ASME和ПНАЭ規范中反應堆壓力容器筒體焊縫超聲波檢驗技術對比

張運平 周帆 張志鵬 陳飛 李迎春

【摘 要】在核電廠役前和在役檢查時，對于核級焊縫的超聲波檢驗技術需嚴格按照相關規范要求執行，以保證核電機組的安全運行。分別以美國ASME規范和俄羅斯ПНАЭ規范為例，就反應堆壓力容器筒體焊縫的超聲檢驗技術進行了分析，為從事相關無損檢測的人員提供一定參考。

【關鍵詞】在役檢查;核級焊縫;反應堆壓力容器;ASME規范;ПНАЭ規范

中圖分類號： TM623 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）04-0015-004

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.04.006

Comparison of Ultrasonic Inspections for Reactor Pressure Vessel Welds in Nuclear Power Plants

Based on ASME and Russian Codes

ZHANG Yun-ping ZHOU Fan ZHANG Zhi-peng CHEN Fei LI Ying-chun

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

【Abstract】In the pre-service and in-service inspection of nuclear power plants，the ultrasonic inspection technology for Nuclear-lever welds should be strictly in accordance with the relevant codes to ensure the safe operation of nuclear power plant.Taking ASME and Russian codes as examples，the ultrasonic inspection technology of the reactor pressure vessel welds was analyzed，and provide some reference for those engaged in related non-destructive testing.

【Key words】In-service inspection;Nuclear safety class welds;Reactor pressure vessel;ASME;Russian

0 前言

核反應堆壓力容器是核電廠和核動力裝置中最重要的設備，核反應堆壓力容器的質量是保證核電設備和核動力裝置正常安全運行的關鍵。為確定壓力容器的質量，在核電廠和核動力裝置的檢驗規范中，對反應堆壓力容器的焊縫及其它部位提出了無損檢測的強制性要求，并指定分別在投入使用前和運行一定間隔時間內對反應堆壓力容器實施役前檢查和在役檢查。

在核電廠和核動力裝置的檢驗規范中，對核反應堆壓力容器的無損檢測主要采用超聲檢測技術和視頻檢測技術。由于核反應堆壓力容器的體積較大，受檢對象涵蓋了厚壁筒體焊縫、接管焊縫、接管交貫面、接管與安全端的厚壁管道對接焊縫以及堆焊層表面等眾多不同類型的對象，相應地其檢查技術也包含了眾多不同類型的檢查技術。

為了更好的理解和使用規范，本文結合ASME規范和俄羅斯ПНАЭ規范在反應堆壓力容器筒體焊縫的超聲檢驗技術進行了對比分析，并進行了歸納總結。

1 被撿對象

在核設備規范中要求對反應堆壓力容器的檢查對象包括所有焊縫、接管交貫面、堆焊層。除了壓力容器內表面堆焊層采用視頻檢查外，其余對象均采用超聲檢測技術。超聲檢測的內容包括：

筒體環焊縫、支撐焊縫以及接管焊縫都是低合金鋼厚壁對接焊縫，其中最大厚度達到了330mm。接管與安全端連接焊縫是連接鐵素體材料與不銹鋼鍛件的管道對接異種金屬焊縫，該焊縫還包含有鎳基合金隔離層。安全端與管道連接焊縫是連接不銹鋼鍛件與不銹鋼鑄件的管道對接同種金屬焊縫。

2 ASME規范和俄羅斯ПНАЭ規范超聲檢查技術的主要區別

（1）ASME規范要求以長橫孔或槽作為參考試塊中的反射體，而俄羅斯ПНАЭ規范中要求以平底孔作為參考試塊中的反射體。

（2）ASME規范推薦相對較高的探頭頻率進行缺陷檢測和定量，并采用尖端衍射法的缺陷定量技術。而俄羅斯ПНАЭ規范推薦使用低頻超聲探頭、60°檢測范圍相對較小，采用水浸法和接觸式脈沖回波法相結合的檢查方式，以及使用串列式探頭進行裂紋定量等。

（3）ASME和俄羅斯ПНАЭ規范的顯示記錄原則相似，均是依據不同的檢驗對象做出規定。顯示記錄后首先需判斷是否為相關顯示，非相關顯示不需要進一步分析，如檢驗中由于復雜的結構或噪聲引起的偽缺陷。只有達到記錄標準的相關顯示才被定義為缺陷，兩個規范間的顯示記錄標準對比表見表1。

