歐洲先進壓水堆核電站薄壁異種金屬焊縫的超聲檢測

(中廣核檢測技術有限公司，蘇州 215021)

核電站的控制棒驅動機構(CRDM)是核反應堆的重要動作部件，通過其動作帶動控制棒組件在堆芯內上下運動，以實現反應堆的啟動、功率調節、停堆和事故情況下的安全控制等功能。耐壓殼下部異種金屬焊縫是重要的敏感部位，該焊縫長期處于高溫、高壓和高輻射的環境中，容易出現腐蝕和裂紋等缺陷，進而導致功能失效。該機組役前和在役檢查大綱參照法國FA3 電站的經驗[1]，筆者提出對控制棒驅動機構耐壓殼下部焊縫進行自動超聲檢測的要求。機組CRDM的位置分布示意如圖1所示。

圖1 CRDM的位置分布示意(俯視圖)

由于機組的89根CRDM密布于頂蓋之上，難以接近被檢焊縫、且在役檢測時放射性較高，對自動化檢測系統的掃查器尺寸及質量都有一定的限制，同時掃查系統的機械裝置應具有較高的精度，以保證檢驗結果的可靠性。因此，需要設計較高集成度的自動化檢測系統來進行超聲檢測。

CRDM耐壓殼下部焊縫為異種金屬焊縫(奧氏體-馬氏體)，奧氏體晶粒的各向異性使得超聲波在奧氏體晶界面發生嚴重的散射以及波型轉換，聲束在焊縫和馬氏體兩界面傳播時繼續發生散射，使得超聲檢測準確定位缺陷的難度增加[2]。

因此，在制定CRDM耐壓殼對接焊縫超聲檢測技術要求和工藝方案時，綜合考慮了國外同類核電機組的經驗反饋、具體輻射環境和被檢焊縫空間尺寸等因素。同時，在超聲檢測工藝選擇上必須考慮異種金屬焊縫粗晶組織引起的聲束偏轉、散射、衰減等的影響，以保證顯示信號定位的準確性和檢測結果的可靠性。

筆者主要針對第三代壓水堆機組控制棒驅動機構耐壓殼體的異種金屬焊縫的特點、輻射環境和被檢焊縫空間尺寸等難點，對焊縫超聲檢測方法進行了技術研究，并進行了現場應用。

1 檢測對象

將第三代壓水堆機組的CRDM結構與CPR1000機組的CRDM結構相比較，其結構設計上繼承了德國Konvoi機組的設計理念。耐壓殼各部分之間的連接、耐壓殼和貫穿件的連接方式不采用CPR1000機組的絲扣連接和CANOPY密封焊縫設計，改為對接焊縫連接；耐壓殼與接管座通過法蘭連接方式固定。其中，固定法蘭及上部耐壓殼的材料為奧氏體不銹鋼，中部耐壓殼材料為馬氏體不銹鋼，中部及下部殼體外徑為147 mm，壁厚為13.6 mm，長為811 mm。整根CRDM耐壓殼有4條焊縫，位于CRDM耐壓殼下部的固定法蘭與耐壓殼殼體的焊縫為超聲檢測焊縫(CW1/2)，焊縫位置示意如圖2所示。

圖2 CRDM下部(CW1/2)焊縫位置示意

超聲檢測焊縫(CW1/2)為異種金屬焊縫，其中靠近固定法蘭側基體材料為奧氏體不銹鋼，遠離法蘭側基體材料為馬氏體不銹鋼，焊縫厚度為13.6 mm，檢測區域為焊縫中心線兩側各20 mm，檢測深度范圍為殼體內表面及內表面起5 mm。根據該機組核電站檢測大綱的要求，需要從CRDM耐壓殼外部對該對接焊縫(CW1/2)進行自動超聲檢測。役前檢測的數量為89根，每次在役檢測均需要檢測一定數量的CRDM，以保障其正常運行，并且超聲技術能力驗證要求至少能有效檢出內表面起3 mm高的缺陷。CRDM焊縫(CW1/2)尺寸示意如圖3所示。

圖3 CRDM焊縫(CW1/2)尺寸示意

2 超聲檢測工藝

2.1 儀器

CRDM超聲檢測系統選擇8通道超聲儀Zscan-UT和采集分析軟件UltraVision3，系統具有較強的抗干擾能力以及較高的數模轉換率，有較大的帶寬，能與探頭較好地匹配。系統能實時顯示A/B/C/D-SCAN、動態顯示、多顯示組合，并具有輔助定量測量功能。

