核反應(yīng)堆壓力容器超聲檢測技術(shù)研究.doc

核反應(yīng)堆壓力容器超聲檢測技術(shù)研究 許遠(yuǎn)歡 聶勇（核動力運(yùn)行研究所，武漢，430074）摘 要 核反應(yīng)堆壓力容器作為核設(shè)備的重要部件，要求對其進(jìn)行役前及在役檢查。由于核反應(yīng)堆壓力容器包含有不同類型的檢測對象，同時實施檢測的條件所限制，對于核反應(yīng)堆壓力容器的超聲檢測，超聲檢測技術(shù)要考慮超聲探頭角度、探頭頻率、探頭形式、晶片尺寸、檢測方向、探頭托盤的形式、掃查探頭的布置、掃查運(yùn)動方式、標(biāo)定及校核、選用儀器、缺陷的檢測與定量等較多的因素。在綜合考慮這些因素后，針對每一個檢查部位，才能給出具體的檢測技術(shù)。本文介紹了對核反應(yīng)堆壓力容器進(jìn)行超聲檢測的檢驗技術(shù)。關(guān)鍵詞 反應(yīng)堆壓力容器、超聲檢測、探頭1. 前言核反應(yīng)堆壓力容器是核電廠和核動力裝置中最重要的設(shè)備，核反應(yīng)堆壓力容器的質(zhì)量是保證核電設(shè)備和核動力裝置正常安全運(yùn)行的關(guān)鍵。為確定壓力容器的質(zhì)量，在核電廠和核動力裝置的檢驗規(guī)范和大綱中，對反應(yīng)堆壓力容器的焊縫及其它部位提出了無損檢測的強(qiáng)制性要求，并指定分別在投入使用前和運(yùn)行一定間隔時間內(nèi)對反應(yīng)堆壓力容器實施役前檢查和在役檢查。役前檢查和在役檢查的結(jié)果為分析評定壓力容器的運(yùn)行狀態(tài)將提供極其重要的依據(jù)。在核電廠和核動力裝置的檢驗規(guī)范和大綱中，對核反應(yīng)堆壓力容器的無損檢測主要采用超聲檢測技術(shù)和視頻檢測技術(shù)。由于核反應(yīng)堆壓力容器的體積較大，受檢對象涵蓋了厚壁筒體焊縫、接管焊縫、接管交貫面、接管與安全端的厚壁管道對接焊縫以及堆焊層表面等眾多不同類型的對象，相應(yīng)地其檢查技術(shù)也包含了眾多不同類型的檢查技術(shù)。反應(yīng)堆壓力容器檢查的實施是個復(fù)雜的過程，它必須依賴專用的機(jī)械檢查設(shè)備和電子控制驅(qū)動裝置來完成，超聲檢查系統(tǒng)、機(jī)械掃查器和控制系統(tǒng)的統(tǒng)一協(xié)作才能完成該大型設(shè)備的檢查。檢查技術(shù)的制定不但要從超聲檢測的技術(shù)角度考慮，還要根據(jù)機(jī)械運(yùn)動的可行性和局限性來考慮。本文介紹了對核反應(yīng)堆壓力容器實施超聲檢測的檢查技術(shù)。2. 被檢對象和檢驗范圍在核設(shè)備的檢查大綱中，要求對反應(yīng)堆壓力容器的檢查對象包括所有焊縫、接管交貫面、堆焊層。除了容器內(nèi)表面堆焊層采用視頻檢查外，其余對象都采用超聲檢測技術(shù)。具體來說，超聲檢測的內(nèi)容包括有：l 筒體環(huán)焊縫圖1 核反應(yīng)堆壓力容器示意圖l 封頭環(huán)焊縫l 支撐焊縫l 筒體與接管連接焊縫l 接管與安全端連接焊縫l 安全端與管道連接焊縫l 接管交貫面及其附加段區(qū)域l 內(nèi)表面堆焊層區(qū)域筒體環(huán)焊縫、封頭環(huán)焊縫、支撐焊縫以及接管焊縫都是低合金鋼厚壁對接焊縫，其中最大厚度達(dá)到了330mm。接管與安全端連接焊縫是連接鐵素體材料與不銹鋼鍛件的管道對接異種金屬焊縫，該焊縫還包含有鎳基合金隔離層。安全端與管道連接焊縫是連接不銹鋼鍛件與不銹鋼鑄件的管道對接同種金屬焊縫。