核設(shè)備制造中常規(guī)無損檢測方法的選擇

邢飛龍 孫 建

（中廣核檢測技術(shù)有限公司） （山東核電設(shè)備制造有限公司）

0 前言

AP1000第三代核電技術(shù)與傳統(tǒng)的第二代核電技術(shù)相比，具有安全系數(shù)高、運(yùn)行壽命長、模塊化設(shè)計和施工等特點，因而對核電設(shè)備的制造質(zhì)量提出了更高的要求。核電設(shè)備通常處在高溫、高壓和高劑量輻照的環(huán)境下，為保證核安全，減少設(shè)備的維修和更換，常需要對核設(shè)備進(jìn)行無損檢測。因此，無損檢測在核電設(shè)備的制造、安裝和在役檢查中占有重要地位。

核電設(shè)備由于其標(biāo)準(zhǔn)要求嚴(yán)、人員水平要求高、設(shè)備制造要求嚴(yán)等行業(yè)特殊性，因而造價昂貴。因此作為設(shè)備制造中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)無損檢測，應(yīng)當(dāng)選擇最優(yōu)化方法，這樣既能保障設(shè)備的質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，又能有效地控制成本。

1 無損檢測的定義

GB/T 20737—2006《無損檢測 通用術(shù)語和定義》中對無損檢測的定義：以不損害預(yù)期實用性和可用性的方式來檢查材料或者零部件的技術(shù)方法，其目的是為了探測、定位、測量和評定傷，評價完整性、性質(zhì)和構(gòu)成，測量幾何特性[1]。

民用核設(shè)備無損檢測是無損檢測技術(shù)在核領(lǐng)域的應(yīng)用，是工業(yè)探傷技術(shù)與核安全、核防護(hù)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。通過無損檢測可以降低核設(shè)備的制造成本，提高核設(shè)備抗風(fēng)險的能力。

2 無損檢測方法的分類

目前，山東核電設(shè)備制造有限公司 （以下簡稱公司）在產(chǎn)品制造過程中應(yīng)用的無損檢測方法主要有四種：滲透檢測 （PT）、 磁粉檢測 （MT）、 超聲檢測 （UT）、 射線檢測 （RT）。 無損檢測方法通常又可劃分為表面法和體積法。

2.1 表面法

表面法有滲透檢測和磁粉檢測。

2.1.1 滲透檢測

滲透檢測：利用液體的毛細(xì)作用，將滲透液滲入固體材料表面的開口缺陷內(nèi)，再通過顯像劑的吸附作用，將滲入缺陷的滲透劑吸附到表面而顯示缺陷的存在。

滲透檢測可以檢查金屬和非金屬 （陶瓷、塑料等）工件表面的開口缺陷，諸如裂紋、氣孔、夾渣、疏松、折疊、冷隔等，這些缺陷一般目視難以發(fā)現(xiàn)[2]。產(chǎn)品制造中，滲透檢測主要用于AP1000設(shè)備中CV（鋼制安全殼）鋼板的坡口檢測、環(huán)吊梁坡口檢測、焊縫打底和蓋面檢測、管道對接的蓋面檢測、不銹鋼焊縫打底和蓋面檢測等。

滲透檢測對表面的要求：檢測表面以及相鄰至少25 mm區(qū)域應(yīng)干燥，沒有油污、飛濺、鐵銹、藥皮、油漆等一系列可能堵塞表面開口或者干擾檢測的污染物[3]。

滲透檢測對溫度的要求：CV、核級管道等核級設(shè)備參照ASME規(guī)范進(jìn)行滲透檢測的要求溫度范圍為10～52℃[4]。鋼結(jié)構(gòu)等參照AWS進(jìn)行液體滲透，溫度范圍為10～38℃[5]。檢測過程中，必須將工件的溫度控制在上述兩個溫度范圍之內(nèi)，超出范圍的話，就需要做對比實驗。

