核電站VVP系統(tǒng)管道焊縫超聲檢測技術(shù)研究

聶凱

摘 要：核電站VVP系統(tǒng)主要是將蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的主蒸汽送到汽輪機(jī)高壓缸中，屬于核二級(jí)系統(tǒng)，在核電站中的作用舉足輕重。機(jī)組大修中對VVP系統(tǒng)管道焊縫的檢查主要采用射線檢測方法，但是該方法受限于時(shí)間、隔離、風(fēng)險(xiǎn)大等因素，往往較難開展。廠方希望找出另外一種檢測方法代替射線檢驗(yàn)，筆者針對VVP系統(tǒng)管道焊縫的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，研究制定了專門的超聲檢測工藝，通過實(shí)際檢測并跟射線檢測結(jié)果對比，驗(yàn)證了該工藝的可行性。

關(guān)鍵詞：VVP系統(tǒng) 超聲檢測 工藝

中圖分類號(hào)：TM623.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2019）03（b）-0083-03

核電站VVP系統(tǒng)主要是將蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的主蒸汽送到汽輪機(jī)高壓缸中，屬于核二級(jí)系統(tǒng)。VVP系統(tǒng)管道所輸送的工質(zhì)流量大、參數(shù)高（其設(shè)計(jì)運(yùn)行壓力為8.6MPa，設(shè)計(jì)溫度為316℃），因此對核電廠運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性影響相當(dāng)大。VVP系統(tǒng)管道焊縫在長期高溫、高壓、汽蝕的在役條件下，一些原來存在的小缺陷可能會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大，也可能產(chǎn)生新的疲勞、裂紋等危險(xiǎn)類缺陷，從而影響機(jī)組安全。機(jī)組停堆大修期間對VVP管道焊縫的檢測通常采用射線檢測的方法，但是該方法受限于時(shí)間、隔離及風(fēng)險(xiǎn)大等因素，實(shí)施起來較為困難。廠方希望找出另外一種檢測方法代替射線檢驗(yàn)，該方法應(yīng)簡單易操作，檢測時(shí)可以不影響其他工作，最重要的是對缺陷的檢出應(yīng)該不低于射線。筆者針對VVP系統(tǒng)管道焊縫的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并根據(jù)法國RCC-M規(guī)范，研究制定了專門的超聲檢測工藝，通過實(shí)際檢測并跟射線檢測結(jié)果對比，驗(yàn)證了該工藝的可行性。

1 檢測對象

檢測對象為核電廠VVP系統(tǒng)管道焊縫，規(guī)格為φ813mm×37mm，材質(zhì)為TU48C，被檢區(qū)域包括焊縫及焊縫邊緣兩側(cè)熱影響區(qū)，熱影響區(qū)寬度為焊縫邊緣兩側(cè)10mm。檢驗(yàn)區(qū)域照片見圖1。

2 檢測工藝分析

TU48C鋼屬于低合金鋼，等同于國內(nèi)的20MnG鋼，該對接焊縫易產(chǎn)生的缺陷種類主要有裂紋、氣孔、夾渣、未焊透及未熔合等[1]，制定的超聲檢測工藝應(yīng)能保證對焊縫進(jìn)行全體積掃查，在對上述缺陷不漏檢的同時(shí)，應(yīng)能根據(jù)信號(hào)特征分辨出缺陷種類。工藝中使用的超聲波探傷儀、探頭及試塊等應(yīng)滿足該核電站的適用規(guī)范RCC-M，另外檢測中的表面條件、掃查速率、溫度及記錄要求等也應(yīng)該滿足相關(guān)要求。

