壓水堆核電站核級(jí)鍛件超聲檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估與比較

吳偉幫，張　進(jìn)，陳　航

(深圳中廣核工程設(shè)計(jì)有限公司， 深圳 518172)

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壓水堆核電站核級(jí)鍛件超聲檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估與比較

吳偉幫，張進(jìn)，陳航

(深圳中廣核工程設(shè)計(jì)有限公司， 深圳 518172)

介紹了《法國(guó)壓水堆核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則(RCC-M)》(2007版及FM1061修訂)中核級(jí)鍛件超聲檢測(cè)的一些重要規(guī)定，并與RCC-M (2000版及2002補(bǔ)遺)中關(guān)于靈敏度、記錄和驗(yàn)收準(zhǔn)則的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行了分析比較和總結(jié)。針對(duì)核級(jí)鍛件超聲檢測(cè)過程中可能存在的問題提出了檢測(cè)的改進(jìn)措施，旨在為設(shè)計(jì)、采購(gòu)、監(jiān)造和檢測(cè)人員合理地使用核級(jí)鍛件的超聲檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范提供參考。

法國(guó)壓水堆核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則；核級(jí)鍛件；超聲檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)；注意事項(xiàng)

2007年6月，法國(guó)核電規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)(AFCEN)針對(duì)2007版《法國(guó)壓水堆核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則(RCC-M)》發(fā)布修改單FM1061，對(duì)核級(jí)鍛件的超聲檢測(cè)要求及引用標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修改，主要是將RCC-M規(guī)范中所引用的基礎(chǔ)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)由NF A 04 308:1988SteelForgings-UltrasonicTestingInspectionMethods-Limitsoftesting替換為NF EN 10308:2002NondestructiveTesting-UltrasonicTestingofSteelBars、NF EN 10228.3:1998NondestructiveTestingofSteelForgings-Part3:UltrasonicTestingofFerriticorMartensiticSteelForgings及NF EN 10228.4:1999NondestructiveTestingofSteelForgings-Part4:UltrasonicTestingofAusteniticandAustenitic-FerriticSteelForgings。鑒于目前國(guó)內(nèi)新研發(fā)的第三代核電廠用核級(jí)鍛件的超聲檢測(cè)遵循RCC-M (2007 Edition and FM1061 Modification)DesignandConstructionRulesforMechanicalComponentsofPWRNuclearIslands的要求，筆者主要對(duì)該規(guī)范修訂內(nèi)容中關(guān)于鍛件超聲檢測(cè)的相關(guān)要求進(jìn)行了介紹和分析，并依據(jù)規(guī)范RCC-M (2000 Edition and 2002 Addendum)DesignandConstructionRulesforMechanicalComponentsofPWRNuclearIslands相關(guān)主要內(nèi)容與CPR1000進(jìn)行了比較。

1　檢測(cè)規(guī)范及相關(guān)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

核級(jí)鍛件的超聲檢測(cè)技術(shù)要求通常在RCC-M規(guī)范M篇的相應(yīng)鍛造部件采購(gòu)技術(shù)規(guī)范的第6章或第7章進(jìn)行總體性的規(guī)定，主要內(nèi)容包括檢測(cè)時(shí)機(jī)、檢測(cè)程序、檢測(cè)范圍、掃查方式、信號(hào)評(píng)定、記錄和驗(yàn)收準(zhǔn)則等。其中，檢測(cè)程序、信號(hào)評(píng)定、記錄和驗(yàn)收準(zhǔn)則需滿足RCC-M MC 2300及基礎(chǔ)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NF EN 10228-3、NF EN 10228-4或NF EN 10308的規(guī)定：① 低合金鋼鍛件按NF EN 10228-3的規(guī)定；② 奧氏體鋼鍛件按NF EN 10228-4的規(guī)定；③ 直徑或厚度小于或等于400 mm的鋼棒，低合金鋼類鋼棒按NF EN 10228-3或NF EN 10308的規(guī)定，奧氏體鋼類鋼棒按NF EN 10228-4或NF EN 10308的規(guī)定。

2　檢測(cè)時(shí)機(jī)

根據(jù)RCC-M (2007版及FM1061修訂)規(guī)范，檢測(cè)時(shí)機(jī)大致可以歸類為以下幾種：① 最終機(jī)加工后檢測(cè)。在最終狀態(tài)不能檢測(cè)的部分應(yīng)盡可能地在接近最終狀態(tài)下提前進(jìn)行檢測(cè)；② 力學(xué)性能熱處理后，無(wú)論該熱處理工序后是否進(jìn)行機(jī)加工;③ 由于幾何原因?qū)е抡麄€(gè)部件或部件某些部位在熱處理后不能進(jìn)行超聲檢測(cè)，應(yīng)在最接近的中間階段進(jìn)行檢測(cè);④ 對(duì)于小尺寸部件，也可在半成品件上進(jìn)行檢測(cè)。

