CPR1000型控制棒驅動機構Ω焊縫的超聲波檢測

袁書現,李　俊,林忠元,洪茂成,吳金鋒

(1.中廣核檢測技術有限公司, 蘇州 215021；2.江蘇國信靖江發電有限公司， 靖江 214500)

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CPR1000型控制棒驅動機構Ω焊縫的超聲波檢測

袁書現1,李俊2,林忠元1,洪茂成1,吳金鋒1

(1.中廣核檢測技術有限公司, 蘇州 215021；2.江蘇國信靖江發電有限公司， 靖江 214500)

Ω焊縫是CPR1000機組控制棒驅動機構(CRDM)上連接不同部位的不銹鋼金屬焊縫,其完整程度對于CRDM的良好運行起著十分重要的作用。闡述了針對Ω焊縫研發的自動化超聲波水浸聚焦技術，確定了包括檢測波型、探頭頻率、晶片尺寸及水層厚度等檢測參數,并通過實際試塊的檢測試驗，表明該技術可實現對CPR1000機組CRDM Ω焊縫的質量檢測。

控制棒驅動機構;水浸;超聲檢驗

CPR1000機組的控制棒驅動機構(簡稱CRDM，結構見圖1)是一種步進式的提升機構，用來控制棒組件在堆芯內的提起、插入或保持在適當位置;其在發生快速停堆或事故工況時得到停堆信號后即能自動脫開控制棒組件，并使控制棒組件依靠自身重量快速插入堆芯，以保證堆芯運行安全。Ω焊縫是連接CRDM上不同部位的不銹鋼金屬焊縫，CPR1000機組具有上部、中部和下部三處Ω焊縫(見圖1)，焊縫設計壁厚為2.3 mm，其對于CRDM的完整性和良好運行起著十分重要的作用。

圖1　控制棒驅動機構結構及Ω焊縫示意

Ω焊縫形狀特殊，具有半徑小、曲率大、管壁薄等特點;焊縫多采用手工電弧焊而成，因此也具有成型差，母材焊縫兩側組織差異較大的特點，焊接過程中可能會產生裂紋、未熔合、夾渣和氣孔等制造缺陷。這些制造過程中的缺陷，在長期高溫、高壓、高輻照的在役條件下，可能會發展成為應力腐蝕裂紋(SCC)而導致泄漏事件。自1984年國外出現首例該類型焊縫泄漏的事故后，國內外核電站已接連出現了多例焊縫區和相應熱影響區的泄漏事故。焊縫役前和在役階段產生的泄漏示例見圖2。

圖2　Ω焊縫在役前和在役階段發生的泄漏示例

除上述特點外，Ω焊縫檢測的空間也非常有限，以中部焊縫為例，兩焊縫可供檢查的有效間距約為400 mm，使得采用傳統手動接觸式超聲方法較難實現對其檢測。對于此類薄壁部件，采用水浸方式進行檢測較有優勢，為此，筆者開展了對Ω焊縫進行水浸聚焦自動化超聲檢驗的試驗，以提高焊縫缺陷的檢出率。

1　檢測對象

1.1檢驗對象及范圍

圖3　中部Ω焊縫結構尺寸及檢查范圍示意

檢測對象為CPR1000機組CRDM中的上部、中部和下部Ω焊縫(見圖1)，中部Ω焊縫結構尺寸及檢查范圍示意如圖3所示。

由于當前沒有標準針對CRDM中Ω焊縫的檢測范圍做明確說明，筆者根據已經產生的缺陷示例，明確該焊縫的具體檢查范圍包含焊縫、熱影響區及相應母材過渡段(見圖3(a)中紅色圖框和圖3(b))。當前國內CPR1000機組CRDM Ω焊縫母材材料一般為Z2CN19-10(控氮)、填充金屬為SFA5.9 ER308L/ER316L；上部和中部焊縫采用手動電弧焊在制造廠完成，對余高不進行處理，下部焊縫采用自動焊在現場完成。

中部和下部焊縫所處位置環境較上部復雜，進行超聲波檢查難度也大為增加，筆者僅選取中部焊縫作為實例進行介紹。

1.2焊縫組織結構中部焊縫采用手工電弧焊接而成，筆者分析了焊縫內部組織結構(見圖4)，為超聲波檢測法選用技術參數提供參考信息，由圖4可見,其內部組織結構分界較為明顯和復雜，焊縫母材組織為奧氏體+孿晶，焊縫內部晶粒較粗大,為柱狀奧氏體晶粒，焊縫和母材間熱影響區界限分明，兩側晶粒組織差異性較大,對超聲波聲束的入射和傳播會造成較大的影響。

