核電站壓力容器用大型鍛件超聲波檢測標準對比

吳遠建

(中國第一重型機械股份公司重型裝備事業部, 黑龍江161042)

盡管日本福島特大核電事故使發展核電的腳步有所放緩，但具備安全、高效、清潔等特性的核能在能源緊缺的中國無疑具有明顯的發展優勢，中國仍將繼續發展核電。因此保證核電站一回路關鍵設備，特別是反應堆壓力容器用鍛件的制造質量意義重大。反應堆壓力容器多采用鍛焊結構，其鍛件多使用具有良好可焊性、抗輻照性和較好沖擊性的508-III鋼或16MND5鋼制造。制造過程中存在的缺陷主要有兩種：一是冶煉和澆注過程中形成的縮孔、疏松、偏析和夾雜物；另一種是鍛造和熱處理過程中形成的裂紋、白點、晶粒粗大、重皮和黑皮等。一般在調質處理前，粗加工后和調質熱處理后，精加工前對上述鍛件進行超聲檢測，但相關的國外標準在檢測及驗收上存在較多的差異，筆者對此進行了分析討論。

1 相關檢測標準和檢測規范

我單位執行的反應堆壓力容器檢測標準主要有以下兩個：

(1)美國ASME鍋爐及壓力容器規范中的第II卷、第III卷和第V卷

第II卷A篇鐵基材料中SA-508“壓力容器用真空處理的淬火加回火碳鋼和合金鋼”及SA-788“鋼鍛件技術條件通用要求”規定了超聲檢測程序性要求和驗收標準。第III卷第一冊NB分卷一級設備中NB2540“鍛件及棒材的檢驗及修補”規定了需要進行的檢驗程序及驗收標準。第V卷中規定了超聲檢測方法的通用要求，即第五章“材料超聲檢測方法”和SA-388“大型鋼鍛件超聲檢測標準操作方法”。

(2)法國RCC-M壓水堆核島機械設備設計和建造規則中的第II卷和第III卷

第 II 卷 M篇“材料”中規定了超聲檢測要求和驗收標準(引用標準：NFA04-308 鋼鍛件超聲檢測)。第 III 卷 MC篇“檢驗方法”的MC2000“超聲檢驗”和MC8000“無損檢驗人員的資格和證書”中對人員和檢測方法作了規定。

RCC-M中所采用的設計規則借鑒了“ASME鍋爐及壓力容器規范”第三卷核動力裝置設備(NB、NC、ND、NF、NG)各篇的有關內容，同時吸收了法國在工業發展實踐中所取得的成果。RCC-M的制造與檢驗規則主要是法國本身核工業實踐經驗的具體體現。在無損檢驗方面，RCC-M無損檢驗的項目比ASME-III要求的更多，范圍也更廣。

2 規范分析與比較

2.1 對檢驗人員的要求

作為國內制造的鍛件，無損檢驗人員都須符合HAF602“民用核安全設備無損檢驗人員資格管理規定”中的要求。

RCCM 中MC8010“無損檢驗人員資格和資格證書”中規定：無損檢驗人員資格和資格證書按照標準NF EN 473的規定。在歐洲以外，由一個獨立的機構，按照一等同的經過承包商認可的相應標準頒發證書。即按照HAF602取得無損檢測證書后即可實施檢測。

ASME規范中要求按照SNT-TC-1A的規定進行廠內資格評定和頒發證書。即檢測人員取得HAF602證書后，還需按照SNT-TC-1A要求取得廠內資格評定(包括本企業設備、產品和規程等方面考試)，同時只有III級人員才可編制超聲檢測規程和超聲檢測工藝卡。

2.2 儀器和探頭

RCCM要求探傷儀應符合EN12668-1的要求，探頭符合EN12668-2的要求，組合性能應符合EN12668-3的要求。對設備制造商和使用方也都做了詳細的要求，對新購進的超聲波探傷儀在設備驗收時，經過大修、中修后及長時間未使用的儀器開始使用前，已投入正常使用的超聲波探傷儀至少每年必須重新校準一次。任何指標不合格的儀器不允許在產品檢測中使用。

ASME 主要對垂直線性和波幅控制線性進行了規定，在示波屏滿幅度20%～80%范圍內，超聲儀應提供誤差不超過滿屏±5%的垂直顯示。超聲儀應有波幅控制旋鈕，在其有用范圍內準確到標稱幅度比值的±10%，以便能測量到超出示波屏垂直線性范圍的信號。在每次持續使用周期開始或不超過3 個月(取小值)，應對垂直線性和幅度控制線性進行評定。標準中同時規定了測量方法。