3 檢測工藝的確定

3.1 超聲波探傷儀

為了容易發(fā)現(xiàn)和判別缺陷，通常在選取超聲檢測儀時(shí)選擇較高分辨率和較窄始脈沖寬度的儀器[2]。該檢測對象廠房里面分布的位置較廣，對其檢測宜選擇輕巧便攜、屏幕光亮度好、操作系統(tǒng)簡便的儀器。同時(shí)為了便于信號(hào)的分析和處理，要選擇能儲(chǔ)存和記錄超聲波信號(hào)的超聲波檢測儀。另外儀器的參數(shù)，如垂直線性和水平線性應(yīng)能滿足法規(guī)要求，本工藝采用滿足上述要求的國內(nèi)某公司生產(chǎn)的CTS-4020型超聲探傷儀。

3.2 探頭

與所有傳感器系統(tǒng)一樣，超聲檢測系統(tǒng)的核心是探頭的設(shè)計(jì)。焊縫中的未焊透、未熔合、夾渣、裂紋等缺陷大多與檢測面垂直或成一定角度，因此探頭一般選擇靈敏度更高的橫波探頭檢測。探頭頻率的高低對檢測有較大的影響，頻率越高，靈敏度和分辨力越高，對檢測有利；但頻率越高，衰減越大，又對檢測不利。對于具體使用多少頻率，RCC-M規(guī)范并沒有明確指出，國內(nèi)規(guī)范推薦使用2.5～5MHz的頻率，通過理論計(jì)算得出，對于2.5MHz，超聲波的波長為1.3mm；對于5MHz的探頭，超聲波的波長為0.65mm。根據(jù)超聲波的衍射（繞射）原理得知，超聲檢測的靈敏度約為波長的一半，另外考慮到本工藝要對射線檢測結(jié)果進(jìn)行對比，需要較高的檢測靈敏度，所以考慮使用探頭的頻率為5MHz。RCC-M指出用兩個(gè)不同折射角的橫波檢驗(yàn)時(shí)，這兩個(gè)折射角的標(biāo)稱值原則上至少相差15°，因此本工藝使用的橫波探頭角度為45°和60°。另外考慮到橫波掃查時(shí)，母材區(qū)域可能存在的分層對檢測有影響，因此橫波探頭掃查前用縱波直探頭對其母材進(jìn)行檢測。本工藝還使用了單晶縱波斜探頭，用于對非體積型顯示的高度進(jìn)行測量。本工藝超聲探頭參數(shù)見表1。

3.3 參考試塊

根據(jù)被檢對象規(guī)格制定了合適的參考試塊，主要用于基準(zhǔn)靈敏度的設(shè)置，試塊的材質(zhì)、外形、厚度等與VVP系統(tǒng)管道相同。根據(jù)RCC-M規(guī)范要求，本參考試塊的人工反射體為φ2mm的橫通孔，各橫通孔的距離為10mm。參考試塊刻傷圖紙見圖2所示。

3.4 耦合劑

所用的耦合劑對受檢部件不能有腐蝕作用，工作結(jié)束后易清除。本工藝選用國內(nèi)某公司生產(chǎn)的CG-08型核工業(yè)專用耦合劑。

4 檢測步驟

4.1 表面準(zhǔn)備

VVP系統(tǒng)管道外表面有油漆，氧化皮等，不符合超聲檢測的要求，因此檢測前要對焊縫兩邊進(jìn)行打磨處理，使其表面粗糙度小于6.3um。另外打磨要有足夠的范圍。根據(jù)計(jì)算，打磨范圍至少為兩側(cè)200mm，才能保證各角度探頭全體積掃查。

4.2 時(shí)機(jī)線性校準(zhǔn)

儀器的時(shí)機(jī)線性直接影響到缺陷定位的準(zhǔn)確度，因此基準(zhǔn)靈敏度標(biāo)定前要進(jìn)行時(shí)機(jī)線性的校準(zhǔn)，方法是縱波直探頭用國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)試塊CSK-IA的20mm和25mm的大平底進(jìn)行校準(zhǔn)，用閘門分別框住兩個(gè)大平地波，儀器可自動(dòng)進(jìn)行時(shí)機(jī)線性校準(zhǔn)。斜探頭也是基于上述原理，不同的是用R50mm和R100mm的圓弧面進(jìn)行校準(zhǔn)。

