2 388 m/s，且聲速隨著材料溫度升高而減小，呈一定的線性變化。

表1 HDPE材料縱波聲速測(cè)量結(jié)果

1.2 聲衰減試驗(yàn)

引起超聲波衰減的主要原因有波束擴(kuò)散、晶粒散射和介質(zhì)吸收。HDPE材料類(lèi)似于超聲探頭的吸聲材料，吸收衰減是其主要的衰減原因。經(jīng)測(cè)量得到試件的衰減系數(shù)為0.72 dB·mm-1～0.74 dB·mm-1。該衰減系數(shù)是散射衰減、吸收衰減和擴(kuò)散衰減的綜合體現(xiàn)。

2 聚焦聲場(chǎng)建模

結(jié)合材料的聲學(xué)性能及國(guó)內(nèi)外對(duì)HDPE材料的相控陣檢測(cè)技術(shù)研究可知，采用水作為液體楔塊可獲得掃查所需的偏轉(zhuǎn)角度，最大可偏轉(zhuǎn)89°。不同偏轉(zhuǎn)角度下HDPE材料和水中聲場(chǎng)軸向方向質(zhì)點(diǎn)的振幅分布如圖1所示。由圖1可知，振幅隨著偏轉(zhuǎn)角度的變化而變化，焦點(diǎn)處的能量仍較高，焦點(diǎn)范圍逐漸增大時(shí)仍可滿足檢測(cè)精度的要求。

為提高超聲波主聲束的能量，通常采用低頻探頭來(lái)檢測(cè)HDPE材料,采用水浸法對(duì)HDPE材料管材試件進(jìn)行檢測(cè)。對(duì)超聲波在水與HDPE材料雙層介質(zhì)中的聲場(chǎng)分布進(jìn)行建模分析，建模選擇的相控陣探頭中心頻率為2 MHz，陣元數(shù)量為16，陣元尺寸為10 mm×0.5 mm(長(zhǎng)×寬)，陣元間距為0.1 mm，水中聲程為15 mm，其在HDPE材料中的聚焦深度為20 mm，垂直聚焦與偏轉(zhuǎn)聚焦的聲場(chǎng)分布如圖2所示。

圖2 垂直聚焦與偏轉(zhuǎn)聚焦時(shí)HDPE材料中的聲場(chǎng)分布

3 熱熔接頭缺陷類(lèi)型

HDPE熱熔管道接頭熔接過(guò)程中出現(xiàn)的缺陷主要分為兩類(lèi)，一類(lèi)是外觀缺陷，另一類(lèi)是熔接工藝缺陷，文章重點(diǎn)分析熔接過(guò)程中產(chǎn)生的工藝缺陷。

3.1 冷焊缺陷

管件在熔合過(guò)程中接頭熱量不足會(huì)導(dǎo)致熔合面局部形成縫隙或局部聚乙烯分子粘結(jié)不牢固，形成熱熔接頭冷焊缺陷，使得熔接接頭性能下降。熱熔接頭冷焊缺陷外觀如圖3所示。帶冷焊缺陷的熱熔接頭外觀良好，服役初期接頭的強(qiáng)度可滿足使用要求，但在服役過(guò)程受環(huán)境、工作條件的影響，易出現(xiàn)整體脆斷。冷焊缺陷是熱熔焊縫中最危險(xiǎn)的缺陷，也是熱熔接頭檢測(cè)中最容易漏檢的缺陷之一。在實(shí)際熱熔熔接過(guò)程中該缺陷產(chǎn)生的主要原因有：① 熱熔后接頭未完全冷卻便拆除夾具，并給管道接頭施加了一定的力矩，使熔合面的聚乙烯分子因受拉應(yīng)力而粘結(jié)不牢，或因冷卻時(shí)間不足而產(chǎn)生未熔合類(lèi)缺陷；② 熔接后接頭冷卻不均勻使得熔合面局部產(chǎn)生大量微小縮孔，導(dǎo)致熔合面的粘結(jié)強(qiáng)度下降；③ 熔接端面未銑削平整導(dǎo)致凹陷處受熱不足，也可能使得聚乙烯分子的粘結(jié)強(qiáng)度下降。