ASME中沒有對設備水平線性的要求，RCCM中規定水平線性要求為小于等于2%。國產化后AP1000項目中，設計方對儀器水平線性也作了此項規定。

ASME直射波檢驗盡可能使用公稱頻率為2.25 MHz 的直探頭，除非因壁厚、外/內徑比值或因幾何形狀無法進行校準外，一般均采用1 MHz 的45°斜探頭。

RCCM中直探頭盡可能使用4 MHz 探頭，斜探頭盡可能使用2 MHz 45°探頭。

由一些專業文獻可知，頻率越高，可發現的缺陷越小；脈沖寬度越小，分辨力也就越高，有利于區分相鄰缺陷且缺陷定位精度高。從ASME使用的探頭頻率較低中可看出RCCM對超聲波檢測的要求高一些。

2.3 掃查速度及掃查覆蓋率

ASME要求掃查速度不得超過150 mm/s。掃查覆蓋率范圍至少為換能器(壓電晶體)垂直于掃查方向尺寸的10%。

RCCM要求掃查速度不大于100 mm/s。掃查覆蓋率為換能器直徑的20%以上。

可以看出ASME對掃查速度和掃查覆蓋率的控制低于RCCM標準。

2.4 盲區

RCCM規定，當需要時，記下被檢材料厚度范圍內的盲區(以mm 表示)，該厚度通常用如下圖所示的在標準狀態下相應于反射體距掃查面的最遠距離L來表示。對于直探頭的盲區需要增加雙晶探頭進行檢測。

O—相應于探頭發射點(時基O) HE—屏高 L—盲區長圖1 盲區測量圖Figure 1 The measuring chart of blind area

ASME 中沒有對盲區的說明。筆者認為原因主要為：(1)ASME當量的要求為?6.4 mm，相對較大，靈敏度較低，始脈沖較小；(2)由于相同大小的缺陷，越靠近探頭，其反射回波越高，對底波的影響也越大；(3)很多近表面缺陷將使始脈沖變寬，或底波后面將有回波顯示；(4)增加斜波束檢測，可有效對近表面缺陷進行檢測。

2.5 檢測時機

各標準都要求應在性能熱處理之后形狀簡單時進行超聲檢測。對于制造廠為盡早發現鍛件中的缺陷，一般在調質前進行一序內控超聲檢測。

2.6 檢測方法及試塊

2.6.1 直射波檢驗

RCCM 中MC2300鍛件的超聲檢測中，直探頭檢測使用距離波幅曲線(DGS)方法。無需制作試塊，減少了很多制造成本。

ASME規定使用底面反射法和試塊法確定檢測靈敏度。試塊為一系列?6.4 mm的平底孔試塊。

2.6.2 斜射波檢驗

RCCM規定斜射波檢測使用距離波幅曲線(DAC)方法，當e(厚度)小于100 mm時，用刻槽試塊；當e大于等于100 mm時，用側邊?2 mm橫孔試塊，可在側邊鉆不同深度的孔。

ASME 規定標準試塊應當和它所代表的鍛件有相同的標稱成分、熱處理參數和厚度。校準試塊的表面粗糙度應與被檢工件相似，但不能更優。如果是同一批鍛件，則可以把其中的一個鍛件作為校準試塊。內壁切槽(矩形或60°V型槽)深度最大應為標稱厚度的3%或6 mm，選用其中的較小值，其長度約為25 mm，而厚度則取決于被檢鍛件的厚度。如有可能，最好是在工件的余量或工件的試樣上開槽，幾乎每個鍛件需對應一塊試塊，需制作大量試塊。

圖2 伸展缺陷L>DPFigure 2 Extensional defect

圖3 點狀缺陷L≤DPFigure 3 Spot defect

圖4 孤立的點狀缺陷L≤DP且d>40 mmFigure 4 Separate spot defect

圖5 密集的點狀缺陷L≤DP且d≤40 mmFigure 5 Clustered spot defect

2.7 缺陷分類

RCCM引用標準“鋼鍛件超聲檢測(NFA04-308-1998)”中對點狀缺陷、孤立點狀缺陷、伸展缺陷或點狀密集缺陷的定義，具體如圖2～圖5所示：

(1)當至少有一個常規尺寸大于聲束在缺陷深度處的寬度時，缺陷被定義為伸展缺陷(見圖2)。

(2)當缺陷的所有常規尺寸最大只等于聲束在缺陷深度處的寬度時，缺陷被定義為點狀缺陷(見圖3)。

(3)在工件中，當相應于缺陷顯示最大波幅的點之間的距離d大于40 mm時，點狀缺陷被認為是孤立的點狀缺陷(見圖4)。

(4)在工件中，當相應于缺陷顯示最大波幅的點之間的距離d小于等于40 mm時，點狀缺陷被認為是密集的點狀缺陷(見圖5)。

ASME標準中除對容器殼體專用的垂直射束檢驗標準(見驗收標準欄)中單個缺陷和密集缺陷的驗收進行詳細規定外，其它沒有對缺陷進行分類。規定較籠統，具體操作時還應由合同雙方確定相關內容。相比ASME標準，RCCM標準的執行性更好一些。