通過分析上述規(guī)定可知：對(duì)于形狀簡(jiǎn)單的鍛件(1、2、3型鍛件)容器筒體、蒸汽發(fā)生器管板等，通常采用第①種檢測(cè)時(shí)機(jī)；對(duì)于形狀復(fù)雜的鍛件(4型鍛件)，通常采用第②或第③種檢測(cè)時(shí)機(jī)。此外，規(guī)范中對(duì)檢測(cè)時(shí)機(jī)的某些規(guī)定比較抽象，如：“可能地接近最終狀態(tài)或最接近的中間階段檢測(cè)”，在實(shí)際檢測(cè)中往往容易引起爭(zhēng)議，給實(shí)際操作帶來(lái)很大困難。核島設(shè)備用鍛件種類繁多且大部分鍛件的形狀比較復(fù)雜，如各類接管嘴、小接管等，在最終機(jī)加工完成后，這些鍛件因形狀較復(fù)雜而不能進(jìn)行100%檢測(cè)。此種情況應(yīng)在制造過程中合理安排加工工序及檢測(cè)時(shí)機(jī)，在簡(jiǎn)單形狀階段(如鍛棒或鍛管狀態(tài))預(yù)先進(jìn)行一次完整的檢測(cè)，并且在最終機(jī)加工完成后再盡可能完整地檢測(cè)。值得注意的是，在中間各階段的檢測(cè)中，應(yīng)按最終驗(yàn)收時(shí)的檢測(cè)要求進(jìn)行檢測(cè)，確保過程監(jiān)控的有效性。

另外，對(duì)于最終機(jī)加工后外徑與內(nèi)徑之比大于或等于1.6的3a型和3b型鍛件，如需通過棒材鉆孔的方式獲得，通常應(yīng)在棒材鉆孔前預(yù)先進(jìn)行一次全面的斜探頭檢測(cè)。

3　標(biāo)定試塊

當(dāng)靈敏度由距離-波幅方法(DAC)設(shè)定或根據(jù)DAC法按參考反射體的幅度進(jìn)行不連續(xù)定量時(shí)，應(yīng)制作標(biāo)定試塊。RCC-M (2007版及FM1061修訂)規(guī)范規(guī)定，標(biāo)定試塊應(yīng)由下列某一種材料制作：① 被檢工件的延長(zhǎng)部分；② 材料和熱處理狀態(tài)均與被檢工件相同的工件；③ 與被檢工件具有相近聲學(xué)特性的工件。

①和②類材料的規(guī)定明確，便于跟蹤監(jiān)督，但容易受工件尺寸和類型影響導(dǎo)致試塊難于獲取，且需耗費(fèi)較大成本；而對(duì)于③類材料，在舊版規(guī)范RCC-M(2000版及2002補(bǔ)遺)的應(yīng)用過程中存在較大爭(zhēng)議，新修訂規(guī)范RCC-M(2007版及FM 1061修訂)中仍未對(duì)“聲學(xué)特性相近”進(jìn)行明確界定，這給檢測(cè)人員判定用于制作試塊的材料是否與被檢工件具有相近的聲學(xué)特性帶來(lái)較大困難。國(guó)內(nèi)核工業(yè)無(wú)損檢測(cè)行業(yè)早期也已經(jīng)關(guān)注到此類問題，在編制NB/T 20003.2-2010《核電廠核島機(jī)械設(shè)備無(wú)損檢測(cè)第2部分：超聲檢測(cè)》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)明確了聲學(xué)特性相近的定義，即：聲速±5%、聲阻抗±5%、衰減系數(shù)±20%或厚度相同底波信號(hào)差異小于4 dB，則認(rèn)為具有相近的聲學(xué)特性。此外，SA-508SpecificationforQuenchedandTemperedVacuum-TreatedCarbonandAlloySteelForgingsforPressureVessels補(bǔ)充要求中對(duì)聲學(xué)性能相似也有相關(guān)規(guī)定，即：在不改變儀器裝置的條件下，反射波在相等厚度標(biāo)定試塊和待測(cè)鍛件之間的變化值不大于25%。

