中國先進壓水堆核電站控制棒驅動機構耐壓殼下部焊縫的自動超聲檢測

余　哲,李　明,陳懷東,孫加偉,王偉強,湯建幫

(中廣核檢測技術有限公司， 蘇州 215021)

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中國先進壓水堆核電站控制棒驅動機構耐壓殼下部焊縫的自動超聲檢測

余哲,李明,陳懷東,孫加偉,王偉強,湯建幫

(中廣核檢測技術有限公司， 蘇州 215021)

介紹了三代機組CEPR(中國先進壓水堆)核電站控制棒驅動機構(CRDM)耐壓殼焊縫的結構，針對被檢焊縫的材料組織特性，提出了控制棒驅動機構耐壓殼下部焊縫自動超聲檢測工藝要求，并進行了驗證試驗。結果表明：自動超聲檢測能夠有效地檢測出焊縫中高度大于3 mm的缺陷。

核電站；CRDM焊縫；奧氏體不銹鋼；自動超聲檢測

核電站控制棒驅動機構(CRDM)是關系到反應堆正常運行和安全可靠的關鍵設備之一，其由承壓殼體、電磁部件、運動部件、驅動桿和步長位置指示器組成。其中承壓殼體異種金屬焊縫為CRDM中的敏感部位。由于該部位長期處于高溫、高壓、高輻射的環境中，容易產生腐蝕、裂紋等缺陷，因此核電站在役檢查規范和機組檢查大綱中，對控制棒驅動機構殼體異種金屬焊縫的無損檢測都進行了強制性要求。筆者通過對CRDM焊縫材料的研究,結合聲場仿真技術和試驗數據分析,得出自動超聲檢測能夠有效檢出焊縫中高度大于3 mm缺陷的結論。

1　檢測對象

1.1檢測對象結構

CEPR(中國先進壓水堆)機組CRDM與接管座采用法蘭連接方式，并在耐壓殼下部引入對接焊縫。按照檢查大綱的要求，役前檢查應從CRDM耐壓殼外部對其下部焊縫進行自動超聲檢測，被檢對象結構示意見圖1,2。

圖1　CRDM整體結構示意

圖2　CRDM焊縫坡口示意

如圖1所示，CRDM由兩段不同直徑殼體組成，中部及下部殼體規格為:外徑φ147 mm，長811 mm。CRDM耐壓殼與接管座通過法蘭連接方式固定，整根CRDM耐壓殼有四條焊縫，其中被檢焊縫為固定法蘭與馬氏體不銹鋼殼體之間的異種金屬焊縫，位于CRDM耐壓殼的下部，焊縫厚度為13.6 mm，見圖2。超聲檢測區域為焊縫中心線兩側各20 mm 的區域，檢查深度范圍是殼體內表面[1]。

1.2檢測對象材料組織特性

CEPR機組控制棒驅動機構密封殼下部異種金屬焊縫的兩側母材分別為X3CrNiMo13.4和Z6 CN Nb18.11，焊縫填充金屬為鎳基ER NiCr-3焊條。對CRDM焊縫、熔合線、熱影響區以及母材部位分別進行金相分析，結果如圖3所示,并依據相關標準對晶粒度進行了評定，結果如下：

圖3　不同部位的金相分析結果

(1) 馬氏體鋼母材金相組織為板條馬氏體，晶粒度4～5級，未見明顯異常組織。

(2) 奧氏體鋼母材金相組織為奧氏體，有孿晶；存在嚴重的混晶現象，細晶7～8級，粗晶1級。

(3) 熱影響區晶粒粗大，晶粒度為1～2級。

(4) 鎳基合金焊縫組織為粗大的鑄態組織，晶粒度1級;熔合線處組織為柱狀晶，方向與熔合線垂直。

1.3CRDM焊縫模擬缺陷試塊

CRDM模擬缺陷試塊尺寸與實際產品一致，試樣采用與CEPR核電站機組控制棒驅動機構下部耐壓殼相同的材料，焊縫上部為馬氏體不銹鋼，焊縫下部為奧氏體不銹鋼，待檢焊縫處耐壓殼內外徑分別為φ120 mm和φ147 mm。分別在馬氏體鋼母材區、焊縫、奧氏體鋼母材區各加工一組深3 mm×10 mm(高×長)、5 mm×10 mm(高×長)的人工缺陷。CRDM焊縫模擬缺陷試塊外觀示意見圖4。

圖4　CRDM焊縫模擬缺陷試塊外觀

2　CRDM自動超聲檢測工藝

自動超聲檢測項目的開發，應從多角度考慮相關因素對檢測的影響，如被檢部件結構、被檢部件空間位置環境、機械設計精度、超聲檢測方法、耦合方式等。就超聲檢測工藝而言，無論是自動還是手動超聲檢測，再或是相控陣、多通道超聲檢測方法，確定超聲檢測工藝時都應考慮以下內容：超聲儀器的選擇;超聲探頭的類型選擇;檢測方向的要求;掃查運動方式;檢測靈敏度要求;缺陷的檢出率與定量要求等。2.1超聲檢測設備選擇

