高溫磁粉檢測在核電站中的應(yīng)用

郭玉炳

(中國核工業(yè)第五建設(shè)有限公司，上海 201512)

華龍一號(hào)(HPR 1000)作為中國核電“走出去”的主打品牌，其安全指標(biāo)和技術(shù)性能達(dá)到了國際三代核電技術(shù)的先進(jìn)水平，具有完整自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)[1]。

華龍一號(hào)壓水堆核電站因設(shè)計(jì)要求提高了對主蒸汽管道和主給水管道相關(guān)的支管接頭和角接接頭過程檢測的要求。其焊接規(guī)范要求，該類接頭焊接前應(yīng)進(jìn)行預(yù)熱，并且在整個(gè)焊接過程中預(yù)熱不允許中斷。綜合考慮以上因素及高溫磁粉檢測、滲透檢測的應(yīng)用特點(diǎn)，采用高溫磁粉檢測技術(shù)對該類焊接接頭進(jìn)行檢測，以保障焊接質(zhì)量，提高焊接效率。

文章對磁粉檢測的基本原理、高溫磁粉特性、高溫磁軛法的應(yīng)用及工藝驗(yàn)證、高溫磁軛法的實(shí)施要點(diǎn)及安全措施等內(nèi)容進(jìn)行了論述。為高溫條件下的磁粉檢測提供了值得借鑒的措施和方法，有利于確保焊接接頭質(zhì)量，保障核電站的安全運(yùn)行。

1 磁粉檢測技術(shù)

1.1 磁粉檢測分類

磁粉檢測廣泛應(yīng)用于鐵磁性工件表面和近表面缺陷的檢測中。與非熒光磁粉檢測相比，熒光磁粉檢測具有更高的靈敏度，更適合檢測微小缺陷時(shí)。非熒光磁粉在可見光條件下即可進(jìn)行，一般工業(yè)檢測中，非熒光法磁粉檢測亦應(yīng)用廣泛。

高溫條件下無法使用熒光磁粉檢測和濕法磁粉檢測，一般選用干粉法磁粉檢測。對于近表面的缺陷，一般干粉法磁粉檢測的檢測靈敏度優(yōu)于濕法磁粉檢測的[2]。

1.2 磁粉檢測相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

民用核電行業(yè)常用的磁粉檢測標(biāo)準(zhǔn)有ASME BPVC V-2017 《鍋爐及壓力容器規(guī)范 第五卷：無損檢測》、ASTM E709-2015 《磁粉檢驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)指南》、RCC-M-2007 《壓水堆核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則》、NB/T 20003.5-2010 《核電廠核島機(jī)械設(shè)備無損檢測 第5部分：磁粉檢測》等。進(jìn)行高溫磁粉檢測時(shí)，ASTM E709-2015標(biāo)準(zhǔn)要求溫度不超過315℃，RCC-M-2007和NB/T 20003.5-2010標(biāo)準(zhǔn)要求溫度不超過300 ℃。

1.3 磁粉檢測技術(shù)

磁軛法一般是用固定式電磁軛兩極夾住工件對其進(jìn)行整體磁化，或者用便攜式電磁軛兩磁極接觸工件表面對其進(jìn)行局部磁化。對于焊接接頭的磁粉檢測，一般采用便攜式電磁軛法，兩磁極間的磁感應(yīng)線大體上平行于兩磁極的連線，用于發(fā)現(xiàn)與兩磁極連線垂直的缺陷。

1.4 高溫磁粉特性

磁粉檢測是靠磁粉聚集在漏磁場處形成的磁痕顯示缺陷的，因此，磁粉檢測靈敏度與磁粉本身的性能如磁特性、粒度、形狀、流動(dòng)性、密度和識(shí)別度等有關(guān)[2]。高磁導(dǎo)率的磁粉更容易被缺陷產(chǎn)生的微小漏磁場磁化和吸附，聚集后也更便于識(shí)別，同時(shí)依據(jù)應(yīng)用對象背景的不同，可選用帶染料的磁粉，以大幅度提升反差，更有利于對缺陷的識(shí)別。

磁粉粒度的大小對磁粉的懸浮性和漏磁場對磁粉的吸附能力有很大的影響。為發(fā)現(xiàn)各種大小不同的表面和近表面缺陷，磁粉應(yīng)包含各種粒度的磁粉，這樣能對各類缺陷獲得較均衡的靈敏度。

