反應堆壓力容器接管安全端焊縫相控陣超聲檢驗技術研究

柯濤　丁松　余其濤　楊金莉　盧威

【摘 要】介紹了安全端焊縫的相控陣超聲檢驗技術方案，闡述了研究過程中相控陣探頭的關鍵參數(shù)設計，相控陣超聲檢驗探頭布置方式、數(shù)據分析方法、以及與常規(guī)超聲技術對比分析。結合檢驗技術要求，采用理論分析、數(shù)值模擬以及試驗比對等多種手段相結合的方式，結果表明：通過仿真及試驗驗證設計的相控陣探頭，可以有效替代多種常規(guī)檢測探頭，設計的相控陣檢測技術的檢測及定量能力優(yōu)于常規(guī)探頭，并能有效減少現(xiàn)場檢驗時間。

【關鍵詞】反應堆壓力容器；異種金屬焊縫；超聲相控陣；核電廠

中圖分類號： TG441.7 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）14-0053-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.14.023

Ultrasonic Phased Array Technique Research for Safe-end Weld of Nuclear Reactor Pressure Vessel

KE Tao DING Song YU Qi-tao YANG Jin-li LU Wei

（China Nuclear Power Operation Technology Corporation Ltd.，Wuhan Hubei 430223，China）

【Abstract】This article introduces technical scheme of ultrasonic phased array testing for safe-end weld of nuclear reaction pressure vessel，key technology and layout of probe，data analysis method and technology analysis compared with conventional ultrasonic method are also stated in this paper.According to requirement of testing technology，theoretical analysis，numerical simulation and contrast test are combined used in this paper.The results show that ultrasonic phased array probes which were proved by the numerical simulation and contrast test can instead of multiple conventional ultrasonic probe，meanwhile，the detection and sizing of designed ultrasonic phased array probe for the defect are superior to conventional ultrasonic probe，and inspection time in nuclear power plant can be effectively reduced.

【Key words】Reactor pressure vessel；Dissimilar metal weld；Ultrasonic phased array；Nuclear power plant

0 前言

安全端焊縫是多種不同材料構成的異種金屬焊縫，采用多層多道焊焊接工藝。因此該位置冶金、金相組織結構復雜，存在較粗大的柱狀晶；焊接過程中比較容易產生制造缺陷，這種制造過程中的缺陷，在長期高溫、高壓、輻照的在役條件下，可能成為疲勞、晶間腐蝕等問題的源發(fā)地[1-3]。因此為保障安全端材料不受電化學因素的作用和防止一回路介質的腐蝕，在壓力容器接管側內壁還堆焊有奧氏體鋼堆焊層，由于該基體（鐵素體）、預堆邊（Inconel合金或不銹鋼）和堆焊層（不銹鋼）三者之間熱膨脹系數(shù)不一致，因此在安全端預堆邊焊位置發(fā)生早期失效的可能性遠大于容器其余位置。[4]所以定期對接管安全端焊縫進行超聲檢驗顯得十分必要，能夠及時發(fā)現(xiàn)焊縫中產生的危險性缺陷，并對其進行準確定量，為缺陷的分析和評定提供準確數(shù)據，使其得到盡快處理，從而維護和保障核電設施的安全。

隨著我國核電事業(yè)的發(fā)展，核電站核反應堆數(shù)量不斷增加，承擔的反應堆壓力容器超聲檢驗任務愈加頻繁，業(yè)主對檢驗質量，檢驗效率和檢驗工期的要求也越來越高。目前國內對于接管安全端焊縫的檢驗廣泛采用TRL技術。此技術采用多角度，多種聚焦深度的雙晶探頭進行分層檢查，周向和軸向探頭數(shù)量多達幾十個。在電站大修檢驗中，接管安全端的檢驗工作從前期的探頭標定、設備調試到后續(xù)的上堆正式檢查所需的工作量約占壓力容器檢驗總工作量的20%左右。

因此，筆者在研制開發(fā)高效可靠的新掃查裝置的同時，在已有較成熟的常規(guī)超聲檢驗技術基礎上，開展接管安全端焊縫相控陣超聲檢驗應用技術方面的分析和研究，設計出先進、可靠、快捷的可應用于核電現(xiàn)場反應堆壓力容器接管安全端焊縫相控陣超聲檢驗技術，發(fā)揮相控陣檢測技術的優(yōu)勢，提高反應堆壓力容器接管安全端焊縫超聲檢驗的工作效率，縮短檢驗作業(yè)時間，減少核電大修窗口時間，減少人員所受的輻射劑量，將具有很大的市場需求和經濟價值。

