核電廠管道射線插塞焊縫的無(wú)損檢測(cè)

核電廠一回路、二回路系統(tǒng)管道上分布著大量射線插塞，這些插塞用于對(duì)管道焊縫進(jìn)行定期射線在役檢查，射線檢測(cè)前需打磨去除插塞與管座頂部的密封接頭后旋出插塞，插入射線檢測(cè)專用工具后，將Ir-192或Co-60放射源通過(guò)導(dǎo)源裝置輸送到指定位置實(shí)施射線檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)束后旋入插塞至底，反向90°擰緊，再對(duì)頂部進(jìn)行密封焊復(fù)位。射線插塞也是一回路、二回路系統(tǒng)的高溫高壓核壓力邊界，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外核電廠已發(fā)生多起射線插塞焊縫失效而引發(fā)的緊急事件，給核電機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)巨大風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)插塞失效的情況，中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)股份有限公司的技術(shù)人員對(duì)射線插塞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化，同時(shí)對(duì)插塞焊縫的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行分析，探究適用于不同位置，行之有效的無(wú)損檢測(cè)方法。檢測(cè)原理射線插塞焊縫結(jié)構(gòu)圖1射線插塞結(jié)構(gòu)及連接方式示意射線插塞一般設(shè)計(jì)為可拆卸式結(jié)構(gòu)，由管座和插塞兩部分組成，插塞管座外徑為42mm，插塞直徑為29mm，兩者材料均為P280GH碳素鋼。插塞管座與管道采用螺紋連接后以焊接的方式進(jìn)行密封，同時(shí)為便于插塞的正常開(kāi)啟，防止螺紋咬死，安裝插塞與管座螺紋時(shí)，要求插塞完全擰入管座后要回退1/4圈，再進(jìn)行密封焊接。該安裝要求必然會(huì)導(dǎo)致插塞與管座螺紋配合不緊密，插塞實(shí)際處于松動(dòng)狀態(tài)，機(jī)組運(yùn)行期間密封焊縫將承受一定的交變載荷。無(wú)損檢測(cè)技術(shù)分析根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范要求，插塞密封焊縫和角焊縫焊后應(yīng)實(shí)施目視檢測(cè)和液體滲透檢測(cè)，但目視檢測(cè)和液體滲透檢測(cè)均是表面缺陷檢測(cè)方法，其中目視檢測(cè)只能對(duì)焊縫外觀成型、宏觀缺陷等進(jìn)行識(shí)別判斷，滲透檢測(cè)也僅能檢測(cè)表面開(kāi)口缺陷，無(wú)法有效檢出焊縫內(nèi)的氣孔、夾渣、裂紋以及角焊縫與管道母材結(jié)合區(qū)的未熔合缺陷。管座外圈與母材間的間隙會(huì)在射線底片上形成結(jié)構(gòu)不連續(xù)影像，當(dāng)該影像與焊縫結(jié)合處未熔合的影響重疊時(shí)，可能難以有效識(shí)別缺陷。因此，無(wú)法使用射線方法檢測(cè)插塞角焊縫內(nèi)部區(qū)域。射線插塞焊縫透照方式如圖2所示。圖2射線插塞焊縫透照方式示意由于各種檢測(cè)方法都有其特點(diǎn)和局限性，如果采用單一方法實(shí)施檢測(cè)，有可能造成特定缺陷的漏檢。因此，對(duì)于插塞與管座連接的密封焊縫，應(yīng)采用液體滲透檢測(cè)方法進(jìn)行定期檢驗(yàn)，同時(shí)應(yīng)增加焊縫熔池深度，提高焊縫強(qiáng)度。對(duì)于連接插塞管座與管道的角焊縫，應(yīng)采用磁粉檢測(cè)方法檢測(cè)其表面及近表面區(qū)域，采用相控陣超聲技術(shù)檢測(cè)焊縫及焊縫與管道結(jié)合的區(qū)域。射線插塞焊縫的無(wú)損檢測(cè)工藝插塞密封焊縫的滲透檢測(cè)插塞密封焊縫的焊接方法為手工氬弧焊，焊縫為平面密封焊縫，共焊接2層，打底層要求控制在較小電流范圍內(nèi)施焊。電廠一般要求對(duì)插塞本體實(shí)施3次滲透檢測(cè)，第1次為焊接前，第2次為第1層焊好24小時(shí)后，第3次為最終焊好24小時(shí)后。插塞管座角焊縫的相控陣超聲檢測(cè)相控陣超聲技術(shù)將A型脈沖信號(hào)顯示為直觀的扇掃圖像，并且可有效區(qū)分焊縫的缺陷波與結(jié)構(gòu)波，對(duì)檢測(cè)對(duì)象進(jìn)行多角度、多方位的掃查，從而可降低缺陷漏檢概率，提高檢測(cè)可靠性。相控陣超聲檢測(cè)設(shè)備及參數(shù)采用OlympusOmniscanMX2型便攜式相控陣超聲檢測(cè)儀，匹配兩款線陣相控陣探頭，其中橫波相控陣探頭的檢測(cè)參數(shù)為：①晶片數(shù)量為32，一次激發(fā)32個(gè)晶片，頻率為4MHz，相鄰晶片的中心間距為0.7mm，單個(gè)晶片寬度為0.6mm，楔塊型號(hào)為N45S；②采用ф1.5mm橫通孔對(duì)基準(zhǔn)靈敏度進(jìn)行校準(zhǔn)；③檢測(cè)目標(biāo)為插塞角焊縫內(nèi)的氣孔、裂紋等缺陷。