ASME規范對核設備制造和運行期間的無損檢驗要求對比

葛　亮，蔡家藩，聶　勇，梁　平

(核動力運行研究所， 武漢 430223)

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ASME規范對核設備制造和運行期間的無損檢驗要求對比

葛亮，蔡家藩，聶勇，梁平

(核動力運行研究所， 武漢 430223)

對比分析了美國機械工程師協會(ASME)規范對核設備在制造和運行階段中，在檢驗范圍、檢驗技術和驗收準則等方面的無損檢驗要求，對存在的差異進行了歸納總結。

ASME；核設備；無損檢驗；在役檢查

美國機械工程師協會(ASME)頒布的《鍋爐及壓力容器規范》(以下簡稱ASME規范或規范)系列規范，至今已擴展至11卷28冊。其中第Ⅲ卷《核設施部件建造規則》、第Ⅺ卷《核電廠部件在役檢查規則》與第Ⅱ卷《材料》、第V卷《無損檢驗》、第VⅢ卷《壓力容器建造規則》、第Ⅸ卷《焊接和釬焊評定》等綜合起來，組成了核電廠設備的材料、設計、制造、焊接、檢測、運行等方面的一套完整的規范與標準體系[1]。

由于核設備包帶有或可能帶有強烈的放射性物質，同時設備大多長期處在高溫、高壓、高輻照環境下運行；因此，為保障核設備的完整性及可用性，防止核事故的發生，在核電建造的全過程，即設計、設備制造、安裝、運行、退役等過程都需要進行無損檢驗。

ASME規范對核電建造各階段的無損檢驗均有明確要求。這些要求主要包括對無損檢驗人員、設備、驗收、檢驗方法和技術的要求，以及對被檢設備和部件的檢驗范圍、檢驗時機和檢驗頻度的要求等。其中：ASME規范第Ⅲ卷《核設施部件建造規則》主要規定了核設備制造過程中及役前檢查中的無損檢驗要求；第V卷《無損檢驗》主要規定了核設備材料和焊縫的無損檢驗方法；第Ⅺ卷《核電廠部件在役檢查規則》主要規定了核設備役前以及役中的無損檢驗要求。這些要求形成了一套完整的核電設備無損檢驗體系，切實有效地提高了核設備的可靠性和安全性，保障了核反應系統的安全運行。

1　概述

目前，國內采用ASME規范設計的核電機組有秦山核電一廠的CP300堆型，三門、海洋核電站的AP1000堆型等。以上這些堆型在設備制造、役前及在役檢查階段，均按照ASME規范的要求實施無損檢驗。有些采用其他規范設計的核電站，如秦山核電二廠1、2號機組的CP600堆型，在制造階段也采用ASME規范實施無損檢驗。

近年來，國內采用ASME規范進行無損檢驗的核電機組越來越多，因此有必要對規范中的無損檢驗要求進行梳理，對不同階段中的無損檢驗要求進行對比，以便更好地理解和使用規范。

筆者從核設備制造和運行中的無損檢驗的目的出發，概括性地描述了ASME規范第Ⅲ卷《核設施部件建造規則》和第Ⅺ卷《核電廠部件在役檢查規則》，在設備制造、役前及在役檢查中的無損檢驗要求和應用；并對不同階段中ASME規范對無損檢驗的技術要求，就檢驗范圍、檢驗技術和驗收等方面進行了簡要對比和分析。

2　制造中的無損檢驗要求

為保障核設備在制造過程中的安全運行，幾乎要對所有材料、零部件等按規定進行無損檢驗，以證明所生產的設備符合使用要求。無損檢驗，包括原材料驗收，工藝控制，零部件，焊接接頭以及水壓試驗之后的最終質量驗收。ASME規范第Ⅲ卷《核設施部件建造規則》對設備制造過程中的無損檢驗要求做出了明確規定[1]。

2.1整體結構

ASME規范第Ⅲ卷按照三個層次對部件和結構進行分類，并對各類部件分別做出無損檢驗要求。

第一個層次，按照安全級別和作用將被檢設備分為7個類別，分別為核安全1級部件、2級部件、3級部件、MC級部件、支承件、堆芯支承結構以及高溫使用的核1級部件，各部件要求對應第Ⅲ卷第一冊中的NB分卷至NH分卷，其中前6類均規定了無損檢驗的要求。

第二個層次，將各級部件分為焊縫檢測和原材料檢測兩大類，對應各分卷中的第5000章“檢測”和第2500節“材料的檢測和補修”。

第三個層次，分別對焊縫和原材料進行分類。焊縫按照焊縫系數和焊縫類型分為容器的A類、B類、C類、D類焊縫，管道、閥門焊縫以及角焊縫等。原材料按照加工工藝分為板材、鍛件、棒材以及管材等。

