核電廠VVP疏水器管道焊縫相控陣超聲檢測與缺陷分析

劉恩凱，施建輝，張大勇，許星星，暢璐璐，王樹昌

（陽江核電有限公司，廣東陽江 529941）

0 引言

某核電廠常規島主蒸汽（簡稱VVP）系統疏水器管道焊縫在運行過程中發生裂紋穿孔導致泄漏，泄漏位置如圖1所示。為了確認缺陷屬于焊縫自身問題還是運行工況導致，以及排除其他管線焊縫是否存在同樣的缺陷，對疏水器系統內同類管線上的焊縫進行質量排查，第一批焊縫采用以往的射線檢測方式進行檢測，僅發現個別焊縫存在焊瘤缺陷，焊縫整體不合格率在5%左右；第二批焊縫采用研發的相控陣超聲檢測技術進行檢測，發現同批焊縫的整體不合格率高達50%以上，缺陷位置普遍集中在根部熱影響區附近。對于檢測不合格的焊縫，切割焊口后對根部內表面進行液體滲透檢測，顯示特征為裂紋缺陷，如圖2所示。

圖1 泄漏位置焊縫現場情況

圖2 焊縫內表面PT檢測情況

為進一步確認缺陷產生的根本原因，現場截取一段帶有裂紋缺陷的焊縫，采用金相、硬度、斷口電鏡等手段進行失效檢測。通過檢測結果的綜合分析確定缺陷的類型及產生原因，同時為后續其他機組的排查檢測手段的選擇及工程改造措施提供技術參考。

1 相控陣超聲檢測工藝制定

近幾年來，隨著壓電復合材料、微加工、微電子等技術的發展，相控陣超聲檢測技術在工業無損檢測領域取得突破性進展，尤其在火電廠碳鋼焊縫檢測領域已廣泛應用，2017年電力行業也頒布了國內首個碳鋼相控陣超聲檢測標準DL/T 1718—2017《火力發電廠焊接接頭相控陣超聲檢測技術規程》，但是對于不銹鋼管道焊縫的相控陣超聲檢測目前無標準可參考。

為了解決不銹鋼管道焊縫的相控陣超聲檢測技術難題，經過大量模擬缺陷試樣的相控陣超聲檢測與射線檢測進行對比，同時對不同規格（不同壁厚、不同焊縫寬度）的焊縫進行檢測試驗，自主設計了不銹鋼靈敏度對比試塊，經過大量的現場應用驗證，證明其檢測技術工藝及檢測結果準確可靠，進行了大量的模擬焊接缺陷對比試驗，并通過解刨驗證其缺陷檢測數據的準確性［1］。

1.1 相控陣超聲檢測工藝制定原則

VVP疏水器焊縫材料為022Cr19Ni10奧氏體不銹鋼，焊接方式為鎢極氬弧焊。管徑尺寸為76 mm，壁厚為7 mm。焊縫按照電力行業DL/T 1118—2009《核電廠常規島焊接技術規程》進行焊接，標準要求焊后進行100%體積性探傷。在無任何可參考標準的條件下，通過對NB/T 47013.3—2015《承壓設備無損檢測》附錄Ⅰ和DL/T 1718—2017標準中規定的內容進行研究，初步可確定相關設備的性能要求、試塊設計思路、探頭型號類型、驗收標準等重要參數的制定范圍。但是NB/T 47013.3—2015附錄Ⅰ規定的常規超聲不銹鋼對接接頭的厚度范圍在10～80 mm的范圍，本次VVP疏水器不銹鋼管道的壁厚為7 mm，不在其規定的檢測范圍，這樣需要重新對壁厚10 mm以下的不銹鋼管道焊縫的超聲檢測工藝和試塊進行綜合設計，以便滿足現場的檢測需要。