圖4　中部Ω焊縫組織結構

2　檢查用探頭參數選取

2.1探頭規格參數設計

選取的探頭，其主要參數包含檢測頻率和晶片形狀尺寸等。由于焊縫厚度只有2.3 mm，為薄壁焊縫，根據ASME規范中有關相似內容要求，需檢出壁厚10%深度的缺陷(即要保證能檢測出0.23 mm的缺陷)，探頭頻率至少應為10 MHz。故筆者選定頻率為11 MHz，又考慮檢查空間有限，選取晶片尺寸為6 mm。

2.2水浸聚焦原理及特點

超聲波水浸法是在探頭與工件之間填充一定厚度的水層，聲波先經過水層，而后再入射到試件中的一種非接觸式超聲檢測方法。其特點為耦合穩定、聲束斂聚、能量集中、靈敏度高，檢測結果重復性好，尤其對于薄壁件效果更佳[1-2]。

2.3水浸聚焦參數設計設定母材和焊縫的材料為不銹鋼，不銹鋼中縱波聲速為5 770 m·s-1，橫波聲速為3 230 m·s-1；水中縱波的速度為1 480 m·s-1。

筆者選用縱波傾斜入射，經水/鋼界面轉化得到橫波，對焊縫進行檢測;并考慮縱波經水入射至鋼中的往復透射率[2]，得知在入射角為14.5°～27.27°時，鋼中沒有折射縱波，只有折射橫波，因此選用入射角θ=15°，使得焊縫以及母材中得到較高能量的橫波，并采用一次和二次橫波進行檢測。

2.3.1確定偏心距X

入射角為θ=15°，根據公式:

(1)

得到折射角為：β=34.4°，根據公式：

(2)

式中:R為焊縫外表面所在圓的半徑。

從而得到偏心距X=1.4 mm(R=2.3+3 mm)。

2.3.2確定水層厚度H

為使橫波的三次反射波處于水層的第一次和第二次反射波之間，則水層厚度應該大于4.2 mm，取水層厚度H不小于7 mm。

2.3.3確定焦距F

探頭的焦點應落在與聲軸線垂直的管線上，則有公式:

(3)

(取H=7.5 mm)，焦距F=12.6 mm。

2.3.4確定聚焦曲率半徑

根據公式：

(4)

式中:c1為有機楔塊縱波聲速，取值為2 730 m·s-1；c2為耦合介質水中縱波聲速，取值為1 480 m·s-1；r為有機楔塊曲率半徑，mm。

得出F=2.2r，則r=5.7 mm，F=12.6 mm。

此時，由公式：

(5)

式中:DS為探頭晶片直徑尺寸；λ2為超聲波在鋼中的波長;C水,C鋼分別為超聲波在水和鋼中的聲速。

計算得到鋼中的近場區N≈0 mm(可忽略不計)，說明聚焦有效。

2.3.5補充垂直焊縫檢測探頭

為增加焊縫邊側母材過渡圓弧處的聲束覆蓋(Ω母材根部處)，又補充了入射角為18.9°的橫波探頭進行檢測，同時此探頭也可作為平行于焊縫掃查方向用探頭。

2.4聲場覆蓋研究

對于該類薄壁焊縫，首先超聲波聲束的覆蓋需符合要求，筆者針對中部Ω焊縫進行了CIVA仿真試驗，以驗證聲束對焊縫的覆蓋范圍是否符合要求。

探頭的選取要滿足聲束在垂直和平行焊縫兩個方向上覆蓋檢查范圍的條件，即可進行焊縫周向和軸向兩個方向檢測，圖5為中部Ω焊縫檢測的模擬圖。

圖5　中部焊縫的檢測模擬

根據上述設定的參數，探頭聲束在焊縫中的分布如圖6所示。

圖6　垂直焊縫掃查探頭聲束在焊縫中的分布示意

如圖6(a),(b)所示，選用探頭(入射角θ=15°)以及設定的參數，得到的聲束可以覆蓋焊縫以及熱影響區，并且最大幅值聚焦位置位于2.3 mm內部(圖6(d)所示)。為滿足檢查范圍(母材圓弧過渡區)，可設置參數增加對此區域的補充掃查(增加的入射角θ=18.9°)，聲束可以覆蓋該區域(圖示6(c))。同理，平行于焊縫檢測也能滿足聲束覆蓋檢測范圍要求。

通過上述仿真顯示可知，選用探頭以及參數滿足檢查設計要求。

3　試驗研究

3.1試驗內容

3.1.1機械裝置

檢測中部Ω焊縫時，采用上述的水浸式超聲檢測技術，包括上述檢測用探頭以及相關參數，使用的超聲儀器為多通道超聲波探傷儀Z-Scan，與其配套的數據采集和分析軟件為UtraVision3.3R4。

