EPR核電站主管道的超聲相控陣檢測

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(中廣核檢測技術有限公司,蘇州 215021)

EPR機組是我國引進并改進的第三代壓水堆核電機組，其主管道的主要功能是輸送含有放射性物質的水介質和保持壓力邊界的完整性，是連接主回路系統的重要管道，屬于核電站主一回路系統。機組服役期間需在高溫高壓、腐蝕、輻照等復雜工況下運行40～60 a，主管道的奧氏體不銹鋼焊縫及其熱影響區容易出現晶間腐蝕、疲勞裂紋、沖蝕等缺陷,所以在役前和在役過程中需要對其進行嚴格的無損檢測。EPR機組主回路系統由對稱布置的4個環路組成，每個環路有11道金屬環焊縫，如圖1所示(圖中以代號標注焊縫名稱和位置)。

圖1 主管道分布圖

美國壓力容器研究委員會(PVRC)于1974年與歐洲共同體委員會(CEC)合作，開展了“鋼制件檢驗計劃的研究課題(PISC)”，到1993年底已延續了20 a，鋼制件檢驗計劃的研究結果證明：超聲檢測對厚焊縫中裂紋的檢出率明顯地高于射線檢測的檢出率，因此確立了核電站主管道的在役超聲檢測機制。相比于CPR1000機組，EPR機組主管道的制造方式由鑄造變鍛造，檢測方式也由射線檢測改為超聲檢測。并且，EPR機組的役前檢測大綱和在役檢測大綱要求對主管道環焊縫及其附近母材區域進行全壁厚超聲波檢測。

奧氏體不銹鋼焊縫具有粗大柱狀晶組織和各向異性等特點，會引起超聲波的嚴重衰減、信噪比顯著下降、聲束彎曲等，從而造成缺陷定位不準確等問題[1]，故需要有針對性地設計超聲檢測工藝，以保證顯示信號定位的可重復性和準確性。相比常規超聲，超聲相控陣檢測技術的聲束靈活可控，可在不改變探頭布置的前提下對檢測對象進行多角度、多方位和多點聚焦地掃查，并可將信號顯示為直觀的圖像，一次掃查覆蓋范圍更廣，從而能降低缺陷的漏檢率[2]，提高檢測可靠性和檢測效率，已被廣泛應用于復雜結構部件的檢測中。筆者從超聲相控陣檢測技術出發，利用專業仿真軟件和含有自然缺陷的主管道奧氏體不銹鋼管道環焊縫試塊，開展第三代核電站主管道相控陣檢測技術的研究工作。

1 檢測對象

主管道母材采用奧氏體超低碳不銹鋼，采用鍛造方法制成，具有大壁厚和大管徑的特點;焊縫采用窄間隙焊接技術，焊縫坡口尺寸示意如圖2所示[3]。選擇ER316L核級焊材(金相組織為奧氏體+鐵素體雙相組織)，其在固溶處理后能得到單一的奧氏體組織。基體金屬、填充金屬、規格尺寸等參數見表1。依據RCC-M 2007《壓水堆核島機械設備設計和建造規則》和RSE-M 2010《在役檢測規則的機械零部件壓水堆核島》規范要求，EPR三代機組主管道奧氏體不銹鋼管道環焊縫的超聲檢測范圍為焊縫及焊縫兩側10 mm母材熱影響區的全壁厚區域。

部件位置基體金屬內徑/mm厚度/mm對應焊縫位置主管道母材X2CrNi19.1078097,90,76U2,U3,H2RPV進出口安全端Z2CND18-12N278076C2,H1SG進出口安全端Z2CND18-12N278097D1,D2,U1,H3主泵進出口管嘴Z3CN20.09M78091.5C1,U4

2 工藝仿真

根據主管道焊縫坡口形式，充分考慮母材和焊縫材料的聲學特性(聲束衰減、晶粒大小和各向異性等)，利用焊縫樹突狀結構的連續變量模型來模擬焊縫中不同取向的柱狀晶體對聲束造成的偏轉和衰減，建立了主管道奧氏體不銹鋼對接環焊縫的仿真模型，超聲波束在通過奧氏體不銹鋼焊縫模型時發生的不規則偏轉如圖3所示。

由于奧氏體不銹鋼焊縫組織多為粗大柱狀晶體，具有各向異性，超聲波傳播時會在晶界發生散射以及波型轉換，引起聲波衰減、信噪比和靈敏度降低，而造成顯示定位不準。針對主管道粗晶材料的特點，為增加特定檢測區域的檢測靈敏度，將被檢焊縫區域分為近外表面區域、中部和內表面區域3部分，檢測時分區域覆蓋被檢焊縫，相鄰兩區域有部分重疊[4]。相應的聲場仿真也分為上、中、下三層，覆蓋特定的檢測區域，并有部分重疊。筆者設計了兩種分別用于焊縫中縱向和橫向缺陷檢測的雙晶面陣相控陣探頭(探頭參數見表2)，具體如下所述。

(1) 相控陣探頭1.5M32×2，用于主管道環焊縫的縱向缺陷檢測和定量，通過設置相控陣聚焦法則，同時實現3種電子線性掃查：60°FS20縱波(FS20表示聲程聚焦模式，聚焦在聲程20 mm處，以下類推)、45°FS40縱波、45°FS90縱波；