對各類檢查部件和結構，ASME規范第Ⅲ卷相應章節規定了無損檢驗方法要求、檢驗時機要求、檢驗人員要求；對于不同的檢驗方法還規定了相應的檢驗技術、顯示評定和驗收準則等要求。圖1為ASME第Ⅲ卷中無損檢驗結構體系。

圖1　ASME第Ⅲ卷無損檢驗結構體系

2.2檢驗要求

以第Ⅲ卷第一冊的NB-5000“檢測”(核一級部件焊縫的檢驗要求)為例進行說明，該章對不同類型焊縫的檢驗范圍、檢驗方法和驗收準則等方面做出了規定，并對所使用檢驗技術、檢驗時機和執行檢驗的人員提出了要求。

制造和役前檢查中的無損檢驗方法和技術，一般應按照第V卷《無損檢驗》的要求進行。另外，相應各方法的檢驗程序，也應按照第V卷的要求進行編寫。但對于役前檢查中的超聲檢驗需參照第Ⅺ卷的要求執行。

對于容器的A類、B類、C類焊接接頭以及管道、泵上和閥門上的環焊縫及縱焊縫，一般應使用射線、超聲、磁粉或液體滲透方法實施檢驗。對于容器的D類焊接接頭和其他焊接接頭，一般需使用磁粉或液體滲透法實施檢驗；對于有些焊接接頭也提出了體積檢驗的要求。各類焊縫的檢驗范圍主要包括焊縫坡口表面、焊縫和相鄰母材以及堆焊層等。

各類焊縫無損檢驗時機，一般在中間熱處理或最終熱處理之后，除非熱處理后的狀態無法滿足檢驗條件要求；或對于一些部件在熱處理后，會使用其他同類型的檢驗方法進行補充等情況。如容器焊縫若在熱處理后進行超聲檢驗，則射線檢驗可在熱處理前進行。另外，規范還要求容器焊縫在水壓試驗后，應進行所有要求的體積檢查。

在驗收準則方面，設備制造過程中和設備安裝后的役前檢驗略有不同。在設備制造過程中，任何具有裂紋、未熔合或未焊透特征的危害性缺陷均拒絕驗收，其他類型的缺陷驗收與否一般與其尺寸、長度或數量有關。

在檢驗人員要求方面，ASME第Ⅲ卷規定在設備制造階段無損檢驗人員必須通過培訓和考核，并取得相應的資格證書才能從事無損檢驗工作。無損檢驗人員的培訓、考核和取證必須滿足SNT-TC-1A《無損檢測人員資格鑒定和認證推薦實施細則》的推薦導則的要求。

3　運行中的無損檢驗要求

為保障核設備在服役中的可靠性，必須根據設計部門或規范規定的周期和方法及制造部門提交的具體部件的檢驗細則對指定設備進行可靠的無損檢驗。ASME規范第Ⅺ卷《核電廠部件在役檢查規則》對服役前及在役檢查的無損檢驗要求做出了明確規定。

3.1整體結構

ASME規范第Ⅺ卷包含三冊，分別規定了壓水堆、高溫氣冷堆和液態金屬冷卻堆的在役檢查規則。該卷對后兩種堆型的在役檢查要求尚未完善，主要是針對壓水堆核電廠的在役檢查。

與第Ⅲ卷類似，ASME規范第Ⅺ卷按照部件的系統和作用將其進行分類，不同級別部件的檢驗要求也不相同。類別包括核一級、二級、三級部件、MC和CC級金屬內襯設備以及各部件的支承件等，對應IWB分卷至IWL分卷。在各分卷之前為通用要求IWA分卷，在各分卷之后為強制性和非強制性附錄。

第Ⅺ卷對各分卷中不同類型的檢驗部件和區域進行了分類，如B-A類為反應堆壓力容器承壓焊縫，B-J類為管道焊縫。針對各類檢查部件和結構，ASME規范第Ⅺ卷相應章節規定了無損檢驗方法要求、檢驗計劃要求和檢驗人員要求。對于不同的檢驗方法還規定了相應的檢驗技術、顯示評定和驗收準則等。圖2為ASME第Ⅺ卷中無損檢驗結構體系。