由于中部的Ω焊縫所處空間狹小，設備的外徑不能超過400 mm，高度方向要求設備穩定性好，周向定位精度高，筆者采用自主研發的機械掃查裝置。該裝置具有周向掃查軸向步進，以及軸向掃查周向步進兩個主要關鍵特性。試驗裝置模型見圖7，主要由掃查裝置主體結構、周向旋轉組件、軸向掃查組件、探頭組件及支撐組件等組成。

圖7　中部Ω焊縫檢測用機械裝置模型

圖8　參考試塊及兩處缺陷設計示意

3.1.2參考試塊

對于焊接產生的夾渣以及氣孔等體積型缺陷，通過橫孔模擬埋藏的體積型缺陷；對于未熔合、裂紋等平面型缺陷，在不同方向上檢測，其缺陷回波幅值差異較大，帶有明顯的方向性，采用人工槽模擬平面型缺陷。筆者設計了帶有平底孔和電火花槽為參考缺陷的參考試塊，實際和其中兩處刻傷設計示意見圖8。其中兩電火花槽深度為0.5 mm，長度5 mm，加工寬度為0.1 mm，分別位于焊縫中部(編號F)、母材和熱影響區交界位置處(編號E)。E人工反射體為平行于焊縫并位于外表面的長5 mm，深0.5 mm,寬0.1 mm的刻槽，圖中45°位置(圖8(c))。F人工反射體為平行于焊縫并位于外表面的長5 mm，深0.5 mm,寬0.1 mm的刻槽，圖中90°位置(圖8(c))。

3.2試驗結果

通過上述設計的自動檢查裝置掃查工件，對刻傷進行了檢測和分析，圖9是刻槽E、F的數據分析信號圖示。

圖9　參考試塊中E、F槽的數據分析圖示

3.3試驗結論

采用水浸式超聲檢測技術實施CRDM Ω焊縫的檢測，能夠檢測到參考試塊所設計的缺陷(包括非體積型缺陷和體積型缺陷)，缺陷檢測結果與真實情況能夠較好吻合，證實了水浸超聲檢測技術對Ω焊縫具有較好的檢測效果。

4　結論

通過對水浸超聲檢測技術原理的分析，確定了Ω焊縫的水浸超聲檢測技術參數，包括檢測波型、探頭頻率、角度、晶片尺寸及水層厚度等，并介紹了相應水浸聚焦超聲波檢查機械裝置。對Ω焊縫進行水浸超聲檢測試驗后，結果表明:采用的水浸超聲檢測技術能夠滿足質量檢測的要求，可實現CPR1000機組CRDM Ω焊縫自動化檢測。

[1]何巖,鄭重雄,張龍.薄壁鋼管超聲波水浸法探傷[J].物理測試, 2003(4):16-18.

[2]中國特種設備檢驗協會.超聲檢測[M].北京:中國勞動社會保障出版社,2010.

[3]付千發,尹鵬,盧威,等. 反應堆壓力容器安注管安全端焊縫水浸超聲檢測技術[J]. 無損檢測, 2015,37(7): 40-44.

[4]易子安,吳敦明. 外方內圓不銹鋼管超聲波探傷[J]. 無損檢測, 2011, 33(1):33-36.

The Ultrasonic Inspection of CRDM Housing Canopy Welds in CPR1000 Power Plants

YUAN Shu-xian1, LI Jun2, LIN Zhong-yuan1, HONG Mao-cheng1, WU Jin-feng1

(1.CGNPC Inspection Technology Co., Ltd., Suzhou 215021, China;2.Jingsu Guoxin Jingjiang Power Co., Ltd., Jingjiang 214500, China)

Canopy welds (Ω) in CRDM housing are welded seals joining stainless material and playing an important role in leak-proof for CRDM housing. The paper firstly summarizes and outlines the development of the immersion ultrasonic inspection techniques for canopy welds, and then determines the test parameters such as wave type, probe frequency, wafer dimension and layer thickness , and finally carries out the verification test. And through the test it proves that the technique could meet the test requirements of canopy welds (Ω) in CRDM housing.

Control rod driven mechanism (CRDM); Water immersion; Ultrasonic inspection

2015-07-18

袁書現(1983-),男,工程師,主要從事核電站無損檢測工作。

袁書現,E-mail: yuanshuxian@cgnpc.com.cn。

10.11973/wsjc201606007

TB31;TG115.28

A

1000-6656(2016)06-0028-05