蒸汽發生器傳熱管超聲檢測缺陷的識別

曹 萍，江 華，蔡志剛，張燕燕，張潔潔

(浙江久立特材科技股份有限公司，湖州 313008)

蒸汽發生器傳熱管是核電站一回路壓力邊界的關鍵部件，其性能的優劣對核電站的經濟性和安全性有重要影響[1]。由于長期服役在含有水蒸汽的高溫高壓環境下，蒸汽發生器傳熱管在生產過程中會出現各種微小缺陷，這些缺陷在傳熱管實際運行過程中會加速擴展。在傳熱管運行過程中，缺陷一旦擴大就會造成壁厚減薄，且會誘發蒸汽發生器傳熱管的破損。蒸汽發生器傳熱管管內放射性一回路介質一旦泄漏，則會對周邊環境和人員安全造成威脅，嚴重時需停堆進行檢查維修。

蒸汽發生器傳熱管破裂事故的發生頻率較高[2]，為了進一步提高反應堆的可靠性和安全性，在生產制造過程中需采用無損檢測方法有效識別出這些缺陷。根據法國核島設備設計建造規則協會(AFCEM)編制的《壓水堆核島機械設備設計和建造規則(RCCM)》中M4105產品的采購技術規范，用于壓水堆蒸汽發生器管束的鎳-鉻-鐵合金(NC30Fe)無縫管需按RCCM MC2500 《管件超聲波檢驗》 的規定，對傳熱器全長范圍進行超聲檢測。

筆者對蒸汽發生器傳熱管超聲檢測發現的缺陷進行了分析，結果有利于從源頭上避免類似缺陷的產生。

1 檢測要求

1.1 檢測管材信息

蒸汽發生器傳熱管材料牌號為NC30Fe(690)，管材規格(外徑×壁厚)為17.48 mm×1.02 mm，狀態為TT(Thermo Treatment)態。

1.2 檢測設備

設備選用GE ROTA40型脈沖反射式超聲波檢測系統；為了檢測出縱向及橫向全體積范圍內的所有缺陷，選用的標準樣管與被檢管材具有相同的材料、幾何尺寸、制造工藝及表面狀態。標準樣管的人工缺陷為管材內壁和外壁橫向和縱向的U形槽，人工缺陷尺寸為12.7 mm×0.1 mm×0.1 mm(長×寬×深)。4個U形槽應分開一定距離，以保證能清楚區別其回波。

1.3 檢測方法

采用水浸線聚焦法進行超聲檢測，耦合劑采用A級去離子水。采用3 mm線聚焦超聲探頭，探頭頻率為7 MHz，聲波在管壁中傳播的折射角為47°50°。

根據被檢管外徑及檢測探頭焦距調整水層高度為20.521.5 mm。移動標準樣管，將切槽正對探頭波束，調節增益使標準缺陷幅值調至滿屏的80%。

對被檢管進行軸向和周向掃查，且均從2個相反方向進行掃查，選擇探頭旋轉速度為6 000 r·min-1，檢測速度為13.5 m·min-1，以確保相鄰兩次軸向掃查的重疊面積至少為20%。

2 試驗過程

在檢測過程中，由于缺陷的類型、位置、大小以及取向會影響檢測結果，所以會出現一些達到或超過標準缺陷尺寸的缺陷，所產生的信號幅值卻低于標準缺陷的信號幅值，也會出現一些小于標準缺陷尺寸的缺陷所產生的信號幅值高于標準缺陷信號幅值的情況。為了防止超聲檢測出現漏檢和誤判，設置缺陷系數K=0.70。K值的定義如下：K=報廢限值/80%標準缺陷信號的滿屏高度，即將標準缺陷信號調整到80%的滿屏高度，故缺陷信號幅值不大于56%的管材判定為合格。

將實際超聲檢測過程中發現的信號幅值超過56%的各種不同類型的缺陷進行分類。如果某個缺陷在多個超聲波檢測通道中都產生了信號，則統計最大振幅的通道。選取含有每種缺陷類型的管材進行超聲檢測，再配合目視檢查法，準確定位缺陷位置并截取含缺陷的2050 mm長度試樣。

首先采用Axio Imager Mzm型光學顯微鏡對含缺陷的試樣進行缺陷表面宏觀觀察，再按照ASTM E3-11(2017)《金相試樣制備標準指南》 標準中金相試樣的制備方法，對缺陷橫截面依次進行粗磨，細磨和拋光至鏡面，并用丙酮超聲清洗后吹干[3]，采用同型號光學顯微鏡進行缺陷觀察和缺陷深度測量，采用層析法確定缺陷的最大深度。

3 結果與討論

3.1 超聲檢測結果

對蒸汽發生器傳熱管在超聲檢測中識別出的缺陷按照缺陷類型、缺陷取向進行分類，統計結果如表1所示，其中“縱向”代表缺陷方向與軋制方向一致，“橫向”代表缺陷方向與軋制方向垂直。