高溫磁粉應(yīng)不包含染料，或者涂覆無機(jī)染料，以便增強(qiáng)與背景的反差，提高識(shí)別度。另外，磁粉檢測的最高工作溫度也是非常重要的性能要求，應(yīng)確保滿足被檢測工件表面的最高溫度要求。部分符合要求的高溫磁粉特性如表1所示，表中SAE靈敏度指美國航空金屬材料標(biāo)準(zhǔn)(SAE-AMS)中表述的靈敏度。

2 高溫磁粉檢測技術(shù)

2.1 被檢對象的特點(diǎn)

要求進(jìn)行層間磁粉檢測的部件主要有與主蒸汽管道和主給水管道相關(guān)的支管接頭和角接接頭。此類焊接接頭直接與主蒸汽、主給水管線相連，對焊縫的質(zhì)量要求較高，射線檢測實(shí)施難度大、效果差。因此，增加層間過程的表面檢測是保證焊接接頭質(zhì)量的有效措施。

2.2 缺陷成因及重點(diǎn)檢測部位

焊接接頭組對后，在進(jìn)行打底焊時(shí)，若組對間隙焊接操作或組對方式不當(dāng)時(shí)，容易產(chǎn)生未焊透、未熔合、裂紋等危害性缺陷。在焊接過程中，受焊接操作不當(dāng)、層道清理不徹底、焊接工藝參數(shù)控制不當(dāng)?shù)纫蛩赜绊懀踩菀桩a(chǎn)生未熔合、夾雜、氣孔、裂紋等缺陷。該類焊接接頭的打底焊縫是重點(diǎn)部位，對每3層的層間焊縫進(jìn)行檢測時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注與兩側(cè)坡口面的熔合情況以及層道間焊接質(zhì)量。

2.3 高溫磁粉檢測的方法選擇

高溫磁粉檢測應(yīng)采用非熒光干法。電磁軛采用交流電，更有利于對干磁粉的攪動(dòng)，有助于干磁粉的遷移，提高檢測效果和表面缺陷的檢測靈敏度。

2.4 高溫磁粉檢測工藝驗(yàn)證模擬試件

高溫磁粉檢測工藝驗(yàn)證用模擬件的主要作用是驗(yàn)證高溫條件下高溫磁粉性能和被檢測部位的檢測靈敏度，同時(shí)還可用于磁粉檢測操作的練習(xí)，提升操作能力和水平，確保檢測結(jié)果可靠、準(zhǔn)確。

模擬試件采用與被檢測工件相同的材料或碳鋼材料制作，規(guī)格為325 mm×38 mm(直徑×壁厚),打底焊縫焊接方法為GTAW(鎢極惰性氣體保護(hù)焊)，熔敷金屬厚度約為8 mm。打底焊縫部位寬度為10，20，30 mm的焊接接頭結(jié)構(gòu)如圖1，2，3所示。圖2和圖3所示焊縫采用機(jī)加工的方式擴(kuò)寬了層間區(qū)域，以便放置磁場指示器(八角試塊)和A1型靈敏度試片，從而進(jìn)行檢測靈敏度驗(yàn)證。

圖1 打底焊縫部位寬度為10 mm的焊接接頭結(jié)構(gòu)示意

圖2 打底焊縫部位寬度為20 mm的焊接接頭結(jié)構(gòu)示意

圖3 打底焊縫部位寬度為30 mm的焊接接頭結(jié)構(gòu)示意

圖 4 工藝驗(yàn)證模擬件加溫和保溫現(xiàn)場

2.5 高溫磁粉檢測工藝驗(yàn)證

試驗(yàn)采用的設(shè)備型號(hào)為Parker B310S型；高溫干磁粉型號(hào)為Magnaflux #1 Gray型；靈敏度驗(yàn)證的相關(guān)器材有4.5 kg提升力試塊、A1-30/100型靈敏度試片、磁場指示器(八角試塊)等；干磁粉施加及去除工具有干粉噴灑器、橡膠吹氣球等。

進(jìn)行工藝驗(yàn)證之前，應(yīng)首先驗(yàn)證磁軛探傷機(jī)在150 mm的磁極間距下提升力不小于44.1 N(4.5 kg)。

模擬件加熱的最高溫度為240 ℃，并需保溫至少1 h。加熱方式為電加熱，測溫裝置為熱電偶，工藝驗(yàn)證模擬件加溫和保溫現(xiàn)場如圖4所示。高溫磁粉檢測的工藝驗(yàn)證應(yīng)在模擬件溫度為131 ℃～240 ℃時(shí)實(shí)施。