圖3 熱熔接頭冷焊缺陷外觀

3.2 氣孔、孔洞

熔接過(guò)程中，如果接頭處夾雜有較大固體顆?；蚓植看嬖跉怏w未逃逸出熔合區(qū)，就會(huì)形成氣孔或不規(guī)則孔洞。上述缺陷產(chǎn)生的主要原因是聚乙烯管材熔接端面清洗不徹底，材料內(nèi)部存在空氣、端面粘有水珠或管材放置時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而吸潮。管材壁厚過(guò)大或接頭冷卻過(guò)程中散熱不均也易導(dǎo)致熔融區(qū)的中心部位出現(xiàn)收縮，進(jìn)而形成冷卻縮孔。

3.3 裂紋

熱熔合面局部出現(xiàn)宏觀裂縫或局部分子糾纏不牢靠時(shí)，焊接接頭的性能會(huì)下降。該類(lèi)型缺陷比較罕見(jiàn)，但危害較大，屬于重點(diǎn)關(guān)注的缺陷類(lèi)型。熱熔接頭裂紋缺陷外觀如圖4所示。

圖4 熱熔接頭裂紋缺陷外觀

3.4 熔合面夾雜

熔合面夾雜是指熔合面上的微小水滴或不潔凈雜質(zhì)遺留在焊接面上，導(dǎo)致接頭之間的分子無(wú)法糾結(jié)牢固造成熔接接頭性能下降的工藝缺陷，其表現(xiàn)為熔合面的整體失效或大面積不均勻韌性脆斷。

4 相控陣檢測(cè)技術(shù)研究

4.1 檢測(cè)區(qū)域確定

ASME(美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì))鍋爐及壓力容器規(guī)范第III卷強(qiáng)制性附錄XXVI規(guī)定了使用的檢測(cè)技術(shù)應(yīng)有效覆蓋熱熔接頭熔合中心線兩側(cè)各6 mm的范圍。

4.2 試塊設(shè)計(jì)

采用與國(guó)內(nèi)某核電廠SWS使用的HDPE管件相同的材料及生產(chǎn)工藝，制作試驗(yàn)所需的各種類(lèi)型試塊，重點(diǎn)設(shè)計(jì)了聲學(xué)性能試塊、標(biāo)準(zhǔn)試塊、參考試塊和模擬能力驗(yàn)證試塊等。各類(lèi)型試塊的說(shuō)明如下。

(1) 聲學(xué)性能試塊。該試塊用于HDPE材料聲速、衰減系數(shù)等聲學(xué)性能的測(cè)試。

(2) HDPE管道標(biāo)準(zhǔn)試塊。該試塊用于校準(zhǔn)相控陣超聲檢測(cè)探頭的參數(shù)，類(lèi)似于CSK-IA標(biāo)準(zhǔn)試塊，主要反射體有R35和R70圓弧面及φ0.5 mm 橫通孔，試塊外觀如圖5所示。

圖5 HDPE管道標(biāo)準(zhǔn)試塊外觀

(3) 熱熔接頭參考試塊。根據(jù)國(guó)內(nèi)某核電廠SWS管道規(guī)格，設(shè)計(jì)加工制作了2種規(guī)格的熱熔接頭參考試塊，其外觀如圖6,7所示。在外徑為10 inch的熱熔接頭試塊中，橫孔直徑分別為0.5,1 mm，孔間距為5 mm。在外徑為32 inch的熱熔接頭試塊中，橫孔直徑分別為1.0,2.0 mm，孔間距為10 mm。最小可檢缺陷尺寸不低于ASME規(guī)范第III卷強(qiáng)制性附錄XXVI要求的1 mm或10%壁厚(取二者的大值)。

圖7 外徑為32 inch的熱熔接頭參考試塊外觀

(4) 模擬能力驗(yàn)證試塊。依據(jù)ASME規(guī)范第III卷附錄XXVI的要求，用于核電廠核三級(jí)HDPE管道的檢測(cè)技術(shù)應(yīng)在能力驗(yàn)證試塊上通過(guò)驗(yàn)證后才可用于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。試驗(yàn)根據(jù)ASME規(guī)范對(duì)能力驗(yàn)證試塊的設(shè)計(jì)要求，利用缺陷植入技術(shù)制作了HDPE管道模擬缺陷試塊。主要在驗(yàn)證試塊外表面和中部區(qū)域植入了異質(zhì)材料(分布在30%～90%壁厚間)。

4.3 相控陣探頭定制

根據(jù)前期對(duì)HDPE材料聲學(xué)性能參數(shù)的研究結(jié)果可知，要保證超聲波在HDPE材料中有良好的穿透力，應(yīng)在滿足缺陷檢測(cè)精度的前提下，盡量采用低頻檢測(cè)，以獲得足夠的信噪比和靈敏度余量。為了提高探頭能量，設(shè)計(jì)制作了瓦型自聚焦的一維相控陣探頭，具體參數(shù)說(shuō)明如下。