考慮核電站設備安全的重要性以及檢測環境的約束，CRDM焊縫超聲檢測應采用自動超聲檢測技術。相比于傳統的手動超聲檢測技術，自動超聲檢測具有以下優勢。

(1) 自動超聲檢測技術通常以機械臂為載體帶動超聲探頭運動，相對于手動檢測而言，掃查軌跡更準確，大大降低了人為因素導致的漏檢情況的發生，故檢測結果的可靠性大大增加。

(2) 自動超聲檢測機械裝置的重復定位精度較高,通常在2～3 mm，多次檢測數據結果具有較好的重復性。

(3) 通常自動超聲檢測都帶有一套數字化超聲采集分析設備，該設備具有數據存儲功能，能永久存儲檢測數據，并且可利用采集分析軟件對數據進行二維、三維成像，使采集結果更加直觀，利于分析，提高缺陷判斷的準確度[2]。

2.2超聲探頭選擇超聲探頭有發射和接收超聲信號的作用，其參數的選擇會對檢測結果產生重要的影響。針對CRDM耐壓殼異種金屬焊縫的超聲檢測特點，探頭的選擇應考慮被檢對象結構(外形尺寸、坡口形式、厚度掃查面可達性)、材料類型、聲學特性等相關因素的影響。

(1) 探頭類型的選擇。聲波的衰減與波型有關，縱波探頭聲波的衰減要比橫波探頭小一個數量級，因此通常在粗晶材料的超聲檢測中使用縱波探頭，如：鎳基合金的異種金屬焊縫、不銹鋼材料的焊縫。其次，CRDM耐壓殼1/2焊縫處僅為13.6 mm,厚度較小，考慮到探頭近場區的影響，對于厚度較小的焊縫，應采用雙晶聚焦探頭。該類型探頭不僅可以大大減小近場區的范圍，而且可使特定區域的波束截面積變小，減小晶粒散射的作用面積，從而提高特定區域的靈敏度。

(2) 探頭角度的選取主要從被檢區域覆蓋、檢測信噪比、焊縫坡口形式以及常見缺陷擴展方向等幾方面綜合考慮。原則上探頭聲束入射角度與缺陷擴展方向夾角越大越好。通常選擇幾個不同的探頭角度組合使用，常用角度有33°,45°,60°,70°。

(3) 探頭常用頻率為1 MHz～5 MHz間，最佳頻率的選擇往往由晶粒尺寸和波長決定，頻率高時，波長短，聲束指向性好，擴散角小，能量集中，因而發現小缺陷的能力強，分辯力好，缺陷定位準確。但高頻率超聲波在材料中衰減大，穿透能力差;頻率低時，則相反。

(4) 探頭晶片的選擇需要根據檢測靈敏度的要求和現場實施情況綜合考慮，對于CRDM待檢1/2焊縫，CRDM耐壓殼的外徑尺寸為147.3 mm，在保證探頭最遠距離處的檢測靈敏度情況下，探頭晶片應越小越好，小晶片不僅能使整個探頭的外殼縮小，而且也能改善探頭與掃查曲面的耦合。

綜合以上因素，初步選定探頭分別為2 MHz 45°、3 MHz 60°、3 MHz 33°的雙晶縱波聚焦探頭。

使用CIVA軟件對選定探頭進行仿真。探頭的聲場仿真分析結果如圖5所示。仿真數據分析結果表明:2 MHz 45°FD12Ax、3 MHz 60°FD12Ax、2 MHz 45°FD12Tg、3 MHz 33°FD12Tg探頭的極大聲壓值(-6 dB)深度分別在2.8～14.2 mm、1.6～13.8 mm、2.4～14.8 mm、5.2～17 mm之間。上述探頭在-6 dB聲壓范圍內可以覆蓋被檢區域全厚度范圍。

圖5　不同探頭聲場分布示意

2.3探頭掃查方向及其掃查方式自動超聲檢測時，探頭應盡可能從不同的方向進行掃查，根據RCC-M 《壓水堆核島機械設備設計和建造規格》標準要求，規定應至少從4個方向進行檢查，即探頭聲束垂直于焊縫方向(y+、y-)，探頭聲束平行于焊縫方向(x+、x-),具體掃查方式見圖6。

圖6　超聲掃查方式示意

3　檢測結果與分析

使用多通道超聲設備與上述探頭對CRDM焊縫模擬缺陷試塊進行超聲數據采集，參照RSE-M 《壓水堆核電廠核島機械設備在役檢查規則》標準A4221.4節中所述:所有回波幅值大于或等于基準靈敏度25%(φ2 mm橫孔-12 dB)的顯示都應記錄。對超過記錄閾值的信號進行長度測量和幅值記錄，并逐一進行分析。

3.145°探頭軸向掃查數據分析

通過對45°探頭軸向掃查數據分析，試塊中預制的6個周向缺陷均被有效檢出。其中缺陷的檢出能力從小到大依次為馬氏體鋼母材、奧氏體鋼母材、焊縫。缺陷長度測量誤差在-1～+2 mm之間，缺陷的高度無法準確測量。圖7為其人工缺陷超聲檢測結果示意，圖8為N7缺陷信號高度測量示意。表1為45°探頭軸向掃查數據匯總。