1.2 靈敏度對比試塊設計

基于NB/T 47013.3—2015附錄Ⅰ奧氏體不銹鋼焊縫的檢測思路，對于壁厚10 mm以上的需要制作帶有焊縫的靈敏度對比試塊，并在焊縫中鉆橫通孔，重點是保證靈敏度調試時與檢測時焊縫與母材對聲束衰減的差異保持一致，這樣才能保證所檢測缺陷的定量的準確性。對于壁厚10 mm以下的奧氏體不銹鋼焊縫，因其焊縫寬度和厚度都很小，通過對超聲波聲束在母材與焊縫的衰減差異進行測試結果表明，當量差異在2 dB以內，基本可忽略不計。因此，設計出如圖3，4所示的靈敏度對比試塊，并獲得國家實用新型專利（專利號：ZL 2019 2 0092385.7）。

圖3 T＜10 mm奧氏體不銹鋼焊縫對比試塊結構示意

圖4 T≥10 mm奧氏體不銹鋼焊縫對比試塊結構示意

1.3 檢測工藝參數

對于壁厚為6～10 mm的管道焊縫，推薦采用5S16-0.5×10自聚焦探頭開展檢測工作，在必要時也可以采用2.25S16-0.5×10或者7.5 S16-0.5×10探頭開展缺陷檢測或者缺陷驗證工作。自聚焦探頭的應用可以解決因管徑太小導致聲束擴散影響檢測靈敏度和分辨力的問題。經過標準分析及試驗驗證，確定壁厚T＜10 mm的不銹鋼管道單V形坡口對接焊縫與母材對超聲波聲束衰減的差異可以忽略不計，因此靈敏度對比試塊擬采用不銹鋼母材作為基體進行設計，檢測時主要采用1，2，3次波進行單面雙側掃查（如圖5所示），編碼器步進精度為1 mm。當無法實現單面雙側掃查時，應在焊縫單側單面進行2次掃查，2次掃查的角度差異至少10°以上［2］。

圖5 根部裂紋缺陷模擬驗證檢測

1.4 檢測工藝驗證

對于現場擬采用的相控陣超聲檢測工藝，必須在應用前進行模擬缺陷驗證，重點是保證檢測過程中各類缺陷不漏檢，確保檢測結果的準確性。對于模擬驗證工作，需要結合現場實際情況及發生的缺陷類型進行綜合考慮［3-5］，例如本次VVP疏水器焊縫的缺陷主要為根部裂紋缺陷，最好的模擬驗證試塊為現場發現的已經產生裂紋缺陷的原始管道?？紤]采用相控陣代替射線檢測技術，根據前期大量的模擬焊接缺陷檢測對比試驗，發現相控陣超聲檢測對于氣孔及小夾渣類缺陷的檢測能力不如射線，因此重點要考慮焊后產生的氣孔及小夾渣缺陷的檢出，根據NB/T 47013.2—2015射線Ⅱ級驗收標準中對壁厚7 mm的對接焊縫圓形缺陷的驗收要求，需要控制氣孔的尺寸不大于3 mm，同時參考ASEM CODE CASE-659《Use of Ultrasonic Examination in Lieu of Radiography for Weld Examination》需要至少驗證兩個面積型缺陷，其中一個在近表面，另一個與坡口面平行，制作1∶1模擬焊接試塊進行驗證。

現場實際驗證時，以圖5中的裂紋缺陷為例，在基準靈敏度基礎上，保證對應裂紋缺陷的波幅在超過100%滿屏的儀器增益條件下的dB值作為根部裂紋缺陷的掃查靈敏度，經過實際檢測驗證后，如圖5所示。對焊接過程中產生的未熔合缺陷進行模擬驗證，具體如圖6所示。

圖6 坡口未熔合缺陷模擬驗證檢測

對于焊縫過程中產生的氣孔（直徑1.5 mm）缺 陷，按照擬定的檢測工藝驗證，其結果如圖7所示。

圖7 1.5 mm氣孔缺陷模擬驗證檢測

經過上述模擬驗證檢測結果可知，擬采用的相控陣超聲檢測工藝能夠滿足現場檢測的需求，可檢測出根部裂紋、未熔合、1.5 mm氣孔等缺陷，該檢測工藝可以納入現場實際應用。