(1) 采用2.25～5 MHz頻率檢測(cè)外徑為8 inch，壁厚為23 mm的小管徑HDPE管道；采用1.5 MHz或更低的頻率來(lái)檢測(cè)外徑為32 inch，壁厚為110 mm的大口徑厚壁HDPE管道。

(2) 陣元數(shù)量。探頭陣元數(shù)量的選擇與被檢對(duì)象的壁厚、檢測(cè)設(shè)備的配置及聚焦法則均有較大關(guān)系。隨著晶片陣元數(shù)量的增加，波束主瓣寬度逐漸變窄，聲束指向性得到改善，柵瓣幅值減小。試驗(yàn)采用16陣元的探頭檢測(cè)外徑為8 inch的HDPE熱熔接頭，采用64陣元探頭檢測(cè)外徑為32 inch的熱熔接頭。

(3) 陣元寬度。根據(jù)超聲仿真軟件的計(jì)算發(fā)現(xiàn)，隨著陣元寬度的增加，主瓣寬度減小，有利于提高聲束指向性和改善聚焦性能，但會(huì)產(chǎn)生較多的柵瓣。在探頭尺寸不受限制的情況下，可增大陣元寬度，有利于獲得更好的聚焦效果。

(4) 陣元間距。陣元間距對(duì)檢測(cè)過(guò)程中波束聚焦的指向性和分辨力影響較大。通常隨著陣元間距的增加，主瓣寬度逐漸變窄，聲束指向性增強(qiáng)，但當(dāng)陣元間距大于波長(zhǎng)時(shí)，聲束將出現(xiàn)明顯柵瓣。

檢測(cè)外徑為8 inch和32 inch的HDPE熱熔接頭的相控陣探頭型號(hào)分別為2.25L16-12×12-A1和1.5L64-48×12-A2。

4.4 探頭楔塊

HDPE材料的縱波聲速與有機(jī)玻璃楔塊材料的聲速基本一致，因而采用有機(jī)玻璃作為楔塊材料將無(wú)法獲得需要的偏轉(zhuǎn)折射角，不滿足ASME規(guī)范對(duì)熱熔接頭全體積覆蓋檢測(cè)的要求。通過(guò)技術(shù)調(diào)研和方法試驗(yàn)，最終確定采用水作為聲束偏轉(zhuǎn)介質(zhì)，水中縱波的聲速為1 480 m·s-1，小于HDPE材料的縱波聲速(2 300 m/s)，在理論上可獲得檢測(cè)所需的聲束偏轉(zhuǎn)角。

試驗(yàn)針對(duì)定制相控陣探頭的參數(shù)，設(shè)計(jì)了多款適用于DN200DN900的HDPE管道熱熔接頭相控陣檢測(cè)水楔塊，楔塊采用空腔設(shè)計(jì)，將水包裹在楔塊框內(nèi)，通過(guò)不斷給楔塊充水來(lái)確保楔塊內(nèi)沒(méi)有空氣，并保證探頭激發(fā)的超聲信號(hào)進(jìn)入被檢HDPE管件中。定制的水楔塊型號(hào)分別為SA1-N68L-AOD8(用于外徑為8 inch的熱熔接頭)和SA2-N68L-AOD32(用于外徑為32 inch的熱熔接頭)。水楔塊外觀如圖8所示。

圖8 相控陣探頭水楔塊外觀

5 檢測(cè)試驗(yàn)

采用定制的相控陣探頭，設(shè)置激活起始陣元和結(jié)束陣元，檢測(cè)外徑為8 inch的管道時(shí)，聚焦深度設(shè)置為15 mm；檢測(cè)外徑為32 inch的管道時(shí)，聚焦深度設(shè)置為75 mm。掃描方式為扇形掃查，角度范圍為35°～89°，掃描間距為1°。兩個(gè)熱熔接頭參考試塊上橫孔反射體的檢測(cè)圖像如圖9,10所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用定制的探頭和楔塊可有效發(fā)現(xiàn)試塊內(nèi)不同深度的所有橫孔，缺陷的定位精度、信噪比和靈敏度余量均滿足檢測(cè)要求。兩個(gè)熱熔接頭參考試塊所有橫孔的檢測(cè)數(shù)據(jù)如表2,3所示。