2.2 探頭

在對CRDM耐壓殼焊縫(CW1/2)進行超聲檢測時，根據被檢對象的材料、厚度、形狀、焊縫坡口形式等特點，以及探頭聲束的可達性來選擇探頭，具體分析如下。

(1) 探頭類型。縱波探頭的衰減要比橫波探頭的小，脈沖寬度窄的探頭可減小晶界的影響，薄壁焊縫適合選用聚焦深度探頭，可使特定區域波束截面積減小，從而減小晶粒散射的作用面積，而且可提高特定區域的靈敏度。

(2) 探頭角度。由于奧氏體不銹鋼焊縫中的焊縫組織多為柱狀晶，不同方向檢測時的信噪比和衰減不同，探頭聲束必須完全覆蓋整個焊縫和熔化區域，往往需要幾個探頭組合在一起才能實現全覆蓋檢測，應合理選擇縱波斜探頭的折射角，檢測時一般選用折射角為0°、45°和60°的探頭。

(3) 考慮周向檢測時工件外表面曲面對入射角的影響，周向檢測分別選擇45°和33°探頭，當聲束到達內表面處，入射角分別為60.2°和42°，更接近60°和45°實際入射角，增加了對內表面的檢測覆蓋。

(4) 探頭頻率。常用頻率為1 MHz5 MHz，晶粒尺寸和波長決定了探頭能夠獲得最佳信噪比。頻率高時，波長短，聲束指向性好，擴散角小，能量集中，因而發現小缺陷的能力強，分辯力好，缺陷定位準確,但高頻率超聲波在材料中的衰減大，穿透能力差；頻率低時，則相反，于是應選擇適中的頻率。

(5) 探頭晶片，探頭晶片的選擇是根據檢測范圍的大小以及探頭的性能綜合考慮的，對于CRDM 待檢1/2焊縫，CRDM 耐壓殼的外徑尺寸為147.3 mm，在保證探頭性能的情況下，可以采用較小的晶片，從而整個探頭的外殼也相對縮小，有利于探頭與掃查曲面的耦合。

綜上所述，針對其柱狀晶和高衰減異種焊接材料的特點，以及薄壁厚和小尺寸外徑的特點，可以選擇雙晶縱波聚焦探頭以減小特定檢測區域波束截面積、減小晶粒散射的作用，提高檢測區域的靈敏度，并選擇多角度探頭同時檢測，以提高缺陷檢出率；最后根據檢測范圍大小、檢測表面曲率、探頭耦合性能等綜合選擇了小晶片縱波聚焦探頭，并匹配相同曲率的楔塊，這樣不僅減小了探頭的外殼尺寸，提高了探頭的耦合效果，同時便于探頭架的設計與布置。探頭參數如表1所示(AOD147為外表面軸向檢測楔塊，楔塊外徑為147 mm，COD147為外表面周向檢測楔塊，楔塊外徑為147 mm;CW為順時針方向;CCW為逆時針方向)。

表1 探頭參數

2.3 探頭掃查方式

按照RCC-M 2010 《法國壓水堆核島機械設備設計和建造規則》標準要求，CRDM焊縫的自動超聲檢測時，探頭應從工件外表面采用4個方向進行檢測，即探頭聲束垂直于焊縫方向(一正一反)，平行于焊縫方向(順時針、逆時針)。在實施超聲檢測時，可采用多探頭安裝同時進行檢測的方式。考慮到缺陷形成的方向，檢測時對于掃查方式也有所規定：對于橫向缺陷，采用周向掃查軸向步進的方式檢測；反之，對于縱向缺陷，采用軸向掃查周向步進的方式檢測，步進值均為5 mm，探頭掃查方向示意如圖4所示。

圖4 探頭掃查方向示意

3 檢測裝置

CRDM異種金屬焊縫超聲檢測裝置主要包括：軸向運動部件、周向運動部件、探頭架組件、耦合劑回收系統、攝像頭、抱緊裝置和其他輔助組件等，掃查器結構示意如圖5所示，探頭布置示意如圖6所示(L表示超聲縱波)。

圖5 掃查器結構示意

圖6 探頭布置示意

在設備底部采用氣囊包裹工件表面，形成密封，使得耦合劑(去離子水)在掃查器底部蓄積之后被回收循環利用，并防止耦合劑泄漏；攝像頭可監視掃查器的運動和位置狀態；掃查器包括2個運動自由度，即周向旋轉運動和軸向直線運動，完成所需掃查運動。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可達到±1 mm。能夠穩定高效地完成超聲探頭的運動，兩軸最快掃查速度能夠達到40 mm·s-1，能夠有效地縮短檢測所需時間。

