聚變反應(yīng)堆焊縫超聲檢測兩大標(biāo)準(zhǔn)比較

“國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）計(jì)劃”是目前全球規(guī)模最大、影響最深遠(yuǎn)的國際科研合作項(xiàng)目之一，其目標(biāo)是驗(yàn)證和平利用聚變能的科學(xué)和技術(shù)的可行性?；诙喾N原因考慮，ITER選用標(biāo)準(zhǔn)RCC-MR-2007作為真空室等涉核部件的設(shè)計(jì)和建造標(biāo)準(zhǔn)。中方承擔(dān)的采購包需要按照該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造。中國聚變工程實(shí)驗(yàn)堆（CFETR）是中國自主設(shè)計(jì)和研發(fā)并參與國際合作的重大科學(xué)工程，是中國在全面消化吸收ITER相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)上，預(yù)先開展下一代超導(dǎo)聚變堆研究的重大項(xiàng)目。CFETR將著力解決一系列存在于ITER和聚變商業(yè)示范堆（DEMO）中的科學(xué)與技術(shù)挑戰(zhàn)。基于其材料、工藝、工況及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特殊性，目前正在編制適用于CFETR設(shè)計(jì)和建造的一系列的核聚變（HJB）標(biāo)準(zhǔn)。其中涉及的無損檢測部分，擬參照現(xiàn)行的我國能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NB/T47013-2015執(zhí)行。目前，核工業(yè)西南物理研究院同時(shí)承擔(dān)了ITER氦冷固態(tài)增殖劑試驗(yàn)包層（HCCBTBM）及CFETR氦冷陶瓷增殖劑產(chǎn)氚包層（HCCBTBB）的設(shè)計(jì)與制造。兩個(gè)包層的設(shè)計(jì)有許多相通之處，都是氦冷固態(tài)增殖劑包層，都具有鈹區(qū)、鋰區(qū)、冷卻流道等，涉及總體結(jié)構(gòu)、中子學(xué)、電磁、熱工水力學(xué)等工作參數(shù)設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)腔室多、流道密集、形狀復(fù)雜、焊縫繁多。同時(shí)，兩個(gè)包層的設(shè)計(jì)也有許多差異，ITER可能是在CFETR建設(shè)成功之前，在真實(shí)聚變環(huán)境下測試增值包層模塊的唯一機(jī)會，其上專門留有兩個(gè)試驗(yàn)包層窗口。TBM(試驗(yàn)包層)主要用于產(chǎn)氚和能量獲取技術(shù)驗(yàn)證；而CFETR中的包層都是TBB（氚增值包層），其尺寸比TBM大，同時(shí)面對的工況也比TBM更加嚴(yán)格。同時(shí)，兩個(gè)包層相應(yīng)的輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)也差異很大。在此差異的前提下，為便于設(shè)計(jì)及檢測人員靈活運(yùn)用相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，有必要對兩個(gè)包層的無損檢測參照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較分析。兩包層中涉及焊縫類型較多，且設(shè)計(jì)要求進(jìn)行內(nèi)部質(zhì)量檢測。下面以超聲檢測為例，對兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較分析，指出標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用時(shí)可能存在的適用性問題，以期為設(shè)計(jì)人員優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。