吳遠(yuǎn)建

(中國第一重型機(jī)械股份公司重型裝備事業(yè)部, 黑龍江161042)

盡管日本福島特大核電事故使發(fā)展核電的腳步有所放緩，但具備安全、高效、清潔等特性的核能在能源緊缺的中國無疑具有明顯的發(fā)展優(yōu)勢，中國仍將繼續(xù)發(fā)展核電。因此保證核電站一回路關(guān)鍵設(shè)備，特別是反應(yīng)堆壓力容器用鍛件的制造質(zhì)量意義重大。反應(yīng)堆壓力容器多采用鍛焊結(jié)構(gòu)，其鍛件多使用具有良好可焊性、抗輻照性和較好沖擊性的508-III鋼或16MND5鋼制造。制造過程中存在的缺陷主要有兩種：一是冶煉和澆注過程中形成的縮孔、疏松、偏析和夾雜物；另一種是鍛造和熱處理過程中形成的裂紋、白點(diǎn)、晶粒粗大、重皮和黑皮等。一般在調(diào)質(zhì)處理前，粗加工后和調(diào)質(zhì)熱處理后，精加工前對上述鍛件進(jìn)行超聲檢測，但相關(guān)的國外標(biāo)準(zhǔn)在檢測及驗(yàn)收上存在較多的差異，筆者對此進(jìn)行了分析討論。

1 相關(guān)檢測標(biāo)準(zhǔn)和檢測規(guī)范

我單位執(zhí)行的反應(yīng)堆壓力容器檢測標(biāo)準(zhǔn)主要有以下兩個：

(1)美國ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范中的第II卷、第III卷和第V卷

第II卷A篇鐵基材料中SA-508“壓力容器用真空處理的淬火加回火碳鋼和合金鋼”及SA-788“鋼鍛件技術(shù)條件通用要求”規(guī)定了超聲檢測程序性要求和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。第III卷第一冊NB分卷一級設(shè)備中NB2540“鍛件及棒材的檢驗(yàn)及修補(bǔ)”規(guī)定了需要進(jìn)行的檢驗(yàn)程序及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。第V卷中規(guī)定了超聲檢測方法的通用要求，即第五章“材料超聲檢測方法”和SA-388“大型鋼鍛件超聲檢測標(biāo)準(zhǔn)操作方法”。

(2)法國RCC-M壓水堆核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則中的第II卷和第III卷

第 II 卷 M篇“材料”中規(guī)定了超聲檢測要求和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)(引用標(biāo)準(zhǔn)：NFA04-308 鋼鍛件超聲檢測)。第 III 卷 MC篇“檢驗(yàn)方法”的MC2000“超聲檢驗(yàn)”和MC8000“無損檢驗(yàn)人員的資格和證書”中對人員和檢測方法作了規(guī)定。

RCC-M中所采用的設(shè)計(jì)規(guī)則借鑒了“ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范”第三卷核動力裝置設(shè)備(NB、NC、ND、NF、NG)各篇的有關(guān)內(nèi)容，同時吸收了法國在工業(yè)發(fā)展實(shí)踐中所取得的成果。RCC-M的制造與檢驗(yàn)規(guī)則主要是法國本身核工業(yè)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的具體體現(xiàn)。在無損檢驗(yàn)方面，RCC-M無損檢驗(yàn)的項(xiàng)目比ASME-III要求的更多，范圍也更廣。

2 規(guī)范分析與比較

2.1 對檢驗(yàn)人員的要求

作為國內(nèi)制造的鍛件，無損檢驗(yàn)人員都須符合HAF602“民用核安全設(shè)備無損檢驗(yàn)人員資格管理規(guī)定”中的要求。

RCCM 中MC8010“無損檢驗(yàn)人員資格和資格證書”中規(guī)定：無損檢驗(yàn)人員資格和資格證書按照標(biāo)準(zhǔn)NF EN 473的規(guī)定。在歐洲以外，由一個獨(dú)立的機(jī)構(gòu)，按照一等同的經(jīng)過承包商認(rèn)可的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)頒發(fā)證書。即按照HAF602取得無損檢測證書后即可實(shí)施檢測。