圖2　ASME第Ⅺ卷無損檢驗結構體系

3.2檢驗要求

第Ⅺ卷定義了役前和在役檢查中的各種檢驗方法，明確了無損檢驗人員的考核、設備服役中的檢查計劃以及檢驗評定等方面的要求。

無損檢驗方法按照檢驗的目的和區域的不同分為目視檢驗、表面檢驗和體積檢驗三大類。目視檢驗主要針對部件表面的不連續和缺陷、承壓設備的泄漏痕跡以及機械結構的形變和完整性等；表面檢驗用于顯示表面存在不連續，主要包括磁粉、液體滲透、渦流等幾種方法；體積檢驗用于顯示整個材料體積內存在的不連續，主要采用射線和超聲方法。其中，超聲方法在附件Ⅰ中做出了規定；當渦流方法作為表面檢驗時，其檢驗要求在附件Ⅳ中做出了規定；其他檢驗方法采用ASME規范第Ⅴ卷《無損檢驗》的檢驗要求。

由于設備服役期間的無損檢驗一般安排在換料大修期間進行，規范以大修周期為節點，在IWA分卷中對檢驗計劃提出了總的檢驗要求，在各分卷中對各部件的無損檢驗提出了具體要求，如檢查進度要求，檢查比例要求，檢驗方法要求和檢查間隔要求等。

在驗收準則方面，第Ⅺ卷規定，對于表面方法或射線檢驗發現的缺陷，驗收準則一般與缺陷長度相關；對于超聲檢驗發現的缺陷，驗收準則一般與深度位置、長度和高度相關；對于層狀缺陷，驗收準則一般與面積相關。為了對無損檢驗中發現的缺陷進行有效評價，第Ⅺ卷對缺陷的尺寸和形狀進行了歸一化處理，對相鄰缺陷的合并原則做出了明確規定，對各檢驗部件的驗收準則均做出了明確要求。

在檢驗人員要求方面，第Ⅺ卷要求無損檢驗人員應按ANSI/ASNT CP-189《無損檢驗人員考核和發證》準備的書面試卷進行考核并取證。對于附錄VⅢ中規定的需要進行驗證的項目，檢驗人員還需通過相應的驗證。

4　ASME第Ⅲ卷和第Ⅺ卷的無損檢驗要求對比分析

ASME第Ⅲ卷規定了核設備制造中的無損檢驗要求，第Ⅺ卷規定了核設備在役前和在役檢查中的無損檢驗要求，同時對設備安裝后的役前檢查要求也做出了規定。由于檢驗目的、檢驗條件的不同，相應對無損檢驗的檢驗要求也有所不同。

4.1檢驗范圍

設備制造過程中，第Ⅲ卷要求在設備的原材料熱處理后、焊縫坡口加工完成后，焊接熱處理后，水壓試驗后等多個環節均應實施相應的無損檢驗。當設備在出廠時，往往已經過各種方法的多次檢驗。同時，第Ⅲ卷對所有核級部件均提出了相應的無損檢驗要求，覆蓋范圍很廣。

在設備安裝后或設備服役期間，由于檢驗目的和檢驗條件的限制，第Ⅺ卷要求的無損檢驗范圍總體來說比第Ⅲ卷的要小。對于母材和設備安裝后不可達的部位一般不實施檢驗，對于一些管道和設備焊縫按照檢查計劃的要求抽取一定的比例進行檢驗。但針對設備服役中會產生的缺陷，第Ⅺ卷相對于第Ⅲ卷也增加了一些檢驗項目，如設備或結構的變形、泄漏和狀態的檢驗，這些檢驗一般以目視方法為主。

4.2檢驗技術

在檢驗方法方面，第Ⅲ卷以無損檢驗的原理對檢驗方法進行劃分，如射線、超聲、液體滲透等。第Ⅺ卷在此基礎上，對各檢驗方法按照檢驗目的和區域的不同，分為了目視、表面和體積檢驗等，對各檢驗方法進行歸類；并以這三種大的檢驗方法分別對各部件提出檢驗要求，如對穩壓器接管與筒體連接焊縫提出了體積檢驗要求；在具體執行過程中，可根據實際情況實施射線檢驗或超聲檢驗。另外，對于體積檢驗來說，第Ⅲ卷更偏向于使用射線檢驗技術，而第Ⅺ卷更偏向于使用超聲檢驗技術。

在役前和在役檢查中，由于條件限制，大多被檢部件只能從一個方向接近，且檢驗方法往往會受到限制，例如反應堆壓力容器(以下簡稱RPV)筒體承壓焊縫，一般僅從內表面進行超聲和目視檢驗；而在設備制造中，對該焊縫一般從內、外表面采用多種檢驗方法進行檢測。相應的，一些部件在制造過程中，第Ⅲ卷要求使用磁粉或液體滲透進行檢測，Ⅺ卷中則降低了要求，僅需使用目視檢驗方法。