采用磁場指示器(八角試塊)進(jìn)行靈敏度驗(yàn)證時(shí)，所用的模擬試件如圖3所示。磁化方向?yàn)闄M跨焊縫磁化和沿焊縫周向磁化，實(shí)際靈敏度驗(yàn)證現(xiàn)場如圖5所示。

圖5 采用磁場指示器的靈敏度驗(yàn)證現(xiàn)場

采用A1-30/100型靈敏度試片進(jìn)行靈敏度驗(yàn)證時(shí)，所用的模擬試件如圖2所示。磁化方向?yàn)闄M跨焊縫磁化、沿焊縫周向磁化和與偏離焊縫周向50°～60°交叉磁化(交叉角度約為90°，即140°～150°再次磁化)，實(shí)際靈敏度驗(yàn)證現(xiàn)場如圖6所示。

圖6 采用A1-30/100型靈敏度試片的靈敏度驗(yàn)證現(xiàn)場

由圖5和圖6可知，磁軛橫跨焊縫進(jìn)行磁化時(shí)被檢表面的磁場強(qiáng)度要高于沿周向進(jìn)行磁化的。對該類焊接接頭的打底焊縫或?qū)娱g焊縫進(jìn)行高溫干磁粉檢測的靈敏度滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求。實(shí)際檢測中，受限于高溫環(huán)境，要求檢測人員必須操作熟練，在對磁化時(shí)間的控制、高溫干磁粉的施加和多余干磁粉的去除尤其要注意。檢測人員應(yīng)在模擬件上進(jìn)行針對性的操作演練，熟練掌握其操作要領(lǐng)，保證檢測的可靠性、準(zhǔn)確性和安全性。

2.6 質(zhì)量驗(yàn)收要求

該類焊接接頭的磁粉檢測質(zhì)量驗(yàn)收，按標(biāo)準(zhǔn)NB/T 20003.5-2010 《核電廠核島機(jī)械設(shè)備無損檢測 第5部分：磁粉檢測》執(zhí)行。

(1)尺寸大于2 mm的相關(guān)顯示應(yīng)予以記錄，但對于一組排列緊密且分布長度大于20 mm的顯示群，即使其顯示尺寸小于記錄標(biāo)準(zhǔn)，也應(yīng)進(jìn)一步分析并確定其性質(zhì)。

(2)產(chǎn)生以下磁痕的相關(guān)顯示應(yīng)予以拒收：① 線性顯示；② 最大尺寸大于4 mm的圓形顯示；③ 3個(gè)或3個(gè)以上成直線排列的相關(guān)顯示，其邊緣間距小于3 mm；④ 3個(gè)或3個(gè)以上成直線排列的相關(guān)顯示，其邊緣間距為3～6 mm，其總長度大于20 mm。

另外，對于兩個(gè)分開的相關(guān)顯示，若其間距小于較短者長度的2倍，則應(yīng)視為一個(gè)顯示，其長度應(yīng)等于兩個(gè)顯示的間距加上兩個(gè)顯示的長度之和。

2.7 高溫磁粉檢測實(shí)例

使用#1 Gray和Sir-Chem?Dry Powder 63型干磁粉，采用高溫磁軛連續(xù)干法對層間焊接接頭不同部位的人工缺陷及焊縫打底部位的自然缺陷進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果如圖7所示。

圖7 高溫磁軛連續(xù)干法檢測結(jié)果

3 高溫磁粉檢測實(shí)施要點(diǎn)

3.1 被檢表面準(zhǔn)備

檢測時(shí)，被檢測部位包裹有保溫棉或者電加熱片，應(yīng)確保其不影響磁軛與被檢測部位的接觸并保留有足夠的操作空間。

3.2 磁化方法選擇

高溫條件下實(shí)施磁粉檢測應(yīng)采用非熒光法和連續(xù)干法相結(jié)合，即在施加磁場的同時(shí)施加高溫干磁粉。采用交流電磁軛進(jìn)行通磁磁化。干磁粉的平均粒度為75 μm～80 μm。