ASME規(guī)范中要求按照SNT-TC-1A的規(guī)定進(jìn)行廠內(nèi)資格評定和頒發(fā)證書。即檢測人員取得HAF602證書后，還需按照SNT-TC-1A要求取得廠內(nèi)資格評定(包括本企業(yè)設(shè)備、產(chǎn)品和規(guī)程等方面考試)，同時只有III級人員才可編制超聲檢測規(guī)程和超聲檢測工藝卡。

2.2 儀器和探頭

RCCM要求探傷儀應(yīng)符合EN12668-1的要求，探頭符合EN12668-2的要求，組合性能應(yīng)符合EN12668-3的要求。對設(shè)備制造商和使用方也都做了詳細(xì)的要求，對新購進(jìn)的超聲波探傷儀在設(shè)備驗(yàn)收時，經(jīng)過大修、中修后及長時間未使用的儀器開始使用前，已投入正常使用的超聲波探傷儀至少每年必須重新校準(zhǔn)一次。任何指標(biāo)不合格的儀器不允許在產(chǎn)品檢測中使用。

ASME 主要對垂直線性和波幅控制線性進(jìn)行了規(guī)定，在示波屏滿幅度20%～80%范圍內(nèi)，超聲儀應(yīng)提供誤差不超過滿屏±5%的垂直顯示。超聲儀應(yīng)有波幅控制旋鈕，在其有用范圍內(nèi)準(zhǔn)確到標(biāo)稱幅度比值的±10%，以便能測量到超出示波屏垂直線性范圍的信號。在每次持續(xù)使用周期開始或不超過3 個月(取小值)，應(yīng)對垂直線性和幅度控制線性進(jìn)行評定。標(biāo)準(zhǔn)中同時規(guī)定了測量方法。

ASME中沒有對設(shè)備水平線性的要求，RCCM中規(guī)定水平線性要求為小于等于2%。國產(chǎn)化后AP1000項(xiàng)目中，設(shè)計(jì)方對儀器水平線性也作了此項(xiàng)規(guī)定。

ASME直射波檢驗(yàn)盡可能使用公稱頻率為2.25 MHz 的直探頭，除非因壁厚、外/內(nèi)徑比值或因幾何形狀無法進(jìn)行校準(zhǔn)外，一般均采用1 MHz 的45°斜探頭。

RCCM中直探頭盡可能使用4 MHz 探頭，斜探頭盡可能使用2 MHz 45°探頭。

由一些專業(yè)文獻(xiàn)可知，頻率越高，可發(fā)現(xiàn)的缺陷越??；脈沖寬度越小，分辨力也就越高，有利于區(qū)分相鄰缺陷且缺陷定位精度高。從ASME使用的探頭頻率較低中可看出RCCM對超聲波檢測的要求高一些。

2.3 掃查速度及掃查覆蓋率

ASME要求掃查速度不得超過150 mm/s。掃查覆蓋率范圍至少為換能器(壓電晶體)垂直于掃查方向尺寸的10%。

RCCM要求掃查速度不大于100 mm/s。掃查覆蓋率為換能器直徑的20%以上。

可以看出ASME對掃查速度和掃查覆蓋率的控制低于RCCM標(biāo)準(zhǔn)。

2.4 盲區(qū)

RCCM規(guī)定，當(dāng)需要時，記下被檢材料厚度范圍內(nèi)的盲區(qū)(以mm 表示)，該厚度通常用如下圖所示的在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下相應(yīng)于反射體距掃查面的最遠(yuǎn)距離L來表示。對于直探頭的盲區(qū)需要增加雙晶探頭進(jìn)行檢測。