1 反應堆壓力容器接管安全端焊縫相控陣超聲檢驗技術

1.1 相控陣探頭設計

考慮以原有成熟的常規(guī)超聲檢測技術為基礎，保留常規(guī)0°雙晶探頭，其他探頭統(tǒng)一采用二維雙晶縱波（TRL）相控陣探頭來替代常規(guī)TRL探頭：

采用1個TRL二維相控陣縱波探頭（Ⅰ型），替代常規(guī)技術中37°、45°深焦和60°、70°淺焦探頭。

采用1個TRL二維相控陣縱波探頭（Ⅱ型），替代常規(guī)技術中45°淺焦探頭。

相控陣技術方案見表1。探頭掃查方式同常規(guī)超聲方法的掃查方式，掃查分為軸向掃查和周向掃查兩種方式，具體的掃查方式和掃查參數(shù)見表2。

按擬定的設計思路，筆者設計了兩種型式的相控陣探頭，探頭具體參數(shù)如下：

I型相控陣探頭2L2（7×4）-Pp3.5-Ps4.0-W19.5-R3

II型相控陣探頭4L2（1×3）-Pp9.0-Ps2.5-W17R5

1.2 相控陣探頭聲場仿真和法則驗證

根據技術方案確定的參數(shù)進行聲場模擬和法則驗證，信息見表3，其聲場均無明顯柵波，-6dB焦距深度可覆蓋全厚度區(qū)域。

2 試驗方法及試驗結果

2.1 設備及試塊

采用DYNARAY（64/256PR）或DYNARAY-Lite（64/64PR）相控陣超聲儀器進行試驗，試塊為帶自然缺陷的異種金屬環(huán)焊縫試塊。其中試塊外徑為916mm，壁厚為90mm。試塊中缺陷為缺陷為平面型缺陷，缺陷類型為內表面缺陷、外表面缺陷和埋藏缺陷。試塊中人工缺陷設計參數(shù)如表4所示。

2.2 試驗結果

使用I型相控陣探頭（2L2（7×4）-Pp3.5-Ps4.0-W19.5-R3）設置聚焦法則37FD70、45FD10～70、60FD15、70FD10在參考試塊上制作好TGC曲線，對試驗試塊上的9個缺陷進行自動檢測。當發(fā)現(xiàn)缺陷后，采用-6dB法進行測長，端點衍射法進行測高。為了對比檢查結果，將相控陣的檢查結果同常規(guī)自動超聲的檢查結果，以及缺陷的設計值進行比較。試塊的檢測結果如表5所示。試塊內表面開口缺陷按照探頭產生的表面波均能準確判斷檢測結果如圖1所示。

從檢測試驗結果可以看出，采用的相控陣檢測技術，均可以實現(xiàn)內表面開口平面型缺陷、埋藏缺陷和外表面開口缺陷的檢測，相控陣探頭能夠實現(xiàn)聲波對被檢安全端焊縫的全體積覆蓋。采用超聲相控陣技術的缺陷高度測量均方根誤差為2.0mm、長度均方根誤差為6.7mm，均滿足ASME標準中的高度均方根小于3.2mm、長度均方根小于19mm的要求[5]；采用常規(guī)自動超聲檢查高度測量均方根誤差為3.0mm、長度均方根誤差為6.9mm。

3 結語

本著提高反應堆壓力容器接管安全端焊縫超聲檢驗工作效率，縮短作業(yè)時間，減少核電大修關鍵路徑時間的原則，針對核電站反應堆壓力容器接管安全端焊縫，提出采用相控陣檢查技術替代常規(guī)超聲自動檢測。選用二維雙晶面陣探頭。利用聲場仿真和法則驗證，模擬了相控陣探頭的覆蓋范圍。對含自然缺陷的異種金屬環(huán)焊縫試塊進行試驗，結果表明：研究的相控陣技術可以實現(xiàn)試塊全體積缺陷的檢測和定量，定量結果符合ASME規(guī)范的要求。如果通過進一步優(yōu)化及改進，該技術可以推廣到核電站反應堆壓力容器接管安全端焊縫的檢測中。

【參考文獻】

[1]鄭輝，林樹青.超聲檢測[M].北京：中國勞動社會保障出版社，2008，171-210.

[2]呂天明，劉金宏，李明，陳懷東，袁書現(xiàn).反應堆壓力容器安全端異種金屬焊縫超聲檢查技術[J].無損檢測，2014，04：8-13.

[3]曾玉華，陳霞，王家建，盧威，陳勝宇.核電站反應堆壓力容器接管安全端焊縫渦流檢測[J].無損檢測，2014，10：41-43.

[4]陳懷東，肖學柱，李明，劉金宏.核電站安全端異種金屬焊縫超聲檢查技術[J].無損檢測，2009，11：862-867.

[5]ASME規(guī)范XI卷[S].2004版.