4　靈敏度

RCC-M(2007版及FM1061修訂)規(guī)范要求：直探頭檢測(cè)時(shí)采用參考試塊法或DGS曲線法；斜探頭檢測(cè)時(shí)，低合金鋼鍛件一般采用DGS曲線法、奧氏體鋼鍛件采用參考試塊法或DGS曲線法均可。采用參考試塊法時(shí)：直探頭檢測(cè)時(shí)通過平底孔調(diào)整檢測(cè)靈敏度，所用平底孔的直徑根據(jù)驗(yàn)收級(jí)別確定；斜探頭檢測(cè)時(shí)通過φ3 mm橫孔調(diào)整檢測(cè)靈敏度。采用DGS法時(shí)，將DGS曲線調(diào)整至所要求的檢測(cè)靈敏度，并對(duì)缺陷進(jìn)行定量。

RCC-M (2000版及2002補(bǔ)遺)要求直探頭和斜探頭檢測(cè)時(shí)均采用參考試塊法。直探頭檢測(cè)通過平底孔調(diào)節(jié)靈敏度，斜探頭檢測(cè)通過矩形槽或φ2 mm橫孔來(lái)調(diào)整檢測(cè)靈敏度，其中，鍛件厚度大于100 mm時(shí)，人工反射體為φ2 mm橫孔；鍛件厚度小于或等于100 mm時(shí)，人工反射體為矩形槽。

RCC-M (2007版及FM1061修訂)較RCC-M (2000版及2002補(bǔ)遺)發(fā)生了較大變化，其引進(jìn)了DGS法，且奧氏體鋼鍛件可采用DGS法和參考試塊法，但低合金鋼鍛件斜探頭檢測(cè)只允許采用DGS法。此外，就斜探頭檢測(cè)的參考試塊法而言，兩規(guī)范對(duì)人工反射體的規(guī)定也具有很大差異，RCC-M (2007版及FM1061修訂版)中無(wú)論厚度大小均要求采用φ3 mm橫孔；而在RCC-M (2000版及2002補(bǔ)遺)中，厚度e大于100 mm采用φ2 mm橫孔，厚度e不大于100 mm時(shí)采用矩形槽。斜探頭檢測(cè)時(shí)人工反射體類型對(duì)比(DAC法)見表1。

表1　斜探頭檢測(cè)時(shí)人工反射體類型對(duì)比(DAC法)　mm

5　掃查方式

5.1直探頭檢測(cè)

對(duì)于形狀簡(jiǎn)單鍛件(1、2、3型鍛件)的掃查要求，RCC-M規(guī)范通常直接引用基礎(chǔ)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的通用掃查方式，各種類型鍛件直探頭通用掃查方式如圖1所示：1a型鍛件需至少在180°的圓柱面上掃查；1b型鍛件需在兩個(gè)相互垂直的側(cè)面上掃查；1c型鍛件需至少在占據(jù)半側(cè)的相鄰表面上掃查；2型鍛件需至少在180°的圓柱面上和一個(gè)水平面上掃查；3a型鍛件需在圓筒外表面掃查；3b和3c型鍛件需在圓環(huán)表面和一個(gè)水平面上掃查。復(fù)雜形狀鍛件(4型鍛件)的掃查表面及掃查要求一般由采購(gòu)方與供貨方協(xié)商確定，通常是將鍛件的各個(gè)部分分解為簡(jiǎn)單形狀來(lái)分別對(duì)待。

圖1　各種類型鍛件直探頭通用掃查示意

除了上述通用掃查要求，針對(duì)某些特定鍛件，RCC-M規(guī)范進(jìn)行了修訂或補(bǔ)充：① 反應(yīng)堆壓力容器主螺栓用棒材(1型鍛件)還需補(bǔ)充從兩側(cè)端面進(jìn)行軸向直射波檢測(cè)，從兩側(cè)檢測(cè)時(shí)至少有10%檢測(cè)范圍的重疊；② 蒸汽發(fā)生器管板(2型鍛件)，僅需從兩側(cè)端面進(jìn)行直射波檢測(cè)即可(不要求直探頭從周向進(jìn)行掃查)；③ 反應(yīng)堆壓力容器筒體(3型鍛件)，還需補(bǔ)充從兩端沿軸線方向進(jìn)行直射波檢測(cè)，檢測(cè)范圍至少為部件高度的一半加10%。

