AP1000核電廠爆破閥剪切蓋鍛件的超聲檢測

聶 凱，付千發，蔡家藩

(中核武漢核電運行技術股份有限公司浙江分公司，海鹽 314300)

爆破閥是第三代核電技術AP1000轉讓及國產化的關鍵設備，其工作原理為利用電信號引爆炸藥，產生巨大的能量，快速沖擊以剪斷下部的剪切蓋，使閥門打開。爆破閥下部的剪切蓋是爆破閥工作的重要組成部分，在核電機組運行期間，要依靠密閉的剪切蓋來保證爆破閥關閉時的密封性，確保含硼的水不會發生泄漏，其屬于一回路壓力邊界的一部分。

爆破閥剪切蓋與爆破閥本體的連接部分是一段11 mm厚的筒體不銹鋼鍛件，在長期高溫、高壓、輻照的在役條件下，筒體鍛件的內外表面易產生裂紋等危險性缺陷，給機組的安全運行帶來危害。因此在機組停堆大修期間，要對其實施無損檢測。筆者在機組大修前開展了技術研究，在無需對爆破閥進行解體的條件下，選定了相控陣超聲和超聲表面波檢測相結合的檢測工藝，用于剪切蓋鍛件內外表面的檢測。通過試驗及現場應用，該工藝取得了較好的檢測效果。

1 檢測工藝及探頭設計

1.1 檢測對象

檢測對象為AP1000核電機組爆破閥剪切蓋鍛件，材料為奧氏體型鎳基耐蝕合金，檢測區域為剪切蓋與本體連接部分的筒體鍛件，內外表面(整圈)的6.35 mm區域，檢測區域如圖1所示。

圖1 檢測區域示意

1.2 執行標準

根據產品制造與驗收的技術規范，爆破閥剪切蓋鍛件根據標準ASME NB-2500-2004要求，采用直射波或斜射波進行超聲波檢測，直射波驗收標準應滿足ASME NB-2542-2004和ASME SA-745-2004的QL-1級要求;斜射波驗收標準應滿足ASME NB-2542-2004和ASME SA-745-2004的QA-1級要求。

1.3 檢測難點及思路分析

① 結構復雜。既要檢測內表面，又要檢測外表面，剪切蓋厚度僅為40 mm，可供探頭移動的范圍不大。② 檢測要求較高。要求能檢測出各位置的裂紋類缺陷，且對缺陷的定量要有足夠的精確度。③ 奧氏體特性對超聲波的影響。超聲波在奧氏體粗晶組織晶界上的散射衰減會引起林狀回波，使信噪比下降；奧氏體組織的各向異性，會使超聲波的聲速和傳播方向發生改變，造成誤判[1]。④ 檢測環境復雜。檢測對象位于核電廠一回路邊界，周圍環境輻射劑量高且位置空間復雜，需要高效快捷地完成檢測。

基于上述原因，考慮爆破閥剪切蓋鍛件的內外表面應該采用不同的超聲檢測方法，其中內表面應使用多個角度的相控陣超聲檢測技術進行檢測，防止對某些取向或遠離聲束軸線位置的裂紋造成漏檢，該技術也能比較直觀地顯示缺陷。對于剪切蓋鍛件外表面的檢測，考慮到滲透檢測效率低，且不易清洗的缺點，需要一種更高效的檢測方法，而超聲表面波在傳播的路徑上遇到一個細小的缺陷(如氣孔、裂紋等)時，在金屬與空氣相接觸的界面上就會發生反射，分析反射波即可得到缺陷的信號[2]，故其可作為檢測剪切蓋鍛件外表面缺陷的可靠方法。

1.4 超聲檢測探頭的設計

超聲檢測系統的核心是探頭，其性能的好壞直接影響超聲檢測系統的性能與缺陷檢測的結果[3]。爆破閥剪切蓋鍛件的內外表面產生的缺陷主要是沿圓弧方向的裂紋，因此應選擇對裂紋敏感的橫波探頭和表面波探頭。通過比較統一規則反射體對不同孔徑和頻率的探頭的反射信號，確定了使用5 MHz的線性陣列相控陣探頭，其尺寸設計如圖2所示。