2.1.2 磁粉檢測

磁粉檢測原理：鐵磁性材料被磁化以后，由于不連續(xù)的存在，將會使工件表面和近表面的磁感應(yīng)線發(fā)生局部變形而產(chǎn)生漏磁場。漏磁場吸附施加于工件表面的磁粉，在一定的光照條件下形成目視可見的磁痕，從而發(fā)現(xiàn)不連續(xù)部位的位置、形狀、大小、性質(zhì)，進(jìn)而評判其嚴(yán)重程度。

磁粉檢測適用于鐵磁性材料表面和近表面尺寸很小、目視難以發(fā)現(xiàn)的缺陷，諸如裂紋、白點、折疊、疏松、冷隔、氣孔、夾渣等[6]。產(chǎn)品制造過程中，磁粉檢測主要用于結(jié)構(gòu)模塊、設(shè)備模塊以及IHP等部件中的碳鋼表面的檢測。

檢測表面的要求：在磁粉檢測前，被檢測的表面以及相鄰至少25 mm的區(qū)域應(yīng)干燥，無油污、鐵銹、飛濺、焊劑或者其他可能妨礙檢測的外來物[7]。

目前公司的磁粉檢測主要以磁軛法為主，檢測儀器為美國派克B310S型，如圖1所示。

圖1 派克B310S型磁軛尺寸圖

由于磁軛的大小是固定的，磁粉檢測時通常采取兩個近似垂直的方向進(jìn)行磁化，如圖2所示，因此對于一些空間較狹窄的部位的磁粉檢測，在可達(dá)性上不一定滿足要求。此外，靈敏度也會受到影響。圖3所示為某結(jié)構(gòu)模塊的焊縫布置圖，焊縫編號為 W046、W047、W049、W050， 材質(zhì)為 A36，按圖紙要求需要進(jìn)行100%磁粉檢測、10%超聲檢測。由于空間狹窄，磁軛不能進(jìn)行兩次近乎垂直的磁化，靈敏度相對較弱，超聲波探頭的移動距離也會受到一定的影響，在此情況下，表面檢測應(yīng)選擇滲透 （PT） 法。

圖2 焊縫檢測時磁軛放置方向

此外，磁粉檢測的靈敏度還受工件結(jié)構(gòu)形狀、磁化方向、焊縫與母材材質(zhì)差異等因素的影響。

2.1.3 滲透檢測與磁粉檢測的選用原則

圖3 某結(jié)構(gòu)模塊狹小空間典型焊縫

（1）滲透檢測不受被檢工件化學(xué)成分的限制，既可以檢測鐵磁性材料，也可以檢測非鐵磁性材料；磁粉檢測只適用于鐵磁性材料，不能用于奧氏體不銹鋼材料等非鐵磁性材質(zhì)。

（2）滲透檢測只能檢測表面開口缺陷，磁粉檢測可以檢測表面以及近表面 （開口和不開口）的缺陷。

（3）磁軛的大小是固定的，而滲透檢測沒有這一限制，因此滲透檢測的可達(dá)性要高于磁粉檢測。圖4所示為某設(shè)備模塊部件，其中包括編號為W578、W579、W580的焊縫，由于空間限制，磁粉檢測不可達(dá)，而選擇滲透檢測則完全可滿足要求。

圖4 某設(shè)備模塊部件磁粉檢測不可達(dá)的情況

（4）滲透檢測受溫度、滲透時間和顯像時間的限制，檢測效率沒有磁粉檢測高。

（5）滲透檢測可以在無電源的情況下使用。

（6）通常滲透檢測的成本高于磁粉檢測。在鐵磁性材料可達(dá)性以及結(jié)構(gòu)上滿足要求的情況下，可考慮優(yōu)先選用磁粉檢測。如圖5所示，編號W001、W002為某設(shè)備模塊單面坡口焊對接焊縫，材質(zhì)為A36，按照圖紙要求是做100%滲透檢測，但實際的檢件情況完全滿足磁粉檢測的各項要求，因此選用磁粉檢測無疑更高效更經(jīng)濟(jì)。