雖然RCC-M規(guī)范根據(jù)某些特定鍛件的特點(diǎn)，增加或修訂了某些掃查要求，但筆者認(rèn)為對(duì)于有些部件尚有不足之處，有必要針對(duì)特定鍛件的用途、鍛造方向等適當(dāng)增加掃查表面和掃查方式。如對(duì)于螺栓用鍛件(除了反應(yīng)堆壓力容器主螺栓用鍛件)，RCC-M規(guī)范就未考慮軸向掃查。但是，從鍛件的用途來(lái)看，螺栓用鍛件在使用過程中主要在軸向承受拉應(yīng)力，而近似垂直于軸向的面積型缺陷對(duì)螺栓的使用性能危害最大，需采用軸向檢測(cè)才能對(duì)此類缺陷進(jìn)行有效檢測(cè)。因此，建議也應(yīng)對(duì)螺栓類鍛件進(jìn)行軸向檢測(cè)。如不能用直探頭從軸向進(jìn)行檢測(cè)，則需采用斜探頭沿著外表面進(jìn)行軸向檢測(cè)。

圖2　3a型和3b型鍛件斜探頭掃查方式示意

5.2斜探頭檢測(cè)

外徑/內(nèi)徑之比大于或等于1.6的3a和3b型鍛件需采用斜探頭從外圓面沿著周向正反兩個(gè)方向進(jìn)行100%檢測(cè)，3a型和3b型鍛件斜探頭掃查方式如圖2所示。對(duì)于3a型鍛件，RCC-M規(guī)范僅要求斜探頭從外表面沿周向正反兩個(gè)方向進(jìn)行掃查。根據(jù)超聲檢測(cè)原理，檢測(cè)時(shí)使聲束軸線與缺陷的主反射面接近垂直對(duì)檢測(cè)最為有利，斜探頭沿周向掃查能夠有效地發(fā)現(xiàn)近似垂直于表面的軸向缺陷，但近似垂直于表面的周向缺陷缺乏合適的掃查方法，存在缺陷漏檢的可能性。如采用的鍛造方法較易產(chǎn)生垂直于表面的周向缺陷或需對(duì)此類缺陷特別關(guān)注時(shí)，建議考慮從端面采用直探頭進(jìn)行軸向檢測(cè)或沿著外表面采用斜探頭進(jìn)行軸向檢測(cè)。

6　記錄和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)

6.1直探頭檢測(cè)

根據(jù)RCC-M (2007版及FM1061修訂)規(guī)范，低合金鋼鍛件一般按基礎(chǔ)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NF EN 10228-3或NF EN 10308(僅限于厚度t不大于400 mm的鍛棒)中的質(zhì)量3級(jí)(DGS法或DAC法)記錄和驗(yàn)收，奧氏體鋼鍛件一般按基礎(chǔ)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NF EN 10228-4或NF EN 10308(僅限于厚度t不大于400 mm的鍛棒)中的質(zhì)量2級(jí)(DGS法或DAC法)記錄和驗(yàn)收。

根據(jù)RCC-M (2000版及2002補(bǔ)遺)規(guī)范，鍛件直探頭檢測(cè)的記錄和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)直接引用基礎(chǔ)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NF A 04 308的規(guī)定，低合金鋼鍛件一般按質(zhì)量3級(jí)記錄和驗(yàn)收，奧氏體鋼鍛件根據(jù)部件的厚度t確定質(zhì)量驗(yàn)收等級(jí)：t<75 mm時(shí)，按質(zhì)量3級(jí)；75 mm≤t<250 mm時(shí)，按質(zhì)量2級(jí)，且記錄R(底波降低系數(shù))不大于0.12的底波衰減；t不小于250 mm時(shí)，按質(zhì)量1級(jí)，且記錄R不大于0.12的底波衰減。

分析對(duì)比，對(duì)于低合金鋼鍛件，兩個(gè)規(guī)范對(duì)同一質(zhì)量等級(jí)所允許存在的缺陷當(dāng)量完全相同，低合金鋼鍛件直探頭檢測(cè)記錄和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)比見表2。對(duì)于奧氏體鋼鍛件，鍛件的厚度越大時(shí)，可允許存在的缺陷越大：厚度t不大于250 mm時(shí)，兩規(guī)范對(duì)同一質(zhì)量等級(jí)所允許存在的缺陷當(dāng)量完全相同；當(dāng)厚度t>250 mm時(shí)，RCC-M (2007版及FM1061修訂)中所允許存在的單個(gè)不連續(xù)缺陷的當(dāng)量直徑為11 mm，而RCC-M(2000版及2002補(bǔ)遺)允許的當(dāng)量直徑為12 mm；但是對(duì)于厚度t>400 mm的鍛件，相對(duì)于RCC-M (2000版及2002補(bǔ)遺)，RCC-M (2007版及FM1061修訂)中所允許存在的缺陷更大，驗(yàn)收要求較寬松。奧氏體鋼鍛件直探頭檢測(cè)記錄和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)比見表3。

