反應堆壓力容器接管與筒體連接焊縫相控陣超聲檢驗技術研究

張運平 張志鵬 周帆

【摘 要】介紹了接管與筒體連接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設計，以及與常規超聲技術對比分析。結合檢驗技術要求，采用理論分析以及試驗對比等手段相結合的方式，結果表明：通過試驗驗證設計的相控陣探頭，可以有效替代多種常規檢測探頭，設計的相控陣檢測技術的檢測及定量能力優于常規探頭，并能有效減少現場檢驗時間。

【關鍵字】反應堆壓力容器;接管與筒體連接焊縫;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（2019）03-0205-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.03.085

Ultrasonic Phased Array Technique Research for Nozzle Weld of Nuclear Reactor Pressure Vessel

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

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

【Abstract】This article introduced technical scheme of ultrasonic phased array testing for weld of nozzle to nuclear reaction pressure vessel， and described the key technology and technology analysis compared with conventional ultrasonic method. According to requirement of testing technology， theoretical analysis and contrast test are combined used in this paper. The results showed 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; Nozzle weld; Ultrasonic phased array; Nuclear power plant

0 前言

反應堆壓力容器接管與筒體的連接焊縫是插入容器筒體內的插入式焊縫，形成了馬鞍面的外形，焊縫厚度較厚（300mm左右）。由于結構之間的關系，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地。目前，國內某電廠已出現過在反應堆壓力容器接管與筒體連接焊縫中發現超標缺陷的先例，因此定期對接管與筒體連接焊縫進行超聲檢驗顯得十分必要，能夠及時發現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。

隨著我國核電事業的發展，核電站核反應堆數量不斷增加，承擔的反應堆壓力容器超聲檢驗任務愈加頻繁，并對檢驗質量，檢驗效率和檢驗工期的要求也越來越高，接管與筒體的連接焊縫的復雜結構型式也對超聲檢測技術提出了更高的要求。因此，在研制開發高效可靠的新掃查裝置的同時，在已有較成熟的常規超聲檢驗技術基礎上，開展接管與筒體連接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場反應堆壓力容器接管與筒體連接焊縫相控陣超聲檢驗技術，發揮相控陣檢測技術的優勢，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與筒體連接焊縫相控陣超聲檢驗技術

在原有常規超聲檢測技術基礎上，考慮用一個相控陣探測探頭替代常規超聲技術中所有的探測探頭，同時用一個相控陣定量探頭替代常規超聲技術中所有的定量探頭：

采用1個一維相控陣探頭，使用固定角度法則替代常規技術中0°、10°、30°、50°探測探頭;

采用1個一維相控陣探頭，使用固定角度法則替代常規技術中定量探頭。

相控陣技術方案見表1。探頭掃查方式同常規超聲方法的掃查方式，軸向掃查方式，具體的掃查方式和掃查參數見表2。

2 試驗方法及試驗結果

2.1 設備及試塊

采用DYNARAY相控陣超聲儀器進行試驗，試驗試塊為帶人工缺陷的接管焊縫試塊。其中試驗試塊接管尺寸為Φ558.8mm（內徑）×110mm，筒體尺寸為 Φ3906mm（內徑）×263.5mm。試驗試塊中缺陷包括外表面平面型缺陷、埋藏體積型缺陷、內表面平面型缺陷。試塊中人工缺陷設計參數如表3所示。

2.2 掃查方式

采用自動掃查裝置，從接管內表面進行掃查。

2.3 試驗結果

使用探測用1維相控陣探頭在參考試塊上制作TGC曲線，對試驗試塊上的3個缺陷進行自動檢驗，發現缺陷后，采用定量用1維相控陣探頭進行定量檢驗。當發現平面型缺陷后，采用-6dB法進行測長，端點衍射法進行測高;當發現體積型缺陷后，采用-6dB法進行測長和測高。為了對比檢查結果，將相控陣的檢查結果同常規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4所示，典型信號圖見圖1所示。

從檢測試驗結果可以看出，采用的相控陣檢測技術，均可以實現內表面平面型缺陷、埋藏缺陷和外表面缺陷的檢測，相控陣探頭能夠實現聲波對被檢接管焊縫的全體積覆蓋。采用超聲相控陣技術的缺陷高度測量誤差范圍為-0.9～1.2mm、長度測量誤差范圍為3.7～12mm，采用常規自動超聲檢查高度測量誤差范圍為0～3.7mm、長度測量誤差范圍為1.4～5mm，均滿足缺陷定量精度要求中的長度測量誤差范圍為-6～25mm、高度測量誤差小于±5mm。

3 結語

本著提高反應堆壓力容器接管與筒體連接焊縫超聲檢驗工作效率，縮短作業時間，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管與筒體連接焊縫，提出采用相控陣檢查技術替代常規超聲自動檢測。選用1維相控陣縱波探頭對含自然缺陷的接管與筒體連接焊縫試塊進行試驗，結果表明：研究的相控陣技術可以實現試塊全體積缺陷的檢測和定量，定量結果符合定量精度的要求。如果通過進一步優化及改進，該技術可以推廣到核電站反應堆壓力容器接管與筒體連接焊縫的檢測中。

【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.