2 相控陣超聲檢測與射線檢測結果的對比

按照擬定的檢測工藝對同一批VVP疏水器不銹鋼管道焊縫進行相控陣檢測和射線檢測［6］，詳細檢測結果對比如表1所示。

根據上述兩種檢測結果對比［7］可知：（1）相控陣超聲檢測不合格率遠高于射線檢測；（2）對于錯邊的結構信號，相控陣也可檢出；（3）對于1 mm和1.5 mm氣孔，相控陣不能檢出；（4）射線檢測手段難以檢出在役階段焊縫根部裂紋缺陷。

表1 相控陣超聲檢測與射線檢測結果對比

3 理化檢驗及結果分析

為了分析該缺陷產生的根本原因，對相控陣超聲檢測發現裂紋的部件進行金相、斷口分析，以便確認缺陷類型，同時為后續改造方案的制定提供技術支撐。

3.1 金相檢驗

圖8 1#管樣裂紋處縱截面取樣金相檢驗照片

在VVP疏水管道1#和2#管焊縫裂紋位置截取縱向焊接接頭試樣，3#母材截取橫向試樣開展金相檢驗分析［8］，測試標準為GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗方法》。金相檢驗照片見圖8～10。

圖9 2#管樣裂紋處縱截面取樣金相檢驗照片

通過對VVP疏水管道取樣的金相檢驗照片可以看出，1#和2#管內壁裂紋特征相似，主裂紋均位于焊趾區域，裂紋較為平直，呈穿晶開裂特征，主裂紋附近均可見二次裂紋。送檢直管母材的顯微組織均為奧氏體+δ鐵素體，晶粒度約4～6級，焊縫顯微組織均為鑄態枝晶，組織未見異常。

3.2 斷口電鏡

依據JY/T 010—1996《分析型掃描電子顯微鏡方法通則》，對裂紋打開后的斷口微觀形貌進行掃描電鏡微觀觀察分析，對于1#，2#試樣分別選擇1，2，3區域進行電鏡掃描，斷口電鏡微觀照片如圖11，12所示。

圖10 3#管樣橫截面取樣金相檢驗照片

通過對送檢疏水裂紋打開后的斷口電鏡觀察可以看出，1#管樣相對2#管樣斷口氧化及磨損更為嚴重，但整體特征相似，斷口宏觀上均較為平齊。從位置1區可見裂紋啟裂區位于內壁側，從內表面向基體內部擴展。從位置2，3區可見疲勞弧線特征，微觀上以準解理特征為主，可見徑向臺階特征，擴展區局部可見疲勞條帶特征。由此表明，1#和2#管樣的開裂性質均為典型的疲勞開裂。

圖11 1#管樣裂紋打開后斷口電鏡微觀照片

圖12 2#管樣裂紋打開后斷口電鏡微觀照片

4 疲勞載荷來源分析

進一步分析整個常規島VVP疏水系統，發現裂紋缺陷較多的疏水器為倒置桶疏水器，為非連續疏水設計，其工作原理為在水滿的情況下進行一次自動排水。經過監測其疏水頻率在一個運行周期內疏水次數1 465 205次，排水頻率偏高，同時受管道內介質溫度冷熱交替影響，存在嚴重的熱疲勞應力影響，嚴重加速了疲勞裂紋的產生及后續擴展［9］。

5 結語

經過上述對不銹鋼管道焊縫相控陣超聲檢測、射線檢測、金相檢測及斷口電鏡掃描的詳細檢驗，基本已確認相控陣技術所檢測出的根部缺陷主要為疲勞裂紋缺陷。其疲勞載荷來源主要為疏水器是非連續疏水設計，排水頻率較高，為疲勞裂紋的產生及后續擴展創造了條件。因此，需要從設計的源頭減少疏水頻次，才能徹底解決疲勞裂紋的產生。另外，針對于運行階段的在役檢查工作，優先選用相控陣超聲檢測手段進行排查，制造及安裝階段所使用的射線檢測技術對于裂紋缺陷（裂紋在運行階段產生的，非焊接階段產生）的檢出率很低，不能滿足檢測的需求。