表2　低合金鋼鍛件直探頭檢測(cè)記錄和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)比　mm

表3　奧氏體鋼鍛件直探頭檢測(cè)記錄和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)比　mm

6.2斜探頭檢測(cè)

根據(jù)RCC-M (2007版及FM1061修訂)規(guī)范，低合金鋼鍛件按基礎(chǔ)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NF EN 10228-3中的質(zhì)量3級(jí)(DGS法)記錄和驗(yàn)收。對(duì)于奧氏體鋼鍛件，DGS法檢測(cè)時(shí)按基礎(chǔ)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NF EN 10228-4的要求記錄和驗(yàn)收，DAC法檢測(cè)時(shí)的記錄和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)見表4。

RCC-M (2000版及2002補(bǔ)遺)中，低合金鋼和奧氏體鋼的斜探頭檢測(cè)時(shí)，任何回波幅度大于50%DAC曲線的信號(hào)都應(yīng)予以記錄，回波幅度超過100% DAC曲線的信號(hào)應(yīng)判為不合格。

分析對(duì)比上述規(guī)定，RCC-M (2007版及FM1061修訂)較RCC-M (2000版及2002補(bǔ)遺)發(fā)生了較大變化，引進(jìn)了DGS法所對(duì)應(yīng)的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，且低合金鋼鍛件只允許采用DGS法驗(yàn)收，奧氏體鋼鍛件則可采用DGS法和DAC法。

表4　奧氏體鋼鍛件斜探頭檢測(cè)記錄和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)(DAC法)

僅就DAC法而言，新舊兩版規(guī)范對(duì)驗(yàn)收規(guī)定也具有很大差異，在RCC-M (2000版及2002補(bǔ)遺)中，回波幅度大于50% DAC應(yīng)記錄，超過100% DAC則拒收，其中：對(duì)厚度t不大于100 mm的鍛件，各厚度區(qū)間(20 mm，50 mm，100 mm)所采用的矩形槽尺寸逐漸增大，可見所允許的缺陷也逐漸變大；對(duì)厚度t>100 mm的鍛件，均采用φ2 mm橫孔調(diào)整檢測(cè)靈敏度，無(wú)論鍛件厚度大小可允許存在的缺陷當(dāng)量均一致。在RCC-M (2007版及FM1061修訂)中，無(wú)論厚度大小，均采用φ3 mm橫孔調(diào)整檢測(cè)靈敏度；但驗(yàn)收要求則根據(jù)不同厚度所允許的缺陷回波高度不同來(lái)加以區(qū)分。

7　結(jié)語(yǔ)

對(duì)RCC-M(2007版及FM1061修訂)及其對(duì)應(yīng)基礎(chǔ)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于鍛件超聲檢測(cè)要求進(jìn)行分析解讀，并將其與RCC-M(2000版及2002補(bǔ)遺)的相關(guān)要求進(jìn)行分析比較；并針對(duì)核級(jí)鍛件超聲檢測(cè)過程中可能存在的問題，提出了檢測(cè)的建議措施。此外，RCC-M(2007版及FM1061修訂)新引進(jìn)了DGS法及其驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范使用者在使用過程中，應(yīng)注意新版規(guī)范的新增要求，有必要結(jié)合目前的制造檢測(cè)能力嚴(yán)格控制制造質(zhì)量。

Evaluation and Comparison of Ultrasonic Testing Standards of Nuclear Forgings for Pressurized Water Nuclear Power Station

WU Wei-bang, ZHANG Jin, CHEN Hang

(China Nuclear Power Design Co., Ltd., Shenzhen 518172, China)

Some important provisions of ultrasonic testing for the forgings provided by RCC-M code(2007 edition and FM1061) were introduced, and the sensitivity, recording conditions and acceptance criteria were analyzed and also compared with that of RCC-M code(2000 edition and 2002 addendum). Some precautions were considered. It aims to provide reference for the designer, purchaser and inspector for their properly using the ultrasonic testing standards of forgings for pressurized water nuclear power station.

RCC-M；Nuclear forging；Ultrasonic testing standard；Notice

2016-02-15

吳偉幫(1985-),男，本科，工程師，主要從事民用核安全機(jī)械設(shè)備的無(wú)損檢測(cè)工作。

吳偉幫， E-mail: 715119153@qq.com。

10.11973/wsjc201609013

TG115.28

A

1000-6656(2016)09-0049-04