標(biāo)準(zhǔn)分析與比較標(biāo)準(zhǔn)RCC-MR-2007中無損檢測方面內(nèi)容位于其第3部分，其中焊縫的超聲檢測要求在RMC2600中詳述，驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)在第4部分RS7700《產(chǎn)品焊縫的無損檢測》中詳述。同時(shí)，按照RCC-MR-2007中的設(shè)計(jì)分類，TBM屬于II級部件中的箱體結(jié)構(gòu)，因此以下標(biāo)準(zhǔn)中對比范圍僅限于RCC-MR-2007中II級部件焊縫的超聲檢測要求。國內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)在編寫時(shí)考慮到查閱的方便性，將無損檢測的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)與驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)放置在同一章節(jié)，標(biāo)準(zhǔn)NB/T47013-2015中第3部分超聲檢測就包含了焊縫超聲檢測的檢測標(biāo)準(zhǔn)和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。1適用厚度范圍標(biāo)準(zhǔn)RCC-MR-2007中規(guī)定，RMC2600適用的母材厚度不小于10mm。標(biāo)準(zhǔn)NB/T47013-2015根據(jù)不同的焊接接頭類型，分類更加細(xì)致。相比于前者，NB/T47013-2015對檢測厚度上限進(jìn)行了要求(500mm)，且下限較之稍低，I型焊接接頭適用工件厚度下限為6mm。2檢驗(yàn)時(shí)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)RCC-MR-2007在RS7723中對II級部件焊縫的檢驗(yàn)時(shí)機(jī)進(jìn)行了規(guī)定。最終的體缺陷檢驗(yàn)，應(yīng)在最終消應(yīng)力熱處理后進(jìn)行。標(biāo)準(zhǔn)NB/T47013-2015中要求超聲檢測時(shí)機(jī)的選擇應(yīng)符合相關(guān)法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)及有關(guān)技術(shù)文件的規(guī)定。3檢驗(yàn)區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)RCC-MR-2007在RS7722中對II級部件焊縫的檢測區(qū)進(jìn)行了規(guī)定。工件厚度＞30mm時(shí)，焊縫被檢區(qū)域應(yīng)至少包括熔敷金屬和兩側(cè)各10mm的熱影響區(qū)；工件厚度≤30mm時(shí)，焊縫被檢區(qū)域應(yīng)至少包括熔敷金屬和兩側(cè)各5mm的熱影響區(qū)。標(biāo)準(zhǔn)NB/T47013-2015中規(guī)定檢測區(qū)寬度應(yīng)是焊縫本身以及焊縫熔合線兩側(cè)各10mm區(qū)域。通常，工件厚度越大，開坡口寬度及熱影響區(qū)也越大，相較而言，RCC-MR-2007中根據(jù)工件厚度確定檢測區(qū)寬度的要求更加合理。4表面準(zhǔn)備標(biāo)準(zhǔn)RCC-MR-2007中規(guī)定表面粗糙度不大于6.3μm。NB/T47013-2015中規(guī)定檢測面應(yīng)平整，檢測面與探頭楔塊底面或保護(hù)膜間的間隙應(yīng)不大于0.5mm，其表面粗糙度不大于25μm。國內(nèi)外都有關(guān)于表面粗糙度對超聲檢測影響的研究，有研究者針對不同粗糙度對超聲檢測的影響進(jìn)行了深入研究，結(jié)果表明當(dāng)表面粗糙度大于6.3μm時(shí)，超聲波檢測靈敏度隨表面粗糙度的增加急劇變化，嚴(yán)重影響缺陷的判定。同時(shí)，NB/T47013-2015中對對比試塊的表面粗糙度要求為3.2μm或6.3μm，與被檢件的表面粗糙度要求差異較大。