在實施役前和在役檢測時：首先需將反應堆壓力容器頂蓋(連同CRDM耐壓殼)吊裝至反應堆廠房標準高度為24.1 m的頂蓋臨時存放間；然后使用專用吊裝設備將CRDM檢測裝備從頂蓋上方的柵格穿入后，坐落在CRDM耐壓殼上，待掃查器落至CRDM耐壓殼法蘭肩部并完成定位后，通過氣動裝置抱緊并固定，保證設備安裝的穩定性和安全性。超聲采集設備和人員工作位置為+28.5 m高的平臺，通過遠程操控，完成檢測工作。

4 檢測結果與分析

模擬試塊采用與CRDM耐壓殼異種金屬焊縫相同的材料和焊接工藝加工而成，焊縫上部為馬氏體不銹鋼，焊縫下部為奧氏體不銹鋼。根據經驗反饋的結果，缺陷主要為內壁裂紋，所以從試塊內表面分別對馬氏體側坡口熔合線、焊縫中心和奧氏體側坡口熔合線加工橫向和縱向的電火花槽來模擬內壁裂紋缺陷。模擬試塊A上的缺陷寬度為0.2 mm，長度為10 mm，高度分別為1.5 mm和3 mm；模擬試塊B上的缺陷寬度為0.2 mm，長度為10 mm，高度分別為3 mm和5 mm。模擬試塊B的缺陷設計示意如圖7所示。

圖7 模擬試塊B的缺陷設計示意

CRDM異種金屬對接環焊縫檢測的記錄標準均參照RSE-M 2010規范，所有回波幅值不小于基準靈敏度(φ2 mm橫孔)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。橫向缺陷分析結果見表2，縱向缺陷分析結果分別見表3和表4。試塊B中的軸向和周向缺陷的數據分析示意如圖8和圖9所示(奧氏體側為Y+，馬氏體側為Y-)。

表2 橫向缺陷分析結果

從檢測結果可以得出以下結論。

(1) 綜合不同角度和檢測方向的結果，模擬試塊A和試塊B中所有缺陷均能有效檢出，信噪比均大于12 dB；缺陷最大幅值均大于記錄閾值，幅值范圍為DAC-12+0 dB；長度測量誤差在-2+6 mm，滿足規范要求。

(2) 在軸向檢測中，60°探頭檢出率高于45°探頭的；在周向檢測中，45°探頭檢出率高于33°(在內表面處入射角分別為60.2°和42°)探頭檢出率。綜合而言,大角度探頭的檢測靈敏度高于小角度探頭的，薄壁焊縫檢測中入射角60°的探頭檢出靈敏度較高。

表3 縱向缺陷分析結果(45°)

表4 縱向缺陷分析結果(60°)

圖8 軸向缺陷的數據分析示意

(3) 從馬氏體側(Y+)單側可檢出焊縫兩側高3 mm的缺陷，但是從奧氏體側(Y-)單側僅可檢出奧氏體側和焊縫中心的高3 mm以上的缺陷。分析原因，主要受奧氏體粗大柱狀晶的影響，檢測靈敏度較低。

圖9 周向缺陷的數據分析示意

5 現場檢測和缺陷處理

該項異種金屬焊縫自動超聲檢測系統在核電站進行了應用，現場檢測時，檢測裝置通過頂蓋上方的柵格板穿過，緩慢落座到CRDM耐壓殼下部，通過氣動裝置固定整體設備，探頭通過氣缸運動貼緊檢測表面，底部橡膠氣囊彈出，形成密封腔，用于回收耦合劑，檢測完各項指標參數后，開始檢測工作。單根檢測結束后，緩慢吊出設備，再進行下一根CRDM耐壓殼的超聲檢測工作。現場檢測示意如圖10所示。

現場檢測了頂蓋上全部的89根CRDM下部耐壓殼異種金屬焊縫，發現多處信號顯示，根據RCC-M 2007版的驗收標準，這些顯示信號達到記錄線，并未超過驗收標準的要求。典型的顯示信號如圖11所示，顯示信號分布在奧氏體側熔合線，從熔合線向奧氏體母材側延伸，幅值和長度未超過標準要求，屬于可接受范圍。

圖10 現場檢測示意

圖11 典型顯示信號

6 結語

(1) 所開發的自動超聲檢測技術能夠有效檢出焊縫內表面高度大于1.5 mm的缺陷，滿足超聲技術能力驗證中至少能有效檢出內表面3 mm高的缺陷的要求。

(2) 從馬氏體側(Y-)單側可檢出焊縫兩側高3 mm的缺陷，但是從奧氏體側(Y+)單側僅可檢出奧氏體側和焊縫中心的高度大于3 mm的缺陷。

(3) 現場應用的檢測結果表明,自動掃查系統能滿足現場特殊位置及其環境的要求，能精準、高效地完成現場檢測工作。