(2) 相控陣探頭1.5M12×5，用于主管道環焊縫的橫向缺陷檢測和定量，通過設置相控陣聚焦法則，同時實現3種特定聲束掃查：60°FS20縱波、45°FS40縱波、37°FS90縱波。

表2 相控陣探頭參數

圖4 相控陣探頭聲場仿真示意

相控陣電子線性掃查和特定聲束的聲場仿真示意如圖4所示，探頭楔塊均采用與主管道相匹配的曲面楔塊。

通過仿真軟件對設計的兩種相控陣探頭的聲場進行仿真，仿真結果見表3。結果表明：所選擇的相控陣探頭聲束能量集中，每個單獨-6 dB聲場重疊后能有效覆蓋全壁厚的檢測范圍，并且每層聚焦區域有一定的重疊。

表3 聲場仿真結果

3 相控陣檢測試驗

采用自主研發的主管道自動超聲掃查器(見圖5)進行自動化超聲檢測，掃查器由快速安裝軌道、周向運動模塊、軸向運動模塊、探頭盤、耦合供水系統等多個部分組成。主管道自動超聲掃查器包括2個運動自由度：周向旋轉運動和軸向直線運動。其中，周向旋轉運動的定位精度和重復定位精度可達到±1°和±0.5°；軸向直線運動的定位精度和重復定位精度均可達到±5 mm。其能夠穩定高效地完成超聲探頭軌跡運動的需要，并且能適應垂直、水平和傾斜管道的檢測。掃查器帶有快速鎖緊結構，便于安裝和拆卸，兩軸最快掃查速度可達到80 mm·s-1，能夠有效地縮短檢測所需時間。

圖5 自動超聲掃查器結構示意

采用該掃查器自動化檢測時，相控陣探頭從主管道外側沿周向進行柵格掃查，周向x方向(平行于焊縫方向)掃查，軸向y方向(垂直于焊縫方向)步進。其中相控陣探頭1.5M12×5(檢測橫向缺陷)聲束方向平行于焊縫，相控陣探頭1.5M32×2(檢測縱向缺陷)聲束方向垂直于焊縫，可節省大量掃查時間，掃查示意見圖6。

圖6 掃查器對缺陷的掃查示意

檢測試塊按照EPR三代核電站主管道奧氏體不銹鋼窄間隙環焊縫的焊接工藝加工制成，與真實主管道環焊縫為1∶1大小。按照ASME BPVC《鍋爐及壓力容器》規范第Ⅺ卷強制性附錄Ⅷ要求，筆者單位委托國外某公司在該奧氏體不銹鋼管道焊縫超聲檢測試塊中加工了不同深度和方向的自然缺陷。該試塊的設計缺陷應為機械疲勞裂紋、穿晶應力腐蝕裂紋或熱疲勞裂紋，至少75%的裂紋應為穿晶裂紋或熱疲勞裂紋；試塊中至少1/3的缺陷的深度為5%～30%管道公稱壁厚，至少1/3的缺陷的深度大于30%管道公稱壁厚，且試塊中至少有10個缺陷，如圖7所示。

圖7 檢測試塊實物與設計圖

主管道奧氏體不銹鋼對接環焊縫檢測的記錄標準均參照RSE-M 2010規范A4221.4節的要求，所有回波幅值大于或等于基準靈敏度(φ2 mm橫孔)波幅的25%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，并逐一分析。缺陷定量采用噪聲法進行長度測量，采用端點衍射法進行高度測量。部分缺陷定量分析結果如表4所示，軸向和周向缺陷的數據分析示意如圖8，9所示。

表4 缺陷分析結果 mm

從檢測結果可以看出，采用超聲相控陣檢測技術可有效檢出主管道中不同埋藏深度的缺陷，能實現對主管道的全體積范圍檢測。根據ASME規范第XI卷強制附錄Ⅷ-3120節的要求，采用式(1)對缺陷定量結果的均方根誤差R進行了計算，結果如表5所示，可見檢測結果滿足規范要求，即缺陷長度測量均方根誤差不大于19 mm，缺陷高度測量均方根誤差不大于3.2 mm。

表5 缺陷定量結果的均方根誤差 mm

式中：mi為缺陷測量尺寸；ti為缺陷真實尺寸;n為

圖8 軸向缺陷分析

圖9 周向缺陷分析

測量樣本數。

4 結論

為了提高EPR三代壓水堆機組主管道環焊縫超聲檢測的可靠性和檢測效率，開展了主管道環焊縫超聲相控陣檢測技術的研究，針對奧氏體不銹鋼焊縫晶粒粗大和各向異性的特點，針對性地開發了相控陣檢測工藝。通過專業聲學仿真建立了焊縫模型，設計了兩種低頻、縱波和大孔徑的雙晶相控陣探頭，并采用分層聚焦的檢測工藝來增加聲束的穿透性、提高信噪比，從而提高檢測靈敏度。聲場仿真結果表明，所設計的檢測工藝能有效覆蓋全壁厚的檢測范圍。試塊中真實缺陷的自動化檢測結果表明：設計的超聲相控陣檢測工藝可以實現對主管道全壁厚的檢測覆蓋，具有使用探頭數量少、無需做軸向掃查、檢測定量可同時進行和檢測高效等優勢，同時缺陷定量結果滿足ASME規范的要求。