O—相應(yīng)于探頭發(fā)射點(diǎn)(時基O) HE—屏高 L—盲區(qū)長圖1 盲區(qū)測量圖Figure 1 The measuring chart of blind area

ASME 中沒有對盲區(qū)的說明。筆者認(rèn)為原因主要為：(1)ASME當(dāng)量的要求為?6.4 mm，相對較大，靈敏度較低，始脈沖較??；(2)由于相同大小的缺陷，越靠近探頭，其反射回波越高，對底波的影響也越大；(3)很多近表面缺陷將使始脈沖變寬，或底波后面將有回波顯示；(4)增加斜波束檢測，可有效對近表面缺陷進(jìn)行檢測。

2.5 檢測時機(jī)

各標(biāo)準(zhǔn)都要求應(yīng)在性能熱處理之后形狀簡單時進(jìn)行超聲檢測。對于制造廠為盡早發(fā)現(xiàn)鍛件中的缺陷，一般在調(diào)質(zhì)前進(jìn)行一序內(nèi)控超聲檢測。

2.6 檢測方法及試塊

2.6.1 直射波檢驗(yàn)

RCCM 中MC2300鍛件的超聲檢測中，直探頭檢測使用距離波幅曲線(DGS)方法。無需制作試塊，減少了很多制造成本。

ASME規(guī)定使用底面反射法和試塊法確定檢測靈敏度。試塊為一系列?6.4 mm的平底孔試塊。

2.6.2 斜射波檢驗(yàn)

RCCM規(guī)定斜射波檢測使用距離波幅曲線(DAC)方法，當(dāng)e(厚度)小于100 mm時，用刻槽試塊；當(dāng)e大于等于100 mm時，用側(cè)邊?2 mm橫孔試塊，可在側(cè)邊鉆不同深度的孔。

ASME 規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)試塊應(yīng)當(dāng)和它所代表的鍛件有相同的標(biāo)稱成分、熱處理參數(shù)和厚度。校準(zhǔn)試塊的表面粗糙度應(yīng)與被檢工件相似，但不能更優(yōu)。如果是同一批鍛件，則可以把其中的一個鍛件作為校準(zhǔn)試塊。內(nèi)壁切槽(矩形或60°V型槽)深度最大應(yīng)為標(biāo)稱厚度的3%或6 mm，選用其中的較小值，其長度約為25 mm，而厚度則取決于被檢鍛件的厚度。如有可能，最好是在工件的余量或工件的試樣上開槽，幾乎每個鍛件需對應(yīng)一塊試塊，需制作大量試塊。

圖2 伸展缺陷L>DPFigure 2 Extensional defect

圖3 點(diǎn)狀缺陷L≤DPFigure 3 Spot defect

圖4 孤立的點(diǎn)狀缺陷L≤DP且d>40 mmFigure 4 Separate spot defect

圖5 密集的點(diǎn)狀缺陷L≤DP且d≤40 mmFigure 5 Clustered spot defect

2.7 缺陷分類

RCCM引用標(biāo)準(zhǔn)“鋼鍛件超聲檢測(NFA04-308-1998)”中對點(diǎn)狀缺陷、孤立點(diǎn)狀缺陷、伸展缺陷或點(diǎn)狀密集缺陷的定義，具體如圖2～圖5所示：

(1)當(dāng)至少有一個常規(guī)尺寸大于聲束在缺陷深度處的寬度時，缺陷被定義為伸展缺陷(見圖2)。

(2)當(dāng)缺陷的所有常規(guī)尺寸最大只等于聲束在缺陷深度處的寬度時，缺陷被定義為點(diǎn)狀缺陷(見圖3)。

(3)在工件中，當(dāng)相應(yīng)于缺陷顯示最大波幅的點(diǎn)之間的距離d大于40 mm時，點(diǎn)狀缺陷被認(rèn)為是孤立的點(diǎn)狀缺陷(見圖4)。