相對而言，RCC-MR-2007中對粗糙度的要求更為合理。5探頭參數(shù)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)RCC-MR-2007中規(guī)定，探頭頻率范圍為1~6MHz；壓電晶片可以是矩形或圓形，矩形晶片長寬比不大于1.5，尺寸為10~30mm(直徑或邊長)；斜探頭折射角為35°~70°，當(dāng)需要采用兩個(gè)不同角度的橫波掃查時(shí)，原則上要求這兩個(gè)折射角標(biāo)稱值至少相差15°。標(biāo)準(zhǔn)NB/T47013-2015中規(guī)定，儀器-3dB頻率為0.5~10MHz；壓電晶片可以是方形或圓形，圓形晶片直徑一般不應(yīng)大于40mm，方形晶片任一邊長一般不應(yīng)大于40mm；斜探頭折射角的選擇如表1所示，根據(jù)工件厚度進(jìn)行選擇，工件越厚，折射角越小。當(dāng)需要采用兩個(gè)不同角度的橫波掃查時(shí)，原則上要求這兩個(gè)折射角標(biāo)稱值至少相差10°。表1NB/T47013-2015推薦采用的斜探頭折射角（K值）和標(biāo)稱頻率與RCC-MR-2007相比，NB/T47013-2015中探頭公稱頻率更大，晶片尺寸可選擇余地更大；推薦的斜探頭折射角的選擇更具體，可執(zhí)行性更強(qiáng)。6標(biāo)準(zhǔn)試塊標(biāo)準(zhǔn)RCC-MR-2007中采用標(biāo)準(zhǔn)NFEN12223-2000規(guī)定的1號校準(zhǔn)試塊。標(biāo)準(zhǔn)NB/T47013-2015中采用的是20號優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼制CSK-ⅠA標(biāo)準(zhǔn)試塊。7對比試塊標(biāo)準(zhǔn)RCC-MR-2007中規(guī)定，對比試塊為直角平行六面體，表面粗糙度不大于6.3μm，人工反射體為Φ2mm橫通孔，第一個(gè)橫通孔位置為掃查面下10mm，其余橫通孔位置根據(jù)試塊厚度而定。當(dāng)試塊厚度不大于50mm時(shí)，間隔為10mm；試塊厚度為50~100mm，間隔為20mm；試塊厚度大于100mm時(shí)，間隔為30mm。所有反射體位置應(yīng)距對比試塊兩端至少各20mm。標(biāo)準(zhǔn)NB/T47013-2015中規(guī)定，根據(jù)工件厚度不同，采用的對比試塊（CSK-ⅡA、CSK-ⅢA、CSK-ⅣA試塊）也不同。其中，根據(jù)CSK-ⅡA試塊適用的工件壁厚范圍不同，又分為Φ2mm×40mm和Φ2mm×60mm(槽孔直徑×橫孔長度)兩種不同試塊；CSK-ⅢA試塊人工反射體為Φ1mm×6mm的短橫孔，深度位置為10~120mm，間隔為10mm；CSK-ⅣA試塊根據(jù)適用的工件壁厚范圍不同，分為Φ6mm×80mm、Φ6mm×100mm、Φ6mm×120mm(橫孔直徑×橫孔長度)3種不同試塊。相比標(biāo)準(zhǔn)RCC-MR-2007，NB/T47013-2015中試塊的表面粗糙度要求與工件檢測面表面粗糙度要求差別較大，這在檢測實(shí)施過程中，按需進(jìn)行耦合補(bǔ)償。而標(biāo)準(zhǔn)RCC-MR-2007中試塊和工件檢測面的表面粗糙度要求一致，則不存在耦合補(bǔ)償問題。另外，相比標(biāo)準(zhǔn)RCC-MR-2007，標(biāo)準(zhǔn)NB/T47013-2015中對對比試塊的要求更加具體，對應(yīng)不同工件壁厚，人工反射體的尺寸有所變化。8掃查方法標(biāo)準(zhǔn)RCC-MR-2007中對對接焊縫掃查方法規(guī)定，一般采用橫波斜探頭和縱波直探頭對工件進(jìn)行雙面雙側(cè)掃查。厚度不大于100mm焊縫的超聲掃查方式如圖1所示，使用橫波斜探頭檢查縱向缺陷時(shí)，沿圖1(a)中1~4的4個(gè)方向進(jìn)行掃查；檢查橫向缺陷時(shí)，沿圖1(b)中5-6，5-7，7-8，6-8中任選一對，沿這兩個(gè)方向進(jìn)行掃查；使用直射縱波檢查時(shí)，沿圖1(a)中9或10的任意一個(gè)方向進(jìn)行掃查。