（4）ASME規范以幅值或缺陷自身尺寸作為記錄和驗收依據，而俄羅斯ПНАЭ規范以當量面積法作為缺陷檢測和定量的基本依據。

（5）ASME和俄羅斯ПНАЭ規范對缺陷定量技術存在顯著差異，主要表現在缺陷自身高度的定量和缺陷長度的定量，對比表見表2。

3 實例分析

以某電廠在役檢查為例，其反應堆壓力容器筒體環焊縫厚度為192.5mm，內表面堆焊層有9mm的不銹鋼耐腐蝕層。在實施檢查過程中，按照規范要求對反應堆壓力容器筒體環焊縫分別依據ASME和俄羅斯ПНАЭ規范從內表面實施超聲檢查。

3.1 依據ASME規范分析

（1）參考試塊的設計

按照ASME規范要求，在每隔T/4厚度上設計Φ7.9mm橫孔，同時在堆焊層與母材界面以及離堆焊層表面每12.7至T/4鉆5個近表面孔，孔徑Φ3.2mm橫孔，并設計上下表面槽，如圖3-1所示。

（2）超聲探頭選擇

一般采用垂直于檢驗面標稱角度為45°、60°、70°的三個斜探頭，也可用標稱角度為45°、60°以外的斜探頭，需測得的角度差在10°以內。在近檢驗面T/4厚度的材料范圍內應補充進行T/4范圍的斜射波檢驗，在此T/4范圍用與檢驗面垂直方向成60°～70°的單晶或雙晶縱波或橫波斜探頭。此焊縫檢驗探頭如表3所示。

一般采用1～5MHz的頻率進行檢測或探傷。對于反應堆壓力容器的超聲波檢測可采用較高的頻率來提高缺陷的分辨能力，而有利于缺陷的準確定位和精確定量。但是采用較高頻率的探頭會引起相對較大的噪聲，而影響對小缺陷的檢測。采用相對較低的頻率，對于所重點關注的面狀缺陷，則會有較大的反射回波，而有利于提高檢測率。綜合考慮下，在檢測中可采用1～2.5MHz的頻率用于缺陷的探測，采用4～5MHz的頻率用于缺陷的準確定位和精確定量。

（3）掃查靈敏度

掃查靈敏度比基準靈敏度增益至少提高6dB。

3.2 依據俄羅斯ПНАЭ規范分析

（1）參考試塊的設計

按照俄羅斯ПНАЭ規范要求，以平底孔作為參考反射體。根據被撿部件厚度要求，此試塊設計為Ф3.1mm平底孔參考試塊，示意圖見3.2-1。

（2）超聲探頭選擇

按照俄羅斯ПНАЭ規范要求的要求：

對接焊縫：采用兩種角度45+5°和60+5°，頻率為1.25～2.25MHz的斜探頭進行超聲一次波檢驗。其中60°以上的斜探頭只檢查深度方向60mm內的區域。

電子束焊的對接焊縫：附加探頭串列式掃查，用于掃查垂直于（或接近垂直）掃查表面的面狀缺陷，串列探頭角度為45～50°，頻率為1.8～2.5MHz。

堆焊層：采用2-5MHz的兩種探頭：雙晶直探頭，和65°-70°的斜探頭進行檢測。

此焊縫檢驗探頭如表3所示。

（3）掃查靈敏度

掃查靈敏度比基準靈敏度增益至少提高6dB。

4 結語

ASME規范和俄羅斯ПНАЭ規范均對檢驗部件做出了明確規定。由于規范體系不同，兩個規范在超聲檢驗技術上存在顯著差異。俄羅斯規范要求以平底孔作為參考反射體確定檢驗靈敏度，并主要按照缺陷的當量面積（相當于平底孔的當量面積）作為驗收準則的判斷參數，這種檢驗方法依賴于超聲波信號幅度;而ASME規范主要以長橫孔或槽作為參考反射體確定檢驗靈敏度，并按照缺陷的自身高度和長度的相互關系作為驗收準則的判斷參數。通常來說采用某一規范體系設計的核電機組，應按照該系規范中規定檢驗技術執行，避免規范混用。

【參考文獻】

[1]葛亮，蔡家藩，聶勇，等.ASME規范對核設備制造和運行期間的無損檢驗要求對比[J].無損檢測，2016，38（3）：85-90.