圖5 某設(shè)備模塊典型焊縫

2.2 體積法

體積法包括超聲檢測和射線檢測。

2.2.1 超聲檢測

通常把頻率高于20000 Hz的機(jī)械波稱為超聲波。利用超聲波的指向性好、聲波能量高、穿透能力強(qiáng)以及能在界面上產(chǎn)生反射、折射、衍射并可進(jìn)行波形轉(zhuǎn)換等特性，可進(jìn)行材料和設(shè)備的無損檢測。在產(chǎn)品制造中，超聲檢測主要用于AP1000設(shè)備中諸如原材料的入廠驗收、CV鋼板坡口邊緣檢查、全熔透焊縫的檢測等。

超聲檢測的工作原理：

（1）聲源發(fā)射超聲波，并使超聲波進(jìn)入工件。

（2）超聲波在工件中傳播，與工件材料以及缺陷相互作用，波的傳播方向或者特性發(fā)生改變。

（3）發(fā)生作用后的反射波被探頭接收。

（4）根據(jù)接收的波的特征，系統(tǒng)進(jìn)行分析和處理，評判工件表面和內(nèi)部是否存在缺陷，并給出缺陷定性定量的結(jié)論。

超聲檢測對工件表面的要求：探頭掃查的表面要干凈，沒有飛濺、污垢、油脂、氧化皮和油漆等雜質(zhì)，掃查區(qū)域應(yīng)光滑平整。工件表面粗糙，不但會使得耦合不良，而且由于表面的凹凸，容易使聲波進(jìn)入工件產(chǎn)生時間差，產(chǎn)生波的干涉，影響檢測結(jié)果。在超聲檢測中，探頭以及檢測工藝的選擇，主要依據(jù)的是工件厚度、坡口形式 （V型、X型、K型等）和材質(zhì)種類 （不銹鋼、碳鋼）等。

探頭掃查距離的要求：當(dāng)采用一次反射法掃查時，探頭移動區(qū)域至少應(yīng)為1.25P；當(dāng)使用直射法掃查時，探頭的移動距離至少為0.75P[8]。探頭的移動區(qū)域如圖6所示。

或

式中P——跨距，mm；

K——探頭K值；

T——母材厚度，mm；

Ψ——探頭的折射角。

圖6 探頭的移動區(qū)域

探頭移動距離的限制，決定了超聲檢測所需的空間，因此超聲檢測也存在一定的可達(dá)性。

2.2.2 射線檢測

射線檢測的原理：射線在穿透物體的過程中會與物質(zhì)發(fā)生吸收以及散射的相互作用，當(dāng)工件內(nèi)部存在缺陷，且缺陷的衰減系數(shù)又不同于工件時，缺陷區(qū)域的穿透射線的強(qiáng)度將會區(qū)別于周邊范圍，在底片上相應(yīng)部位就會出現(xiàn)黑度差，這時借助于觀片燈，就可以進(jìn)行缺陷的評判。在產(chǎn)品檢測中，射線檢測主要用于焊工考試、工藝評定以及CV和IHP相關(guān)部件的檢測。

選擇射線源的首要因素是射線對工件的穿透能力。對X射線來說，穿透能力取決于管電壓，管電壓越高，則穿透厚度越大。表1所示為常用X射線機(jī)的穿透能力。

對于γ射線，穿透能力取決于放射源的種類。表2所示為常用γ射線源適用的厚度范圍。

X射線機(jī)與γ射線源的比較：

（1）X射線機(jī)體積較大，γ射線源尺寸小，可達(dá)性優(yōu)于X射線機(jī)。

（2）X射線機(jī)的能量可調(diào)，對不同厚度的工件可選擇最合適的能量。

（3）γ射線源不需要水和電源，更適合野外作業(yè)。

表1 工業(yè)X射線設(shè)備可透照的鋼的最大厚度[9]