圖1厚度不大于100mm的焊縫超聲掃查方式示意另外，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定每一個(gè)探頭應(yīng)覆蓋相同探頭沿反面掃查的盲區(qū)。當(dāng)一個(gè)表面和（或）焊縫的一側(cè)不可達(dá)時(shí)，沿此表面或焊縫一側(cè)的檢驗(yàn)，按下述方式替代：①一次反射法（底面回波）檢驗(yàn)；②從可達(dá)表面或焊縫一側(cè)，用兩個(gè)不同折射角的探頭掃查，以滿足整個(gè)體積區(qū)域從4個(gè)不同方向進(jìn)行掃查。對于厚度＞100mm焊縫的檢測，在檢測縱向缺陷時(shí)，沿圖1(a)中1~4的4個(gè)方向，采用2個(gè)不同角度的探頭進(jìn)行掃查；在檢查橫向缺陷時(shí)，沿圖1(b)中5~8的4個(gè)方向進(jìn)行掃查；直射縱波檢測時(shí)，沿圖1(a)中9和10兩個(gè)方向進(jìn)行掃查。另外，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，厚度＞100mm的焊縫，不要求用一次反射法檢測和表征缺陷。在這種情況下，可采用淺盲區(qū)探頭，以覆蓋從可接近表面進(jìn)行檢測中產(chǎn)生的探頭盲區(qū)。為了便于根據(jù)壓力容器產(chǎn)品的重要程度選用搜查方法，標(biāo)準(zhǔn)NB/T47013-2015規(guī)定了A、B、C3個(gè)檢測技術(shù)等級。主要區(qū)別表現(xiàn)在適用厚度范圍、適用探頭數(shù)量、檢測面、對橫向缺陷的檢測要求、余高要求、對母材的檢測要求等。其中C級為最高等級，適用要求為：母材厚度為6~500mm；使用2種K值探頭；進(jìn)行單面雙側(cè)或雙面雙側(cè)，對應(yīng)檢測橫向缺陷；需要將余高磨平，要求用直探頭對斜探頭掃查經(jīng)過的母材區(qū)域進(jìn)行檢測。相比RCC-MR-2007，NB/T47013-2015按重要程度選擇方法，應(yīng)用更為靈活，而RCC-MR-2007則是直接選擇了最重要產(chǎn)品的檢測方法。9缺陷顯示表征01幅度標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)RCC-MR-2007中，采用距離-波幅校正距離波幅曲線（DAC），利用繪制這樣的DAC曲線所用的同樣(靈敏度)調(diào)節(jié)，將缺陷區(qū)測得的最大幅度與同樣聲程的曲線的縱坐標(biāo)進(jìn)行比較。以距離波幅校正的百分比表示缺陷的嚴(yán)重程度。標(biāo)準(zhǔn)NB/T47013-2015中，DAC曲線使用探頭和儀器在試塊上實(shí)測的數(shù)據(jù)繪制而成，由3條曲線組成，曲線高度從高到低分別為判廢線、定量線、評定線。曲線的高度由被檢焊縫板厚確定。其中評定線與定量線之間（包括評定線）為Ⅰ區(qū)，定量線和判廢線（包括定量線）之間為Ⅱ區(qū)，判廢線及以上為Ⅲ區(qū)。波幅標(biāo)定以落在哪個(gè)區(qū)來評定。與標(biāo)準(zhǔn)RCC-MR-2007相比，原理一致，只是曲線所代表的意義不同。02尺寸標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)RCC-MR-2007中規(guī)定采用相對靈敏度測長法的-6dB法（半波高度法）測量缺陷長度。標(biāo)準(zhǔn)NB/T47013-2015中規(guī)定，當(dāng)缺陷反射波只有一個(gè)高點(diǎn)，且位于Ⅱ區(qū)或Ⅱ區(qū)以上時(shí)，采用-6dB法測量其指示長度；當(dāng)缺陷反射波峰值起伏變化，有多個(gè)高點(diǎn)時(shí)，且均位于Ⅱ區(qū)或Ⅱ區(qū)以上時(shí)，應(yīng)以端點(diǎn)-6dB法測量其指示長度；當(dāng)缺陷最大反射波幅位于Ⅰ區(qū)時(shí)，將探頭左右移動，使波幅降到評定線，用評定線絕對靈敏度法測量缺陷指示長度。標(biāo)準(zhǔn)NB/T47013-2015的缺陷測長法綜合了ASME標(biāo)準(zhǔn)和RCC-MR標(biāo)準(zhǔn)中的方法，針對具體情況有不同的測量方法。