4.3 基準(zhǔn)靈敏度設(shè)置

基準(zhǔn)靈敏度的設(shè)置采用距離-幅度曲線方法，在上述參考試塊上，將探頭放在響應(yīng)最強(qiáng)反射體上方回波最大的部位，將波幅調(diào)到屏幕高度的80%左右，不改變靈敏度下依次測出其它不同深度反射體的最大回波幅度，連接這些不同點(diǎn)的曲線形成距離-幅度曲線，此時(shí)靈敏度為基準(zhǔn)靈敏度。

4.4 掃查

用超聲探頭在焊縫兩側(cè)進(jìn)行軸向和周向掃查，按照規(guī)范要求掃查速度不能超過150mm/s，當(dāng)探頭移動(dòng)時(shí)，每個(gè)步距至少有20%探頭（壓電晶體）面積重疊。另外掃查時(shí)至少應(yīng)在基準(zhǔn)靈敏度基礎(chǔ)上增益6dB。

4.5 記錄

對于超過記錄閾值的缺陷顯示應(yīng)予以分析，記錄顯示的位置、幅值、尺寸、類型、深度等信息，以便跟射線檢測結(jié)果進(jìn)行對比。

5 現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用

在某核電廠停堆大修期間，按照上述制定的檢測工藝對5條VVP系統(tǒng)管道焊縫進(jìn)行了檢測。檢驗(yàn)結(jié)果如下：在A焊縫上發(fā)現(xiàn)3處體積型顯示；在B焊縫上發(fā)現(xiàn)一處體積型（氣孔）顯示；在C焊縫上發(fā)現(xiàn)兩處平面型顯示，其他兩條焊縫未發(fā)現(xiàn)可記錄顯示。上述缺陷顯示的波形均十分明顯，完全能夠被分辨。具體顯示圖像見圖3～圖8。

6 與射線結(jié)果對比

在該核電機(jī)組停堆大修中，同樣對這5條VVP系統(tǒng)管道焊縫進(jìn)行了射線檢測，將射線檢測結(jié)果與超聲檢測結(jié)果進(jìn)行了對比，見表2和表3，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：A和B焊縫射線檢測出的氣孔、夾渣等超聲都能檢測出來，雖然超聲顯示的幅值很低，但仍然很明顯的被分辨出來，在C焊縫上兩個(gè)平面型顯示，射線檢測沒有被測出來，考慮這是由于射線檢測透照角度造成的[3]。其他兩條焊縫射線檢測也沒有發(fā)現(xiàn)顯示。

7 結(jié)語

通過對低合金鋼對接焊縫容易產(chǎn)生的缺陷類型分析及被檢對象的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，確定了核電站VVP系統(tǒng)管道焊縫的超聲檢測工藝，包括探頭波形、探頭頻率、角度、試塊等。通過現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用和跟射線檢測結(jié)果對比，結(jié)果表明，采用的工藝能夠滿足質(zhì)量檢測的要求。但是還應(yīng)指出，超聲檢測對表面要求條件高，而且焊縫周邊可能會(huì)有結(jié)構(gòu)阻擋造成掃查不可達(dá)，所以針對VVP系統(tǒng)管道一類的焊縫檢測，選取超聲檢測還是射線檢測，除了考慮質(zhì)量要求外，筆者建議還要綜合考慮部件是否可以打磨、可達(dá)性、工程進(jìn)度及經(jīng)濟(jì)性等綜合因素，以便做出最正確的選擇。

參考文獻(xiàn)

[1] 鄭暉，林樹青.超聲檢測[M].2版.北京：中國勞動(dòng)和社會(huì)保障出版社，2008.

[2] 徐彩云.薄板焊縫超聲波探傷探頭的選擇[J].現(xiàn)代冶金，2013，41（4）：46-48.

[3] 強(qiáng)天鵬.射線檢測[M].2版.北京：中國勞動(dòng)和社會(huì)保障出版社，2007.