表2 常用γ射線源可透照的鋼厚度范圍 [9]

（4） X射線機(jī)通常的曝光時間為幾分鐘，γ射線源曝光時間長，通常需要幾十分鐘甚至幾小時。

（5）X射線機(jī)有可控開關(guān)，切斷電源后射線消失，可較易實現(xiàn)射線防護(hù)。

透照方式的選擇：

可根據(jù)靈敏度要求合理選擇透照方式。單壁透照的靈敏度要高于雙壁透照，在二者都能使用的情況下，優(yōu)先考慮前者。

可依據(jù)檢出缺陷的要求，合理地選擇透照方式。源在外透照比源在內(nèi)對容器內(nèi)壁表面的裂紋有更高的檢出率；雙壁透照的直透法比斜透法更容易檢出未焊透或根部未融合缺陷。

射線檢測與超聲檢測的選用原則：

（1）超聲波穿透能力強(qiáng)，可檢測的工件厚度較大。射線檢測當(dāng)工件厚度較大時，曝光時間很長，且底片模糊，細(xì)小缺陷難以辨認(rèn)。

（2）超聲檢測的應(yīng)用范圍廣。射線檢測不適宜對板材、棒材、鍛件進(jìn)行檢測。

（3）射線檢測能提供直觀的底片，可追溯，做到有據(jù)可查。超聲檢測直觀性差，對檢測人員的操作技術(shù)要求較高。

（4）超聲檢測對面積型缺陷 （裂紋、未融合、分層等）精度較高，能對缺陷深度進(jìn)行定位，但對缺陷的定性比較困難。射線檢測對體積型缺陷 （氣孔、夾渣等）較敏感，缺陷的形狀、尺寸直觀，可通過膠片圖像對缺陷進(jìn)行定性。

（5）與超聲檢測相比，射線檢測成本高、效率低，需要進(jìn)行輻射防護(hù)，現(xiàn)場檢測的便利性不如超聲檢測。

3 結(jié)論

無論采用何種檢測方法，都有其一定的適用范圍和局限性。對于同一工件檢測，不同檢測方法的靈敏度和可靠性不盡相同，不能期望只采用一種檢測方法或依據(jù)某個檢測參數(shù)就完全可以確定工件中的全部缺陷。應(yīng)在遵循相關(guān)技術(shù)文件的基礎(chǔ)上，根據(jù)被檢對象的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、制造方法、使用環(huán)境以及可能出現(xiàn)缺陷的部位、缺陷的類型等因素選擇最合適的無損檢測方法，這樣才能對缺陷做出可靠的判斷[10]。此外，在可達(dá)性、靈敏度滿足要求的情況下，應(yīng)優(yōu)先選擇成本低廉、效率高的檢測方法。

[1] GB/T 20737—2006.無損檢測 通用術(shù)語和定義 [S].

[2] 胡學(xué)知.滲透檢測 [M].北京：中國勞動社會保障出版社，2007.

[3] WP-NDE-008 REV.4.模塊液體滲透檢測程序 [Z].

[4] 美國ASME鍋爐壓力容器規(guī)范 （第五卷） [S].

[5] 美國AWS鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范 [S].

[6] 宋志哲.磁粉檢測 [M].北京：中國勞動社會保障出版社，2007.

[7] WP-NDE-009 REV.3.模塊磁粉檢測程序 [Z].

[8] 鄭暉.超聲檢測 [M].北京：中國勞動社會保障出版社， 2005：278.

[9] 強(qiáng)天鵬.射線檢測 [M].北京：中國勞動社會保障出版社， 2007：99.

[10] 鄒剛.淺談壓力容器無損檢測技術(shù)的應(yīng)用 [J].科技向?qū)В?2012(3)： 354.