表2 外徑為8 inch熱熔接頭試塊所有橫孔的檢測(cè)數(shù)據(jù)

表3 外徑為32 inch熱熔接頭試塊所有橫孔的檢測(cè)數(shù)據(jù)

圖9 外徑為8 inch的熱熔接頭試塊上φ 0.5 mm橫孔的檢測(cè)圖像

圖10 外徑為32 inch的熱熔接頭試塊上φ1.0 mm橫孔的檢測(cè)圖像

6 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)應(yīng)用

受?chē)?guó)內(nèi)某核電站委托，采用項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的核電廠用厚壁HDPE熱熔接頭相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)和掃查裝置,對(duì)電站在建廠用水系統(tǒng)32 inch的HDPE管道的10條熱熔接頭進(jìn)行了抽檢。

6.1 檢測(cè)方案

采用型號(hào)為1.5L64-48×12-A2的相控陣探頭及配套水楔塊，按照設(shè)置的檢測(cè)工藝進(jìn)行超聲數(shù)據(jù)采集及分析。采用CIVA或儀器配套采集軟件的聲束仿真模塊進(jìn)行32 inch HDPE管道熱熔接頭相控陣超聲聲束覆蓋范圍仿真，并對(duì)檢測(cè)工藝的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行確認(rèn)。采用32 inch熱熔接頭校準(zhǔn)試塊上不同深度的φ1 mm橫孔制作TCG(距離-波幅)曲線，采用軟件的自補(bǔ)償修正功能建立基準(zhǔn)靈敏度。掃查靈敏度應(yīng)至少在基準(zhǔn)靈敏度的基礎(chǔ)上提高14 dB, 在材料結(jié)構(gòu)噪聲太大無(wú)法實(shí)施檢測(cè)的情況下，掃查靈敏度應(yīng)在基準(zhǔn)靈敏度的基礎(chǔ)上提高6 dB以上。

由于該技術(shù)采用的是充水式水楔塊，超聲耦合效果是實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的關(guān)鍵，檢測(cè)時(shí)可從3個(gè)方面保證耦合效果。首先，調(diào)整掃查裝置的壓緊機(jī)構(gòu)和管徑調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，確保帶曲率的相控陣探頭水楔塊與管件外表面耦合良好并有足夠的壓緊力。其次，對(duì)除鹽水耦合劑進(jìn)行消氣泡處理，確保除鹽水在噴水過(guò)程中無(wú)氣泡附著在探頭和管外壁上。最后，對(duì)HDPE管件外表面的不平整進(jìn)行處理并在掃查前對(duì)管外壁進(jìn)行潤(rùn)濕。

由于HDPE熱熔接頭存在固有的內(nèi)外表面翻邊的情況，所以檢測(cè)過(guò)程中，相控陣超聲檢測(cè)圖像存在明顯的，有規(guī)律性的幾何結(jié)構(gòu)信號(hào)(見(jiàn)圖11)。檢測(cè)過(guò)程中可以觀察該信號(hào)的變化，有效地判斷疑似缺陷信號(hào)。

圖11 熱熔接頭的結(jié)構(gòu)反射信號(hào)

6.2 檢測(cè)結(jié)果

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果表明該技術(shù)和配套裝置可完全滿足現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的要求，主要體現(xiàn)在：① 相控陣探頭與配套充水式楔塊可有效地適應(yīng)HDPE管道不同的表面狀態(tài)，保證超聲信號(hào)的穩(wěn)定性；② 可有效發(fā)現(xiàn)HDPE管道熱熔接頭內(nèi)表面翻邊的固有結(jié)構(gòu)信號(hào)； ③ 開(kāi)發(fā)的相控陣檢測(cè)工藝優(yōu)化了掃查方式，有效地提高了現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的效率。

7 結(jié)語(yǔ)

研究解決了壁厚大于90 mm的HDPE熱熔接頭全體積范圍缺陷檢測(cè)的難題。試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果均表明開(kāi)發(fā)的檢測(cè)技術(shù)可滿足以下指標(biāo)：① 缺陷的深度定位精度最大偏差為4.7 mm，小于5%壁厚；② 缺陷檢測(cè)精度不低于φ0.5 mm當(dāng)量的橫孔(壁厚小于30 mm)和φ1 mm當(dāng)量的橫孔(壁厚大于90 mm)；③ 缺陷信噪比大于20 dB ，檢測(cè)靈敏度余量大于70 dB。