核電廠除氧器的超聲波成像檢測

趙 飛，孫林林，徐 聰，藍 錦，劉廣勝

(安徽強華電力發展有限公司，安徽 合肥 230000)

核電廠除氧器是為核電廠二回路提供合格水源的重要裝備，循環水流經蒸汽發生器，蒸汽管道，汽輪機，循環泵等重要設備[1]。除氧器焊縫的質量是核電廠長期安全運行的基礎，需要具有足夠的安全冗余。除氧器焊縫可能會產生氣孔、夾渣、裂紋、未焊透等焊接缺陷[2]，為了檢測焊接質量，設計文件及安裝技術規范書中均要求對現場焊接焊縫進行100%射線檢測。

射線檢測技術的優點是的底片以實物存儲，可以供多人觀看焊接結果，缺點是電離輻射傷害大，檢測效率低，損耗大，對厚壁焊縫中的微小型面狀缺陷、細小裂紋等容易漏檢。超聲衍射時差法檢測技術(以下簡稱TOFD)和超聲相控陣檢測技術(以下簡稱PAUT)具有檢測效率快，檢出率高，損耗小，無電離輻射等優點[3]，克服了X射線檢測的弊端，代替X射線檢測具有實際意義[4]。《承壓設備無損檢測》(NB/T47013—2015)第10部分對承壓設備中TOFD的應用進行了規定，《火力發電廠焊接接頭相控陣超聲檢測技術規程》(DL/T 1718—2017)對常規島及BOP建安中PAUT的應用進行了規定，這兩個標準為TOFD和PAUT替代X射線提供了標準依據。

1 工件概況

我國西南部某核電廠除氧器直徑為4.5 m，厚28 mm，其焊縫數量和尺寸都較大。安裝焊縫材質為SA-516 GR70，規格δ=28 mm，焊接方式為手工電弧焊(SMAW)，屬于中、低溫壓力容器用碳鋼板，焊接性能較好。焊縫采用X型坡口，上半部分厚為20 mm，下半部分厚8 mm，上表面焊縫最寬處28 mm，下半部分焊縫寬15 mm。焊縫檢測區的寬度應為焊縫本身加上焊縫熔合線兩側各10 mm，焊縫檢測區域的厚度應為工件厚度加上焊縫余高。

2 試驗方案

按照核電廠除氧器焊縫同參數制作模擬試樣，在各深度埋藏常見的典型缺陷，使用TOFD、PAUT和X射線照相進行檢測，與缺陷的實際位置、長度和高度進行比較。

2.1 檢測設備

TOFD采用的試驗設備為國內某公司的PXUT-910系統。PAUT采用法國某公司的GEKKO相控陣檢測系統。

TOFD使用7.5 MHz，4 mm晶片的探頭組，楔塊為70°，探頭中心間距(PCS)為102.6 mm。PAUT檢測探頭為5 MHz，一維線性陣，32塊晶片的探頭組探頭及楔塊的主要參數如表1所示。

表1 TOFD探頭參數和PAUT探頭參數Table 1 TOFD probe parameters and PAUT probe parameters

TOFD檢測使用CSK-IA/20試塊進行系統性能校準，使用TOFD-B作為對比試塊，掃查面盲區高度試塊測定試塊掃查面盲區高度,聲束擴散角試塊測定聲束擴散角。PAUT采用CSK-IA/20試塊進行系統性能校準，使用CSK-IIA-1/20試塊制作TCG曲線，按47013.3表27設定曲線，評定線φ2×40-18 dB，定量線φ2×40-12 dB，判廢線φ2×40-4 dB。

2.2 檢測覆蓋

TOFD主聲束在焊縫壁厚2/3位置，覆蓋角度5°～90°，能夠覆蓋整個工件厚度區域，初始掃查面盲區高度為6.5 m始底面盲區高度為1.28 mm，左右各偏置12 mm非平行掃查后底面盲區高度0.15 mm，