縱波相控陣探頭的檢測(cè)參數(shù)為：①晶片數(shù)量為16，一次激發(fā)16個(gè)晶片，頻率為5MHz，相鄰晶片的中心間距為0.6mm，單個(gè)晶片寬度為0.5mm，楔塊型號(hào)為N0L；②以管道母材厚度設(shè)置基準(zhǔn)靈敏度；③檢測(cè)目標(biāo)為角焊縫與管道結(jié)合區(qū)形成的未熔合缺陷。采用基于多軸運(yùn)動(dòng)的掃查裝置輔助實(shí)現(xiàn)超聲數(shù)據(jù)采集。相控陣超聲檢測(cè)工藝以扇形掃查的方式從管道側(cè)采用一次反射波對(duì)射線插塞角焊縫實(shí)施檢測(cè)。其中橫波扇形掃查檢測(cè)角焊縫的內(nèi)部區(qū)域，扇掃角度為40°~55°，相控陣探頭前端距角焊縫邊緣約150~200mm，檢測(cè)時(shí)繞射線插塞運(yùn)動(dòng)整圈；縱波扇形掃查檢測(cè)角焊縫與管道母材結(jié)合區(qū)，扇掃角度為-15°~0°，相控陣探頭前端距角焊縫邊緣約10mm，檢測(cè)時(shí)繞射線插塞運(yùn)動(dòng)整圈。兩種扇形掃查方式的聲束覆蓋范圍如圖3所示。圖3兩種扇形掃查方式的聲束覆蓋示意相控陣探頭運(yùn)動(dòng)軌跡相控陣探頭運(yùn)動(dòng)時(shí)貼合在管道母材上，聲束一直指向射線插塞中心，其運(yùn)動(dòng)軌跡為橢圓形；探頭掃查面與管道母材形成的軌跡為馬鞍面，此時(shí)要保證探頭接觸面更小或者采用雙曲面探頭才能保證有效貼合。相控陣探頭運(yùn)動(dòng)軌跡如圖4所示，相控陣超聲檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)如圖5所示。應(yīng)用軌跡金屬圈很好地控制相控陣探頭的移動(dòng)方向及距離。圖4相控陣探頭運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖5相控陣超聲檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)插塞管座角焊縫的磁粉檢測(cè)磁粉檢測(cè)采用XCEY-III型便攜式交叉電磁軛，其提升力不小于118N，采用單相220V，50Hz工頻交流電產(chǎn)生磁場(chǎng)，通過(guò)移相實(shí)現(xiàn)(90°±5)°的電流相位差。磁軛間距為50~100mm時(shí)，該磁軛至少應(yīng)具有135N的提升力；間距為100~150mm時(shí)，至少應(yīng)具有225N的提升力。磁化時(shí)，令交叉磁軛中心線與射線插塞中心線重合，保證管座焊縫在交叉磁軛產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)內(nèi)。射線插塞焊縫的無(wú)損檢測(cè)試驗(yàn)?zāi)M試件模擬試件的材料、規(guī)格與實(shí)際管道一致，射線插塞的規(guī)格及焊接工藝也與實(shí)際的一致。缺陷主要包括：橫孔（缺陷數(shù)量：3，缺陷最小尺寸：ф1.5mm）、未熔合（缺陷數(shù)量：11，缺陷最小尺寸：3mm×2mm）、裂紋（缺陷數(shù)量：2，缺陷最小尺寸：5mm×3mm）等。缺陷的檢出相控陣超聲可以檢測(cè)出模擬試件中所有的裂紋、未熔合及橫孔缺陷，磁粉檢測(cè)可以檢出所有的裂紋以及部分未熔合缺陷，詳細(xì)缺陷檢出情況如圖6所示。圖6模擬試件的詳細(xì)缺陷檢出情況相控陣超聲檢測(cè)未熔合缺陷的平均信噪比為20.8dB，檢測(cè)橫孔缺陷的平均信噪比為17.8dB，檢測(cè)裂紋缺陷的平均信噪比為8.6dB，所有缺陷的信噪比均大于6dB。裂紋、未熔合缺陷的相控陣超聲檢測(cè)信號(hào)如圖7所示。圖7裂紋、未熔合缺陷的相控陣超聲檢測(cè)信號(hào)磁粉檢測(cè)對(duì)呈樹(shù)枝發(fā)散狀的裂紋缺陷具有較好的檢測(cè)效果。對(duì)于未熔合類缺陷，磁粉檢測(cè)無(wú)法進(jìn)行完全有效的判定，但可以結(jié)合超聲檢測(cè)情況進(jìn)行綜合判定。裂紋、未熔合缺陷的磁粉檢測(cè)結(jié)果如圖8所示。圖8裂紋、未熔合缺陷的磁粉檢測(cè)結(jié)果現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用在國(guó)內(nèi)某核電廠大修期間，采用該無(wú)損檢測(cè)技術(shù)對(duì)二回路管道射線插塞的密封焊縫實(shí)施了滲透檢測(cè)，對(duì)角焊縫實(shí)施了磁粉檢測(cè)和相控陣超聲檢測(cè)。角焊縫采用OmniscanMX2型相控陣超聲檢測(cè)儀、OmniPC采集軟件以及半自動(dòng)掃查器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，現(xiàn)場(chǎng)插塞角焊縫的相控陣超聲檢測(cè)信號(hào)如圖9所示，插塞管座螺紋區(qū)信號(hào)在扇形圖像中呈垂直分布，與實(shí)際工件中保持一致。圖9現(xiàn)場(chǎng)插塞角焊縫的相控陣超聲檢測(cè)信號(hào)結(jié)語(yǔ)相控陣技術(shù)可以檢出射線插塞焊縫