另一方面，因檢查目的不同，對在役檢查來說主要是為了檢測服役中可能會產生的缺陷，因此ASME第Ⅺ卷，對有些檢驗部位相對于第Ⅲ卷的檢驗技術做出了新的規定或要求，例如主設備的內圓角區，在在役檢查中針對該區域可能會出現的裂紋等危險性缺陷，提出了明確的檢驗要求。

另外，第Ⅺ卷對一些相對重要的檢驗部件的超聲檢驗方法，提出了能力驗證要求，例如RPV相關部件和管道的超聲檢驗。實施這些部件役前和在役檢查的檢驗技術、檢驗人員和檢驗設備必須滿足附錄ⅤⅢ考核要求。

國內從2009年開始，NNSA(國家核安全局)已對核電站的役前和在役檢查技術提出了能力驗證的要求；而各檢驗服務單位的檢驗程序，為了滿足驗證的要求，所使用的檢驗技術和測量方法可能與ASME規范存在一定差異。

例如，目前通過能力驗證的RPV超聲檢驗程序中，對于缺陷的自身高度測量均采用尖端衍射信號技術進行測量。缺陷長度測量方式有所不同，存在-6，-12 dB和背景噪聲測量法等幾種方法，而制造階段一般采用-6 dB法進行長度測量。

由于役前檢查階段所使用的缺陷長度測量技術與制造階段的不同，有可能造成同樣一個缺陷兩個階段測量的長度不一致，進而會造成不同的結果。為了避免此類情況的發生，在役前檢查發現的缺陷，如果按照ASME Ⅲ卷驗收，應采用與制造廠一樣的缺陷長度測量方式，重新分析數據，再按照制造驗收標準進行驗收。

4.3驗收準則

ASME規范第Ⅲ卷，對設備制造過程中的缺陷顯示驗收準則做出了規定，第Ⅺ卷對役前和在役檢查的驗收準則做出了規定。考慮到設備安裝后和服役期間的條件與設備制造過程中有所不同，各階段的驗收準則有所不同。一般來說，設備制造中的缺陷驗收準則要嚴于役前檢查，役前檢查要嚴于在役檢查或與在役檢查相當。第Ⅲ卷中規定，所有危害性缺陷顯示均拒絕驗收，且需對發現超過驗收準則缺陷的區域進行返修。第Ⅺ卷中規定，役前和在役檢查中發現的危害性缺陷顯示，一般超過一定尺寸才拒絕驗收；對于超標顯示還需進一步通過斷裂力學進行缺陷擴展分析，若分析結果表明缺陷不影響設備在役期內的安全性和可用性，則僅需跟蹤檢查，無需返修處理。

5　應用實例

以壓水堆型核RPV筒體環焊縫檢驗為例，分別介紹設備制造和在役檢查中對該焊縫的超聲檢驗方法、技術要求和驗收準則。

5.1檢驗部件概述

RPV的筒體內徑為4 000 mm左右，壁厚為210 mm左右，整個筒體母材采用低合金鋼，考慮到耐腐蝕等特殊要求，在內壁要求堆焊一層6 mm左右的不銹鋼堆焊層。RPV的外形和焊縫位置，見圖3。按照ASME第Ⅲ卷和第Ⅺ卷要求，均需對該焊縫實施超聲檢驗。

圖3　RPV結構示意

5.2制造中的檢查

按照ASME第Ⅲ卷要求，該焊縫的檢查區域為焊縫金屬加上焊縫邊緣兩側13 mm的母材范圍。

該焊縫超聲檢查的檢驗技術、檢驗人員和檢驗設備應按照ASME規范第V卷《無損檢驗》的要求執行。一般采用手動檢查方式，使用45°，60°，70°橫波以及直探頭從焊縫內外兩面，每個面進行平行于焊縫和垂直于焊縫四個方向分別對焊縫實施全體積檢驗；45°，60°，70°橫波用于焊縫的檢測，直探頭用于檢測各探頭聲束經過的區域、層狀缺陷以及判斷缺陷性質。

設備制造中，對該焊縫中發現的缺陷記錄和驗收準則如下：

記錄回波幅度超過20%DAC(距離-波幅曲線)的所有缺陷，并確定所有這些缺陷的形狀、性質和位置。其中核安全1級部件容器筒體焊縫的驗收準則如下：

(1) 顯示波幅超過DAC曲線，且長度超過下列規定值的缺陷均不得驗收：① 對于焊縫厚度t小于19 mm，顯示波幅大于100%DAC且長度大于6 mm。② 對于焊縫厚度t為19～57 mm，顯示波幅大于100%DAC且長度大于t/3 mm。③ 對于焊縫厚度t大于57 mm，顯示波幅大于100%DAC且長度大于19 mm。如焊縫為兩種不同厚度，厚度t取小值。