3.3 磁化方向的要求

磁化方向應(yīng)盡量與可能產(chǎn)生的缺陷方向垂直，對于該類焊接接頭的層間檢測，磁化方向?yàn)闄M跨焊縫和偏離焊縫周向50°～60°進(jìn)行交叉磁化(交叉角度約為90°)。另外，在幾何結(jié)構(gòu)允許的情況下，還應(yīng)在距離焊縫兩側(cè)邊緣約25 mm處沿焊縫周向進(jìn)行磁化。檢測的有效區(qū)域?yàn)榇跑梼蓸O連線兩側(cè)各50 mm范圍，磁化區(qū)域每次應(yīng)有不少于15 mm的重疊。

采用磁軛進(jìn)行磁化時(shí)，應(yīng)保證磁軛與被檢測部位充分貼合，保證有足夠多的磁通量進(jìn)入被檢測區(qū)域。

3.4 靈敏度試片的放置

對焊接接頭層間焊道進(jìn)行高溫磁粉檢測時(shí)，受限于幾何結(jié)構(gòu)，一般情況下無法在焊縫上放置靈敏度試片。實(shí)施檢測前，若磁軛探傷機(jī)的提升力滿足標(biāo)準(zhǔn)要求并且在相應(yīng)的模擬件上獲得了滿意的靈敏度顯示，檢測時(shí)可不放置靈敏度試片，但是應(yīng)在檢測結(jié)束后及時(shí)對設(shè)備的提升力和模擬件上的檢測靈敏度情況進(jìn)行復(fù)核。

3.5 磁場強(qiáng)度驗(yàn)證

檢測前，磁場強(qiáng)度的驗(yàn)證應(yīng)按照書面規(guī)程的要求在具有結(jié)構(gòu)代表性的模擬試件上進(jìn)行。檢測前還應(yīng)驗(yàn)證電磁軛的提升力是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求。在實(shí)施過程中，若條件允許還應(yīng)采用A1型靈敏度試片在實(shí)際檢測溫度下進(jìn)行靈敏度驗(yàn)證。在檢測工作結(jié)束后，應(yīng)及時(shí)對電磁軛的提升力進(jìn)行復(fù)核。

3.6 高溫磁粉的施加方法

施加高溫干磁粉時(shí)，應(yīng)采用專用的干粉噴灑器。干磁粉施加后應(yīng)立即通磁磁化，應(yīng)適量施加干磁粉，避免干磁粉的過度堆積。

3.7 多余磁粉的去除方法

多余的干磁粉應(yīng)采用橡膠吹氣球吹除，吹除過程中應(yīng)通磁磁化，避免形成的缺陷磁痕被吹掉,且去除時(shí)應(yīng)避免擠壓用力過大。已使用過的干磁粉不應(yīng)進(jìn)行重復(fù)使用。

3.8 后處理及退磁

磁粉檢測結(jié)束后，應(yīng)將被檢測部位的多余干磁粉擦拭干凈。為不影響后續(xù)焊接操作，應(yīng)采用電磁軛對被檢部位實(shí)施退磁(距離退磁法)。

3.9 安全要求

檢測過程中，由于保持著預(yù)熱溫度，故檢測人員操作時(shí)應(yīng)佩戴隔熱手套。受熱輻射的影響，磁粉探傷機(jī)的溫度也將升高，應(yīng)采取有效措施進(jìn)行防護(hù)或者使用至少兩臺(tái)設(shè)備進(jìn)行輪換操作。設(shè)備的電源線應(yīng)注意防護(hù)，防止其被燙損壞。

另外，操作過程中應(yīng)佩戴防塵口罩，以防止吸入磁粉。若采用石棉纖維進(jìn)行保溫，還應(yīng)防止石棉纖維滲入皮膚。

4 結(jié)語

介紹了華龍一號(hào)壓水堆核電站主蒸汽、主給水管道相關(guān)焊接接頭焊接過程的質(zhì)量控制要求。對高溫磁粉檢測技術(shù)特點(diǎn)和高溫磁粉特性進(jìn)行了介紹，設(shè)計(jì)和制作了用于工藝驗(yàn)證和操作訓(xùn)練的模擬試件。對高溫磁粉檢測工藝進(jìn)行了靈敏度驗(yàn)證，介紹了高溫磁粉檢測的實(shí)施要點(diǎn)和安全措施，采用高溫連續(xù)干法磁粉檢測對相關(guān)焊接接頭的質(zhì)量進(jìn)行了控制，取得了滿意的效果，也提高了焊接施工的效率。