這兩類焊縫的厚度根據(jù)容器的容量大小有不同的厚度，最大厚度達(dá)到了90mm。接管交貫面是指接管內(nèi)彎角徑向截面區(qū)域。在反應(yīng)堆壓力容器內(nèi)壁以及接管管道內(nèi)壁，都堆焊有一層47mm的不銹鋼保護(hù)層，即不銹鋼堆焊層，見圖1。在對這些受檢對象的超聲檢測過程中，根據(jù)其材料、厚度以及形狀等特點(diǎn)，并結(jié)合檢測實施方式，采用的超聲檢測技術(shù)也存在不同技術(shù)特點(diǎn)。3. 超聲檢測技術(shù)核反應(yīng)堆壓力容器超聲檢測采用超聲自動化檢查技術(shù)，檢查結(jié)果有較好的重復(fù)性，檢查數(shù)據(jù)可以得到永久的存儲，利用專用數(shù)據(jù)處理軟件可以對檢查數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理以便可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行多種方式的分析。對于核反應(yīng)堆壓力容器的超聲檢測，超聲檢測技術(shù)要考慮較多的因素，這主要包括超聲探頭角度、探頭頻率、探頭形式、晶片尺寸、檢測方向、探頭托盤的形式、掃查探頭的布置、掃查運(yùn)動方式、檢查前標(biāo)定及檢查過程中的二次標(biāo)定、靈敏度的選擇、選用儀器、缺陷的檢測與定量等。在綜合考慮這些因素后，針對每一個檢查部位，才給出具體的檢測技術(shù)。下面對這些因素的考慮進(jìn)行總體介紹。由于核反應(yīng)堆壓力容器體積較大，在役檢查時不可接近，在對核反應(yīng)堆壓力容器實施超聲檢查時采用超聲自動化檢測技術(shù)，即利用專用的反應(yīng)堆壓力容器檢查機(jī)帶動超聲檢測探頭在被檢部位區(qū)域進(jìn)行自動掃查。整個超聲檢查從壓力容器的內(nèi)表面實施檢查，檢查采用探頭與被檢部件接觸式的檢查方式，使用水進(jìn)行耦合。(1) 探頭的選擇在對核反應(yīng)堆壓力容器的超聲檢測中，探頭的選擇最為關(guān)鍵。選擇超聲探頭時要根據(jù)被檢對象的厚度、形狀、焊縫坡口形式等特點(diǎn)以及探頭聲束的可達(dá)性來確定。對于每一個被檢對象，采用多角度和多方向的超聲波探頭。反應(yīng)堆壓力容器超聲檢測中所用的探頭角度如表1所示。表1 超聲探頭角度的選擇檢查部位探頭角度探頭形式筒體環(huán)焊縫、封頭環(huán)焊縫0、45、60、70單晶、雙晶支撐焊縫0、45單晶筒體與接管連接焊縫0、45、60、7010、30、50單晶、雙晶單晶接管與安全端連接焊縫、安全端與管道連接焊縫0、45、60、703545雙晶雙晶接管交貫面及其附加段區(qū)域45、70雙晶內(nèi)表面堆焊層區(qū)域45、70雙晶一般檢查大綱要求要對所有焊縫進(jìn)行全體積的檢查，由于焊縫的厚度都較大，同時在探頭掃差的容器內(nèi)壁存在一定厚度的堆焊層，在檢測技術(shù)中，將被檢焊縫的檢查區(qū)域分為近表面區(qū)域和內(nèi)部區(qū)域兩部分。近表面區(qū)域的范圍一般為030mm，內(nèi)部區(qū)域的范圍一般為30mmT（焊縫壁厚）。近表面區(qū)域和內(nèi)部區(qū)域所使用的探頭角度以及探頭形式有所不同。以筒體環(huán)焊縫和封頭環(huán)焊縫為例，所使用的超聲探頭中，用于檢查近表面區(qū)域探頭和內(nèi)部區(qū)域探頭如表二所示。