圖2 TOFD覆蓋范圍示意圖Fig.2 Schematic of TOFD coverage

PAUT采用直射波和一次反射體進行檢測，直射波覆蓋厚度范圍為3～28 mm，一次反射波覆蓋厚度范圍為0～28 mm，相控陣探頭聲束覆蓋傳播示意如圖3所示。

圖3 PAUT覆蓋范圍示意圖Fig.3 Schematic of PAUT coverage

2.3 掃查方式

為了檢測焊縫中不同方向的缺陷和滿足掃查覆蓋面的要求，TOFD采用非平行掃查和偏置非平行掃查[5]，PAUT使用直射法加一次反射法進行掃查[6]。

3 工件檢測與分析

3.1 工件檢測

在預定工件不同深度中制作不同樣式的人工缺陷。進行TOFD、PAUT檢測和X射線檢測，結果同實際數據對比。

圖4 TOFD檢測圖Fig.4 TOFD detection

圖5 PAUT檢測圖Fig.5 PAUT detection

依據ASME第Ⅲ卷NE分卷、第Ⅴ卷《無損檢測》中的關于除氧器對接焊縫檢測及驗收的相關要求，參考第Ⅺ卷中強制性附錄Ⅷ《超聲檢測系統的性能驗證》中對容器焊縫的性能驗證的規定，驗證TOFD和PAUT的檢出能力。主要是基于X射線檢測結果、TOFD正面和反面采集的數據和PAUT采集到的數據，與人工試樣缺陷數據進行對比分析。

3.2 缺陷檢出率分析

檢測結果如表2所示，TOFD、PAUT和X射線均能檢測出工件內7處缺陷。在理論上，X射線對于不同角度的面積型缺陷檢出能力有較大變化，對細小裂紋檢出能力不足。TOFD和PAUT對不同角度的面積型缺陷檢出能力更強。

3.3 缺陷定位分析

將X射線、TOFD和PAUT檢出結果與人工試樣缺陷數據進行比較，缺陷的定位偏差統計如圖6所示，圖中TOFD正面檢測位置最大正偏差0.7 mm，最大負偏差-0.6 mm，TOFD反面檢測位置最小負偏差0.0 mm，最大負偏差-0.7 mm，PAUT測量位置最大正偏差0.6 mm，最大負偏差-0.4 mm。TOFD和PAUT均能從儀器和讀圖軟件直接測量，且均能精確到0.1 mm。由圖6可以看出TOFD和PAUT缺陷定位與人工試樣缺陷數據相符。X射線底片檢測未有精確坐標，在測定長度時使用直尺進行測量，缺陷圖像有一定程度放大或變形的情況，缺陷定位準確度較差，X射線數據不能精確到0.1 mm。

表2 各檢測方法的缺陷檢出率統計

圖6 缺陷位置測量偏差比較Fig.6 Deviation comparison of defectlocation measurement

3.4 缺陷長度測量分析

采用TOFD從正面和反面檢測時，缺陷的測長最大正偏差為0.4 mm，最大負偏差為-0.4 mm。采用PAUT檢測時，最大正偏差0.5 mm，最大負偏差-0.2 mm。TOFD和PAUT均能從儀器和讀圖軟件直接測量，且均能精確到0.1 mm。同3.3，X射線數據不能精確到0.1 mm。

圖7 缺陷長度測量偏差比較Fig.7 Deviation comparison of defectlength measurement

3.5 缺陷高度測量分析

TOFD和PAUT檢測技術均采用端點衍射法來測量缺陷的高度。缺陷測高偏差統計結果如圖8 所示，經過換算，TOFD正面、TOFD反面和PAUT從正面測量數值如下，與表2中人工試樣缺陷的高度基本吻合。X射線不能從側面透照，無法測量高度，因此TOFD和PAUT缺陷測高優于X射線。

圖8 缺陷高度測量數據比較Fig.8 Deviation comparison of defect height measurement

通過X射線、TOFD和PAUT在工件上測試，比較缺陷檢出率、定位偏差、測長偏差和高度數據，TOFD和PAUT的缺陷檢出率符合檢測要求，定位測量、長度測量、高度測量與人工試樣缺陷數據一致，精確度高于X。

4 結論

(1)TOFD、PAUT和X射線能檢測出人工試樣中所有缺陷，對于微小型面狀缺陷、細小裂紋等缺陷，TOFD和PAUT在理論上檢出率高于X射線。

(2)TOFD和PAUT定位測量、長度測量、高度測量與人工試樣缺陷數據一致，精確度高于X。

(3)綜合比較，可以采用TOFD和PAUT可以代替X射線檢測。