圖7　45°探頭軸向掃查人工缺陷超聲檢測結果示意

圖8　N7缺陷信號高度測量示意

缺陷編號周向缺陷的特征探頭45°FD12y+深/mm長/mm材料幅值/dB長度/mm高度/mm檢測靈敏度N1310-1011-?2mm橫孔-12dBN7510馬氏體鋼-393.3?2mm橫孔-12dBN3310-4.512-?2mm橫孔-12dBN9510奧氏體鋼-1113.1?2mm橫孔-12dBN5310-0.510-?2mm橫孔-12dBN11510鎳基合金焊縫+110-?2mm橫孔-12dB

3.260°探頭軸向掃查數據分析通過對60°探頭軸向掃查數據分析，試塊中預制的6個周向缺陷均被有效檢出。其中馬氏體鋼母材、鎳基合金焊縫、奧氏體鋼母材缺陷的檢出能力基本相當。缺陷長度測量誤差在0～2 mm之間，缺陷的高度測量誤差在-0.6～+1.3 mm之間。圖9為其人工缺陷超聲檢測結果示意，圖10為N7缺陷信號高度測量結果示意。表2為60°探頭軸向掃查數據匯總。

表2　60°探頭軸向掃查數據匯總

圖9　60°探頭軸向掃查焊縫人工缺陷超聲檢測結果示意

圖10　N7缺陷信號高度測量示意

3.345°探頭周向掃查數據分析

通過對45°探頭周向掃查數據分析，試塊中預制的6個軸向缺陷均被有效檢出。其中焊縫缺陷的檢出能力最低，馬氏體鋼母材、奧氏體鋼母材缺陷的檢出能力相當。缺陷長度測量誤差在0～3 mm之間，缺陷的高度測量誤差在-0.6～-0.1 mm之間。圖11為其人工缺陷超聲檢測結果示意，圖12為N10缺陷信號高度測量示意。表3為45°探頭周向掃查數據匯總。

圖11　45°探頭周向掃查人工缺陷超聲檢測結果示意

圖12　N10缺陷信號高度測量示意

3.433°探頭周向掃查數據分析通過對33°探頭周向掃查數據分析，試塊中預制的6個軸向缺陷均被有效檢出。其中焊縫缺陷的檢出能力最低，馬氏體鋼母材、奧氏體鋼母材缺陷的檢出能力相當。缺陷長度測量誤差在0～4 mm之間，缺陷的高度測量誤差在-1.6～-1.1 mm之間。圖13為其人工缺陷超聲檢測結果示意，圖14為N10缺陷信號高度測量示意。表4為其周向掃查數據匯總表。

表3　45°探頭周向掃查數據匯總

表4　33°探頭周向掃查數據匯總

圖13　33°探頭周向掃查人工缺陷超聲檢測結果示意

圖14　N10缺陷信號高度測量示意

4　結論

(1) CRDM異種金屬焊縫不同區域晶粒的取向以及晶粒的大小均存在差別,超聲檢測靈敏度大小依次為奧氏體鋼母材>馬氏體鋼>焊縫。

(2) 對于CRDM異種金屬焊縫的檢測盡可能采用大角度探頭進行檢測,軸向檢測60°探頭比45°探頭效果好,周向檢測45°探頭比33°探頭效果好。

(3) 在RCC-M標準要求的靈敏度下，對于軸向、周向缺陷的檢測能力高，對于高度大于3 mm的缺陷，高度的定量檢測結果較為準確。

[1]RSE-MIn-service inspection rules for the mechanical components of PWR nuclear islands[S].

[2]鄭暉,林樹青. 超聲檢測[M]. 北京:中國勞動社會保障出版社, 2008.

Automatic Ultrasonic Testing for Pressure Housings Weld of the Control Rod Drive Mechanism in CEPR Nuclear Power Plant

YU Zhe, LI Ming, CHEN Huai-dong, SUN Jia-wei, WANG Wei-qiang, TANG Jian-bang

(CGNPC Inspection Technology Co., Ltd., Suzhou 215021, China)

This paper introduces the structure of the control rod drive mechanism pressure housings welds (CRDM) of the third generation CEPR unit. In view of the material and microstructure of the weld, the requirement of the lower weld of the control rod drive mechanism for ultrasonic testing technology was put forward and experiment to verify the technology was designed. The results showed that the ultrasonic testing method could detect a defect of its height being equal to or greater than 3 mm.

Nuclear power plant; CRDM weld; Austenitic stainless steel; Automatic ultrasonic inspection

2015-10-13

余哲(1982-)，男，本科，工程師，主要從事自動化超聲檢驗技術開發，核電站役前/在役無損檢測技術服務工作。

余哲,E-mail: yuzheaxlf@126.com。

10.11973/wsjc201607003

TG115.28

A

1000-6656(2016)07-0011-06