表二 筒體環(huán)焊縫、封頭環(huán)焊縫超聲探頭角度的選擇檢查部位檢查區(qū)域探頭角度探頭形式筒體環(huán)焊縫、封頭環(huán)焊縫近表面區(qū)域0、45、70雙晶內(nèi)部區(qū)域0、45、60單晶在近表面區(qū)域的檢查探頭中，0、45、70探頭都為雙晶縱波探頭；而內(nèi)部區(qū)域的檢測探頭中，45、60探頭為單晶橫波探頭，0探頭為單晶直探頭。探頭頻率的選擇，按照檢測區(qū)域及檢測用途來確定。對于近表面區(qū)域，可采用較高的頻率4MHz，而內(nèi)部區(qū)域所采用的頻率一般為22.5MHz。在聲束衰減較大的焊縫中（如安全端焊縫），使用較高的頻率將會產(chǎn)生更多的噪聲信號，因此要根據(jù)檢測厚度和材料衰減狀況以及探頭性能來確定探頭的頻率，探頭的頻率一般處于14MHz的范圍內(nèi)。探頭晶片的選擇是根據(jù)檢查范圍的大小以及探頭性能綜合考慮。對于厚壁焊縫的超聲檢測探頭，為了能檢測到遠(yuǎn)距離的部位，所使用較大的晶片從而獲得較大的能量。如筒體環(huán)焊縫，45、60單晶橫波探頭的晶片尺寸一般為2030mm 的橢圓晶片。而對于雙晶縱波探頭，則根據(jù)探頭焦距的大小來確定。在保證探頭性能的情況下，采用較小的晶片，從而整個探頭的外殼也相對縮小，有利于探頭與掃查曲面的耦合。在整個檢查所用的探頭中，探頭的外殼尺寸(長寬)主要為3030mm和4040mm。(2) 檢測方向?qū)τ诿恳粋€被檢部件，都采用多方向進(jìn)行掃查。筒體環(huán)焊縫、底封頭環(huán)焊縫和安全端管道焊縫，在焊縫的兩側(cè)采用斜探頭的聲束面向焊縫的兩個方向上進(jìn)行軸向掃查，在沿焊縫方向（周向）上采用斜探頭的聲束沿著焊縫的兩個正對方向（順時針和逆時針）進(jìn)行周向掃查。接管與筒體的連接焊縫是插入容器筒體內(nèi)的插入式焊縫，形成了馬鞍面的外形，焊縫厚度也較厚（300mm左右）。由于結(jié)構(gòu)的關(guān)系，在對接管與筒體的連接焊縫的檢查中，將掃查分為從接管內(nèi)側(cè)進(jìn)行檢查和從筒體側(cè)進(jìn)行檢查。從接管內(nèi)側(cè)的檢查為對焊縫的軸向檢查。從筒體側(cè)進(jìn)行的檢查為對焊縫的周向檢查，該檢查方式為探頭聲束沿著焊縫的長度方向（即焊縫的切向）移動掃查，簡稱切向掃查。這兩種掃查方式，在選擇探頭時，探頭的角度和形式也所不同，見表1。接管交貫面及其附加段區(qū)域則采用周向掃查（兩個方向）的方式。內(nèi)壁堆焊層的檢查采用軸向掃查和周向掃查（共四個方向）的方式。(3) 掃查探頭的布置600457045706045AB圖2 筒體環(huán)焊縫軸向掃查探頭布置圖由于對每一個檢查部位的檢測都采用了多探頭多方向的方式，同時為減少占用核反應(yīng)堆壓力容器的時間，并減少多次檢查的風(fēng)險性，在實施超聲檢測時，采用多探頭同時進(jìn)行檢測的方式。因此對于每一個檢查對象將盡量把所有探頭安裝在一起同時掃查。在安排掃查探頭時，同時也考慮減小掃查范圍，提高檢查效率。以筒體環(huán)焊縫軸向掃查為例，將8個探頭同時安裝在一個托盤上，在托盤一次掃查后，這8個探頭都可以完成掃查。具體掃查時，將掃查距離較長的60探頭放在外側(cè)，而把掃查距離相對較短的45探頭放在內(nèi)側(cè)。具體探頭的布置見圖2。其它檢查部位的探頭安排將按照類似的方式進(jìn)行排列。(4) 標(biāo)定在反應(yīng)堆壓力容器檢查過程中，包含基準(zhǔn)靈敏度標(biāo)定和檢查過程中的靈敏度校核標(biāo)定。基準(zhǔn)靈敏的標(biāo)定是在相應(yīng)的對比試塊上進(jìn)行。