2.8 驗收標準

2.8.1 直射波檢測

ASME中NB2542.2 驗收標準分為一般規定和容器殼體特殊規定兩種。

(1)一般產品垂直射束檢驗標準

用垂直射束檢驗時，若顯示一個或多個缺陷反射波，且反射底波完全消失，而反射底波的消失與鍛件的幾何形狀無關，則鍛件不合格。當反射底波高度下降到熒光屏總標定高度的5%以下時，可認為反射底波完全消失。

(2)容器殼體專用的垂直射束檢驗標準

1)用徑向垂直射束檢驗法檢驗按細晶粒熔煉工藝制造的用于容器殼體的環形鍛件時，若檢驗結果表明存在一個或多個導致連續反射底波完全消失的反射波，并導致在同一個平面上有連續顯示，且顯示部位不能被直徑為3英寸(75 mm)或壁厚的1/2(取兩者中的較大值)的圓所包圍，則鍛件不合格。

2)此外，若2個或2個以上的尺寸小于1)項規定的缺陷，則為不合格缺陷。除非缺陷間的最短距離等于較大缺陷的最大直徑，或者可用上述1)中規定的圓把這些缺陷部位包圍起來。

ASME中SA-508補充要求S2中規定如下:

不允許有大于等于規定的參考試塊中平底孔信號的顯示。

對于檢測截面厚度小于等于305 mm的鍛件，參考試塊應包含一個?6.4 mm的平底孔；對于大于305 mm小于等于457 mm的鍛件，孔的直徑應該為9.5 mm;對于大于457 mm小于等于610 mm的鍛件，孔的直徑為13 mm。

RCCM引用NFA04-308-1988中驗收標準，除堆芯筒體(單個不大于?3 mm，其它不大于?2 mm)外，其它鍛件驗收標準為：單個不大于?5 mm，其它不大于?3 mm。

RCCM中對于底波衰減至5%以下的也不予驗收。與ASME中反射底波完全消失一致。

分析上述規定可得出，對于直射波檢測，ASME的驗收規定主要是根據缺陷是否使底波消失，以及使底波消失的缺陷密集情況和當量法來評價，評價方式基本與RCCM標準相似。但對于當量評定中，RCCM比ASME相對嚴格一些。

2.8.2 斜射束檢驗標準

圖6 橫孔與V槽波幅對比曲線Figure 6 Amplitude comparative curves between cross bore and V shaped groove

圖7 橫孔、矩形槽、V槽波幅對比曲線Figure 7 Amplitude comparative curves of cross bore, rectangular groove and V shaped groove

ASME標準中NB2542規定，用斜射束檢驗時，若檢驗結果表明鍛件有一個或更多的缺陷，顯示的波幅超過適當標定的缺口顯示的波幅，則此鍛件不合格。

RCCM驗收標準為：凡缺陷波幅大于DAC曲線，均不予驗收。

對斜射橫波檢測，ASME 僅采用切槽進行靈敏度調整和評定，而RCCM 對壁厚大于 100 mm 的鍛件采用橫孔進行靈敏度調整和顯示評定。

圖6和圖7為不同深度V槽和?2 mm橫孔距離波幅曲線的對比，從圖中可以看出，ASME標準對于產品近表面缺陷的控制要嚴于RCCM標準(因ASME標準中規定，第一個槽反射波前面的DAC線為水平線)，而RCCM規定同一鍛件各區域深度所用評定反射孔為相同大小。ASME標準體現了缺陷越靠近表面，控制越嚴格，越遠離表面，要求越低的原則，這也與鍛件的受力狀態相符。

3 結論

目前，我國正在進行核電鍛件制造的國產化工作，在制定核電鍛件無損檢測技術條件時，要充分借鑒ASME標準和RCCM標準中的相關規定，并注意以下問題：

(1)經驗證明，應加強工件近表面及焊縫區的質量控制，此區域為鍛件的重要區域，建議對此部位的超聲檢測及驗收進行特殊規定。

(2)建議設計方編制國內適用的無損檢測技術條件(包括檢驗方法和驗收標準)，由于ASME規范中很多的驗收是最低限度的要求，建議結合我國核電鍛件的制造能力，合理制定驗收標準。

(3)在制定相應標準時還應考慮衰減的測量及評價。

(4)在檢測要求中，建議盡量少制作專用試塊，斜波束試塊可借鑒RCCM標準要求，使用橫孔試塊。同時應考慮對于帶曲率工件用平面試塊校準靈敏度時的靈敏度補償工作。

[1] NF A 04-308-1988 鋼鍛件超聲波檢測[S].

[2] ASME鍋爐及壓力容器規范，第II卷、第III卷、第V卷[S].

[3] RCC-M 壓水堆核島機械設備設計和建造規則[S].

[4] 鐘志民，畢炳榮.壓水堆承壓容器厚大鍛件超聲檢測標準的比較 [J].無損檢測，2007，29(4).