表1 超聲檢測出的缺陷信息統計結果

由表1可以看出，蒸汽發生器傳熱管生產過程中超聲檢測識別出的缺陷多為外表面缺陷。

3.2 表面宏觀觀察

對含有不同類型缺陷的典型試樣進行缺陷表面宏觀觀察，不同類型缺陷表面形貌如圖1所示。

圖1 不同類型缺陷的表面形貌

3.3 缺陷尺寸的測量

選取常見的含有不同類型缺陷的典型試樣進行缺陷深度檢測，不同類型缺陷的橫截面形貌如圖2所示。

圖2 不同類型缺陷的橫截面形貌

3.4 結果分析

對選取的含有不同類型缺陷的典型試樣的超聲檢測結果進行不同缺陷位置、缺陷取向、缺陷類型、缺陷處超聲信號最大回波幅值的滿屏高度占比、缺陷尺寸等進行統計，結果如表2所示，不同缺陷的最大超聲波幅與缺陷深度的關系如圖3所示。

表2 典型缺陷試樣的超聲檢測結果

圖3 不同缺陷的最大超聲波幅與缺陷深度的關系

由表2和圖3可知：① 超聲檢測可有效識別蒸汽發生器傳熱管縱向及橫向全體積范圍內的所有缺陷;② 缺陷的深度與缺陷處最大超聲波幅并不呈線性關系，即并不是超聲波幅值越高，缺陷深度越大。這是因為實際缺陷表面相對于超聲波入射方向并不完全垂直，而超聲垂直于缺陷表面時缺陷波幅最高，當有傾斜角時，缺陷波幅隨著傾斜角的增大而急劇下降[4]。

3.5 缺陷產生原因分析及預防措施

3.5.1 缺陷產生原因分析

1號缺陷為典型的縱向劃傷缺陷，是由轉運過程中某種尖銳的棱角或顆粒劃過管材外表面形成的。從圖1(a)中的表面宏觀觀察可明顯識別出劃痕方向為沿管材軋制方向，顯示為從左側指向右側方向，與超聲檢測的缺陷取向一致。劃傷缺陷一般均為淺表層缺陷，深度較淺。1號缺陷處超聲信號最大回波幅值為56.0%的滿屏高度，最大深度僅為9.27 μm。

2號缺陷為典型的外表面縱向軋折缺陷，管材表面可觀察到部分材料缺失，由橫截面形貌可看出該缺陷與外表面呈一定的角度。由圖2(b)中的橫截面形貌可觀察到缺陷與內表面呈一定的角度，內外兩層之間形成明顯的折疊。2號缺陷處超聲信號最大回波幅值為99.20%的滿屏高度，最大深度為98.09 μm。

3號和4號缺陷為典型的外表面縱向磕碰缺陷，是由轉運過程中異物直接壓入管材表面所形成的，異物在后續流轉過程中缺失。由圖2(b)中的橫截面形貌可觀察到缺陷是缺失的，與2號缺陷不同，未形成折疊，可判定為成品管子軋制完成后形成。3號和4號缺陷處超聲信號最大振幅分別為58.50%和74.5%的滿屏高度，最大深度分別為82.38 μm和61.78 μm。

5號缺陷為典型的凹坑缺陷，是由生產及轉運過程中尖銳顆粒狀異物壓入表面(致使部分金屬材料缺失)形成的。該缺陷為體積狀缺陷，超聲檢測過程中僅橫向缺陷通道有明顯顯示。通過波長λ，聲速c，頻率f之間的關系λ=c/f，可計算出橫波波長為0.46 mm，縱波波長為0.84 mm(鋼中橫波波速為3 200 m·s-1，縱波波速為5 900 m·s-1，探頭頻率為7 MHz)。由于缺陷直徑近似為1 277 μm，是橫波波長的2倍以上，故橫向缺陷通道具有較好的指向性[5]。5號缺陷處超聲信號最大回波幅值為107.1%的滿屏高度，最大深度僅為116.30 μm。

6號缺陷為典型的橫向磕碰缺陷，由轉運過程中異物直接壓入管材表面所形成，異物在后續流轉過程中缺失。6號缺陷與3號、4號缺陷的形成原因一致，6號缺陷處超聲信號最大回波幅值為56.30%的滿屏高度，最大深度為55.36 μm。

7號缺陷為典型的內表面縱向軋折缺陷，在內表面上呈現為直線和鋸齒狀缺陷，其形成原因與2號缺陷的形成原因一致。從圖2(g)中的橫截面照片中也可觀察到明顯的折疊。7號缺陷處超聲信號最大回波幅值為118.10%的滿屏高度，最大深度為175.7 μm。

3.5.2 預防措施

為了獲得高品質的蒸汽發生器傳熱管，應重視各生產環節的質量控制，后續生產過程中可從以下幾個方面進行預防及改進。

(1) 對軋制管坯加強質量控制，來料管材表面不允許存在翹皮、劃傷、擦傷、異物等缺陷。

(2) 對輥道、軋制工模具、矯直輥、傳輸裝置等表面加強粗糙度控制，對磨損的工模具及時進行更新。

(3) 對軋制過程進行控制，防止軋制過程中有異物壓入。

4 結語

(1) 蒸汽發生器傳熱管實際生產過程中缺陷多以縱向缺陷為主，橫向缺陷極為少見，且多為外表面缺陷。

(2) 超聲檢測可有效識別蒸汽發生器傳熱管縱向及橫向全體積范圍內的所有缺陷。

(3) 缺陷的深度與缺陷處最大超聲波振幅的關系并不是超聲波幅值越高，缺陷深度就越大。

(4) 典型缺陷分別為劃傷、軋折、凹坑、磕碰，主要在軋制和轉運過程中產生。