(2) 確定顯示特征為裂紋、未熔合和未焊透，不論其長度如何均不得驗收。

5.3在役檢查

按照ASME第Ⅺ卷要求，該焊縫的檢查區域為焊縫金屬加上焊縫邊緣兩側1/2壁厚的母材范圍。

該焊縫超聲檢查的檢驗技術、檢驗人員和檢驗設備需通過ASME第Ⅺ卷附錄VⅢ要求的能力驗證。由于核電站的特殊性，在役檢查時不可從外側接近，通常在役檢查時從內側采用遠距離自動超聲檢驗技術，一般分為探測和缺陷定量兩步進行檢測：

第一步為探測：使用45°、60°橫波、70°雙晶/多晶縱波和直探頭在垂直于焊縫和平行于焊縫四個方向，對檢驗區域進行全體積掃查。45°、60°橫波探頭用于檢測焊縫中深度大于20 mm的區域，70°雙晶/多晶縱波探頭用于檢測焊縫近表面區域，直探頭用于檢測各探頭聲束經過的區域、層狀缺陷以及判斷缺陷性質。一般參考ASME規范第Ⅺ卷強制性附錄Ⅲ的要求執行。

第二步為定量：根據檢測得到的缺陷位置和方向。使用45°縱波探頭對缺陷區域進行更為精密的掃查，進而確定缺陷的高度和長度尺寸。

在役檢查中，對該焊縫中發現的缺陷的記錄和驗收準則如下：① 如果被懷疑是缺陷顯示，不論幅度大小均要記錄。② 如果不能確定是幾何結構還是冶金因素形成的顯示，其回波幅度大于或等于20%DAC時應記錄。③ 如果被判定為幾何結構或冶金結構顯示時，在役前檢查時，記錄大于或等于20%DAC幅值的結構顯示；在役檢查時，記錄大于或等于50%DAC幅值的結構顯示。

役前/在役檢查時，缺陷記錄數據包括自身高度測量和長度測量值，根據高度和長度的比值關系進行驗收，其中RPV筒體環焊縫的驗收準則見表1。表1中t為焊縫的標稱壁厚；埋藏缺陷顯示的總深度取2a；Y=s/a，如果Y小于0.4，內部缺陷顯示按表面缺陷顯示處理；如果Y大于1.0，則Y取1.0。

表1　 RPV筒體環焊縫允許的平面缺陷　%

6　結論

ASME規范第Ⅲ卷和第Ⅺ卷均提出了核設備無損檢驗的要求，共同構成了核電設備的無損檢驗體系。從規范適用的工程階段上來說，在設備制造階段使用第Ⅲ卷的無損檢驗要求，在此后的役前、在役階段一般使用第Ⅺ卷的無損檢驗要求。由于檢驗條件和檢驗目的不同，在無損檢驗要求上也就存在一些差異。

一般來說，設備制造階段相對于在役檢查期間的檢驗范圍覆蓋面更廣，檢驗手段更為全面，驗收準則更為嚴格。但在實際檢驗中，由于兩卷對檢驗人員、檢驗設備和檢驗技術的要求并不完全相同，甚至在有些需要進行能力驗證的檢查項目中，第Ⅺ卷對各方面要求更為嚴格。因此制造階段和役前階段對相同部件的無損檢驗結果有時會存在一定差異。

[1] 朱從斌,葛林濤,朱坤. 核島主設備制造和役前檢查階段無損檢測技術差異[J]. 無損檢測, 2015, 37(9): 50-54.

Differences of NDT Technology Requirement between Manufacture and Operation Period of Nuclear Equipment in ASME Code

GE Liang, CAI Jia-fan, NIE Yong, LIANG Ping

(Research Institute of Nuclear Power Operation, Wuhan 430223, China)

This paper takes the ASME code as an example to describe the requirement of NDT for nuclear equipment in Manufacture and Operation Periods, and to analyze and compare the corresponding requirements of inspection scope, technique and acceptance standard in this two period, as well as, the sum-up the difference.

ASME; Nuclear equipment; NDT; In-service inspection

2015-08-18

葛亮(1986-)，男，學士，工程師，主要從事無損檢測技術研究和工程應用工作。

10.11973/wsjc201603021

TG115.28

A

1000-6656(2016)03-0085-06