03成組缺陷顯示標(biāo)準(zhǔn)RCC-MR-2007中規(guī)定，如果同時(shí)符合以下兩個(gè)條件，則可將分散的缺陷信號顯示累積在一起：①如果有一個(gè)缺陷信號是點(diǎn)狀的，該缺陷與另一缺陷的缺陷信號在掃查表面上的投影相隔距離不大于最小的缺陷信號顯示長度的6倍或20mm；②缺陷信號在焊縫橫截面上的投影相隔距離不大于20mm。成組缺陷信號顯示幅度為任何分散的缺陷信號顯示中測得的最高幅度，其尺寸為相距最遠(yuǎn)的缺陷兩端相連的尺寸。該累計(jì)規(guī)則只適用于已經(jīng)逐個(gè)測得的缺陷顯示。標(biāo)準(zhǔn)NB/T47013-2015中規(guī)定沿缺陷長度方向相鄰的兩缺陷，其長度方向間距小于其中較小的缺陷長度且兩缺陷在與缺陷長度相垂直方向的間距小于5mm時(shí)，應(yīng)作為一條缺陷處理，以兩缺陷長度之和作為其指示長度（間距計(jì)入）；如果兩缺陷在長度方向投影有重疊，則以兩缺陷在長度方向上投影的左、右端點(diǎn)間距離作為其指示長度。10驗(yàn)收準(zhǔn)則標(biāo)準(zhǔn)RCC-MR-2007中規(guī)定任何不小于50%參考反射波高度（Hd/Hr≥1/2）的反射波顯示應(yīng)予以記錄；一旦發(fā)現(xiàn)裂紋、未熔合等非體積型顯示，判定為不合格；體積型缺陷最大允許長度如表2所示，Hd為缺陷回波高度最大值，Hr為人工反射體回波高度最大值。對于體積型缺陷顯示，超過表2規(guī)定的與Hd/Hr比值相關(guān)的長度，判定為不合格。應(yīng)當(dāng)注意的是，反射波高度低于設(shè)定值的單個(gè)缺陷不應(yīng)該被認(rèn)為是需要進(jìn)行返修的缺陷；然而，當(dāng)其連續(xù)長度超過200mm時(shí)，則需要進(jìn)一步分析以確定缺陷性質(zhì)。表2標(biāo)準(zhǔn)RCC-MR-2007中規(guī)定體積型缺陷最大允許長度標(biāo)準(zhǔn)NB/T47013-2015規(guī)定按質(zhì)量分級進(jìn)行驗(yàn)收，在不同質(zhì)量等級進(jìn)行驗(yàn)收時(shí)，又按照工件厚度、波幅所在區(qū)域、單個(gè)缺陷長度以及多個(gè)缺陷累計(jì)長度等進(jìn)行驗(yàn)收。此外，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定不允許存在裂紋、未熔合和未焊透等缺陷。與標(biāo)準(zhǔn)RCC-MR-2007相同，都是根據(jù)缺陷的性質(zhì)、波幅、工件厚度以及缺陷長度進(jìn)行缺陷判定的。結(jié)語(1)標(biāo)準(zhǔn)RCC-MR-2007中適用的母材厚度不小于10mm，但不適用于TBM中蓋板流道封焊的5mm焊縫、第一壁側(cè)壁流道封焊的3.5mm焊縫的檢測；標(biāo)準(zhǔn)NB/T47013-2015中適用的母材厚度不小于6mm。(2)標(biāo)準(zhǔn)RCC-MR-2007中的對比試塊標(biāo)準(zhǔn)孔的孔徑是Φ2.0mm這一定值，這與NB/T47013-2015中標(biāo)準(zhǔn)孔孔徑根據(jù)厚度而異不同。(3)標(biāo)準(zhǔn)RCC-MR-2007中規(guī)定采用雙面雙側(cè)掃查，相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)NB/T47013-2015中A、B、C三級檢測技術(shù)中要求最嚴(yán)的C級檢測。在TBM的實(shí)際運(yùn)用中，由于焊縫結(jié)構(gòu)是封閉的，無法實(shí)現(xiàn)雙面掃查，標(biāo)準(zhǔn)中給出了相應(yīng)的措施。(4)標(biāo)準(zhǔn)RCC-MR-2007中對缺陷表征規(guī)定，幅度標(biāo)定采用DAC曲線法，與其他標(biāo)準(zhǔn)一致；尺寸標(biāo)定采用常規(guī)的-6dB法，與標(biāo)準(zhǔn)NB/T47013-2015