AP1000核電廠爆破閥剪切蓋鍛件的超聲檢測

爆破閥是第三代核電技術(shù)AP1000轉(zhuǎn)讓及國產(chǎn)化的關(guān)鍵設(shè)備，其工作原理為利用電信號引爆炸藥，產(chǎn)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(jī)組運行期間，要依靠密閉的剪切蓋來保證爆破閥關(guān)閉時的密封性，確保含硼的水不會發(fā)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11mm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(nèi)外表面易產(chǎn)生裂紋等危險性缺陷，給機(jī)組的安全運行帶來危害。因此在機(jī)組停堆大修期間，要對其實施無損檢測。中核武漢核電運行技術(shù)股份有限公司浙江分公司的檢測人員在機(jī)組大修前開展了技術(shù)研究，在無需對爆破閥進(jìn)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(jié)合的檢測工藝，用于剪切蓋鍛件內(nèi)外表面的檢測。01檢測對象檢測對象為AP1000核電機(jī)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(qū)域為剪切蓋與本體連接部分的筒體鍛件，內(nèi)外表面（整圈）的6.35mm區(qū)域，如圖1所示。圖1檢測區(qū)域示意02執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)產(chǎn)品制造與驗收的技術(shù)規(guī)范，爆破閥剪切蓋鍛件根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASMENB-2500-2004要求，采用直射波或斜射波進(jìn)行超聲波檢測，直射波驗收標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)滿足ASMENB-2542-2004和ASMESA-745-2004的QL-1級要求；斜射波驗收標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)滿足ASMENB-2542-2004和ASMESA-745-2004的QA-1級要求。03檢測難點及思路分析1結(jié)構(gòu)復(fù)雜。既要檢測內(nèi)表面，又要檢測外表面，剪切蓋厚度僅為40mm，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(fā)生改變，造成誤判。4檢測環(huán)境復(fù)雜。檢測對象位于核電廠一回路邊界，周圍環(huán)境輻射劑量高且位置空間復(fù)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(nèi)外表面應(yīng)該采用不同的超聲檢測方法，其中內(nèi)表面應(yīng)使用多個角度的相控陣超聲檢測技術(shù)進(jìn)行檢測，防止對某些取向或遠(yuǎn)離聲束軸線位置的裂紋造成漏檢，該技術(shù)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(xì)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(fā)生反射，分析反射波即可得到缺陷的信號，故其可作為檢測剪切蓋鍛件外表面缺陷的可靠方法。04超聲檢測探頭的設(shè)計超聲檢測系統(tǒng)的核心是探頭，其性能的好壞直接影響超聲檢測系統(tǒng)的性能與缺陷檢測的結(jié)果。爆破閥剪切蓋鍛件的內(nèi)外表面產(chǎn)生的缺陷主要是沿圓弧方向的裂紋，因此應(yīng)選擇對裂紋敏感的橫波探頭和表面波探頭。通過比較統(tǒng)一規(guī)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5MHz的線性陣列相控陣探頭，其尺寸設(shè)計如圖2所示。圖2相控陣超聲探頭的設(shè)計尺寸示意相控陣探頭設(shè)計的晶片數(shù)量為12個，各晶片間距為0.5mm，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2200m/s左右。超聲表面波探頭采用與斜探頭相似的楔塊，當(dāng)橫波折射角為90°時，即產(chǎn)生超聲表面波，試驗采用頻率為2.5MHz，直徑為10mm的表面波探頭，其波長短，具有較高的靈敏度。05超聲波探傷儀采用OmniscanMX2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。06參考試塊參考試塊主要用于基準(zhǔn)靈敏度的標(biāo)定，采用的參考試塊如圖3所示。圖3參考試塊的結(jié)構(gòu)示意07驗證試塊為了進(jìn)一步驗證工藝的缺陷檢測能力，設(shè)計制作了如圖4所示的驗證試塊。圖4驗證試塊外觀及結(jié)構(gòu)示意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(zhì)和衰減差異產(chǎn)生的靈敏度誤差。試塊為圓環(huán)碗狀結(jié)構(gòu)。在圓環(huán)內(nèi)外側(cè)的不同位置共設(shè)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10mm×0.2mm×0.3mm?？滩鄣恼w分布位置及局部位置如圖5和圖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08檢測試驗在相控陣超聲檢測實施前，要進(jìn)行探頭角度延遲補償和靈敏度的標(biāo)定。將相控陣探頭放在驗證試塊的外表面進(jìn)行軸向掃查(見圖7）；將表面波探頭放在驗證試塊外表面進(jìn)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150mm/s，且保證至少15%的覆蓋率。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記錄驗證試塊上的缺陷信息，與設(shè)計的缺陷信息進(jìn)行對比，首先應(yīng)該滿足ASME不能漏檢的要求，其次長度測量的結(jié)果要滿足均方根誤差不超過19mm。按照上述工藝對驗證試塊進(jìn)行檢測后，各位置的共6個刻槽均被檢測出來，使用-12dB法記錄缺陷的長度，各缺陷檢測信號如圖9~14所示。圖91號槽檢測信號圖102號槽檢測信號圖113號槽檢測信號圖124號槽檢測信號圖135號槽檢測信號圖146號槽檢測信號從檢測結(jié)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(jié)構(gòu)信號；缺陷的長度測量誤差滿足ASME均方根誤差不超過19mm的驗收準(zhǔn)則要求，即當(dāng)前檢測工藝滿足檢測要求。

結(jié)語

根據(jù)爆破閥剪切蓋鍛件結(jié)構(gòu)的特點，確定了相控陣超聲和超聲表面波檢測相結(jié)合的檢測工藝，包括探傷儀的選擇、探頭的選擇、試塊的設(shè)計等，使得爆破閥剪切蓋鍛件內(nèi)外表面的質(zhì)量檢測無死角，確保檢測的1