在檢查過程中，要求對整個超聲系統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)行檢驗，以確定其靈敏度的有效性。每次檢查開始前和每次檢查結(jié)束后，以及每次檢查開始后每間隔12小時（或更少時間），均需對每一個探頭進(jìn)行靈敏度的校核。在使用專用機(jī)械工具的檢查過程中，為了不使整個檢查探頭從容器內(nèi)取出來進(jìn)行靈敏度校核，靈敏度的校核是在專用二次標(biāo)定試塊上進(jìn)行的。利用二次標(biāo)定試塊，將每一個探頭靈敏度轉(zhuǎn)移到二次標(biāo)定試塊的反射體的靈敏度上。對系統(tǒng)的校核，即轉(zhuǎn)移到二次標(biāo)定試塊中反射體的靈敏度的校核。專用二次標(biāo)定試塊一般固定在水下容器內(nèi)或容器附近。在二次標(biāo)定試塊上可以對托盤上的每一個探頭進(jìn)行靈敏度校核。(5) 超聲儀對核反應(yīng)堆壓力容器超聲檢查，采用多通道超聲波檢測系統(tǒng)，該檢測系統(tǒng)由超聲檢測儀、超聲數(shù)據(jù)采集軟件和超聲數(shù)據(jù)分析軟件組成。超聲檢測儀至少含有12個獨(dú)立通道。超聲儀應(yīng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力，以及較高的數(shù)模轉(zhuǎn)換率。超聲儀與探頭能有較好的匹配，有較大的帶寬。采集和分析軟件應(yīng)有較強(qiáng)的功能，它能實時顯示A/B/C/D-SCAN、動態(tài)顯示、多顯示組合，并具有輔助定量測量功能。(6) 缺陷的檢測與定量在整個檢測技術(shù)中，對每一個檢查部件，都存在針對缺陷的檢測和定量的檢測技術(shù)。缺陷的檢測是指以發(fā)現(xiàn)缺陷信號為主，也稱缺陷的檢出。缺陷的定量是指對缺陷的長度和自身高度的測量。在檢測探頭中，都有指定分別用作檢測和定量的探頭。根據(jù)被檢出的缺陷的位置和特點(diǎn)，對于一些部件，檢測探頭和定量探頭可以是同一個探頭，如筒體環(huán)焊縫中，45單晶橫波探頭即作為內(nèi)部區(qū)域間測試的檢測探頭，也作為內(nèi)部區(qū)域缺陷的定量探頭。而對于一些部件，則有專用的檢測探頭和定量探頭。在在役檢查中，按照規(guī)范的要求，對缺陷的定量一般采用-6dB的方法進(jìn)行測量。而目前，針對在役檢查時所發(fā)現(xiàn)的缺陷特點(diǎn)，而主要考慮缺陷為面狀缺陷。對這種面狀缺陷多采用尖端衍射法對缺陷進(jìn)行自身高度定量。因此，在檢測過程中時，缺陷的檢出與缺陷的定量一般采用不同檢測靈敏度。在定量中采用較高的靈敏度有利于發(fā)現(xiàn)面狀缺陷的尖端衍射信號。以檢測堆焊層下缺陷為例，由于堆焊層下缺陷處于近表面，缺陷的檢出采用70雙晶縱波探頭。70探頭角度大，同時雙晶縱波探頭可以克服不銹鋼堆焊層的聲束衰減，易于發(fā)現(xiàn)近表面的缺陷。在對堆焊層下缺陷的定量時，則采用45雙晶縱波探頭。45探頭在堆焊層下角度扭曲較小，水平線性準(zhǔn)確，尖端信號分辨率高，便于缺陷自身高度的精確測量。圖3 是采用70探頭和45探頭對同一缺陷檢測Bscan圖示。圖中可以明顯看出，70探頭發(fā)現(xiàn)缺陷的信號較為強(qiáng)烈，45探頭能明顯分辨缺陷的尖端信號。70探頭掃查結(jié)果45探頭掃查結(jié)果圖3 對堆焊層下缺陷70探頭與45探頭掃查結(jié)果對比4. 結(jié)束語核反應(yīng)堆壓力容器的超聲檢測技術(shù)是一個比較復(fù)雜的檢測