圖2 相控陣超聲探頭的設計尺寸示意

相控陣探頭設計的晶片數量為12 個，各晶片間距為0.5 mm，楔塊的型號為N55S，楔塊角度為36°，楔塊是由低衰減值的聚苯乙烯制成，聲速在2 200 m·s-1左右[4]。超聲表面波探頭采用與斜探頭相似的楔塊，當橫波折射角為90°時，即產生超聲表面波，試驗采用頻率為2.5 MHz，直徑為10 mm的表面波探頭，其波長短，具有較高的靈敏度。

2 檢測設備與試驗

2.1 超聲波探傷儀

采用Omniscan MX2型便攜式相控陣超聲探傷儀；采用廣東汕頭超聲電子股份有限公司的A型脈沖手動超聲儀，型號為CTS-9006PLUS。

2.2 參考試塊

參考試塊主要用于基準靈敏度的標定，采用的參考試塊如圖3所示。

圖3 參考試塊的結構示意

圖4 驗證試塊外觀及結構示意

2.3 驗證試塊

為了進一步驗證工藝的缺陷檢測能力，設計制作了如圖4所示的驗證試塊。試塊是采用與被檢工件同爐同批次的不銹鋼材料制造的，并且試塊的外形和尺寸與被檢件完全一致，消除了超聲波檢測因材質和衰減差異產生的靈敏度誤差。試塊為圓環碗狀結構。在圓環內外側的不同位置共設有6個橫截面為矩形的圓弧槽，用其模擬爆破閥剪切蓋不同部位的裂紋缺陷。6個圓弧槽的尺寸均為10 mm×0.2 mm×0.3 mm(長×寬×深)。刻槽的整體分布位置及局部位置如圖5，6所示。

圖5 刻槽的整體分布位置示意

圖6 刻槽的局部位置示意

2.4 試驗實施

在相控陣超聲檢測實施前，要進行探頭角度延遲補償[5]和靈敏度的標定。將相控陣探頭放在驗證試塊的外表面進行軸向掃查(見圖7)；將表面波探頭放在驗證試塊外表面進行軸向掃查和徑向掃查(見圖8)。掃查過程中，探頭的掃查速度小于150 mm·s-1，且保證至少15 %的覆蓋率。記錄驗證試塊上的缺陷信息，與設計的缺陷信息進行對比，首先應該滿足ASME(美國機械工程師協會)不能漏檢的要求，其次長度測量的結果要滿足均方根誤差不超過19 mm。

圖7 相控陣超聲探頭掃查示意

圖8 超聲表面波探頭掃查示意

2.5 試驗結果

按照上述工藝對驗證試塊進行檢測后，各位置的共6個刻槽均被檢測出來，檢測結果如表1所示，使用-12 dB法記錄缺陷的長度。各缺陷檢測信號如圖914所示。

表1 檢測結果匯總

圖9 1號槽檢測信號

圖10 2號槽檢測信號

圖11 3號槽檢測信號

圖12 4號槽檢測信號

圖13 5號槽檢測信號

圖14 6號槽檢測信號

從檢測結果可知,6個刻槽全部被檢測出來，且缺陷信號均具有很高的信噪比；相控陣掃查界面利于檢測人員快速、直觀地分辨缺陷，能快速和清晰地辨別缺陷信號與結構信號；缺陷的長度測量誤差滿足ASME均方根誤差不超過19 mm的驗收準則要求，即當前檢測工藝滿足檢測要求。

3 結語

根據爆破閥剪切蓋鍛件結構的特點，確定了相控陣超聲和超聲表面波檢測相結合的檢測工藝，包括探傷儀的選擇，探頭的選擇，試塊的設計等，使得爆破閥剪切蓋鍛件內外表面的質量檢測無死角，確保檢測的100 %可達性。對驗證試塊的檢測以及現場的實際應用表明，該工藝基本能滿足質量檢測的要求。

在AP1000核電機組停堆大修中，采用該工藝對爆破閥剪切蓋鍛件實施檢測，現場操作方便快捷，檢測結果可靠。目前該技術已應用在國內多個同類型的核電機組中，取得了良好效果。