(4)在工件中，當(dāng)相應(yīng)于缺陷顯示最大波幅的點(diǎn)之間的距離d小于等于40 mm時，點(diǎn)狀缺陷被認(rèn)為是密集的點(diǎn)狀缺陷(見圖5)。

ASME標(biāo)準(zhǔn)中除對容器殼體專用的垂直射束檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)(見驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)欄)中單個缺陷和密集缺陷的驗(yàn)收進(jìn)行詳細(xì)規(guī)定外，其它沒有對缺陷進(jìn)行分類。規(guī)定較籠統(tǒng)，具體操作時還應(yīng)由合同雙方確定相關(guān)內(nèi)容。相比ASME標(biāo)準(zhǔn)，RCCM標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行性更好一些。

2.8 驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)

2.8.1 直射波檢測

ASME中NB2542.2 驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)分為一般規(guī)定和容器殼體特殊規(guī)定兩種。

(1)一般產(chǎn)品垂直射束檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

用垂直射束檢驗(yàn)時，若顯示一個或多個缺陷反射波，且反射底波完全消失，而反射底波的消失與鍛件的幾何形狀無關(guān)，則鍛件不合格。當(dāng)反射底波高度下降到熒光屏總標(biāo)定高度的5%以下時，可認(rèn)為反射底波完全消失。

(2)容器殼體專用的垂直射束檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

1)用徑向垂直射束檢驗(yàn)法檢驗(yàn)按細(xì)晶粒熔煉工藝制造的用于容器殼體的環(huán)形鍛件時，若檢驗(yàn)結(jié)果表明存在一個或多個導(dǎo)致連續(xù)反射底波完全消失的反射波，并導(dǎo)致在同一個平面上有連續(xù)顯示，且顯示部位不能被直徑為3英寸(75 mm)或壁厚的1/2(取兩者中的較大值)的圓所包圍，則鍛件不合格。

2)此外，若2個或2個以上的尺寸小于1)項(xiàng)規(guī)定的缺陷，則為不合格缺陷。除非缺陷間的最短距離等于較大缺陷的最大直徑，或者可用上述1)中規(guī)定的圓把這些缺陷部位包圍起來。

ASME中SA-508補(bǔ)充要求S2中規(guī)定如下:

不允許有大于等于規(guī)定的參考試塊中平底孔信號的顯示。

對于檢測截面厚度小于等于305 mm的鍛件，參考試塊應(yīng)包含一個?6.4 mm的平底孔；對于大于305 mm小于等于457 mm的鍛件，孔的直徑應(yīng)該為9.5 mm;對于大于457 mm小于等于610 mm的鍛件，孔的直徑為13 mm。

RCCM引用NFA04-308-1988中驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，除堆芯筒體(單個不大于?3 mm，其它不大于?2 mm)外，其它鍛件驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)為：單個不大于?5 mm，其它不大于?3 mm。

RCCM中對于底波衰減至5%以下的也不予驗(yàn)收。與ASME中反射底波完全消失一致。

分析上述規(guī)定可得出，對于直射波檢測，ASME的驗(yàn)收規(guī)定主要是根據(jù)缺陷是否使底波消失，以及使底波消失的缺陷密集情況和當(dāng)量法來評價(jià)，評價(jià)方式基本與RCCM標(biāo)準(zhǔn)相似。但對于當(dāng)量評定中，RCCM比ASME相對嚴(yán)格一些。

2.8.2 斜射束檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

圖6 橫孔與V槽波幅對比曲線Figure 6 Amplitude comparative curves between cross bore and V shaped groove

圖7 橫孔、矩形槽、V槽波幅對比曲線Figure 7 Amplitude comparative curves of cross bore, rectangular groove and V shaped groove

ASME標(biāo)準(zhǔn)中NB2542規(guī)定，用斜射束檢驗(yàn)時，若檢驗(yàn)結(jié)果表明鍛件有一個或更多的缺陷，顯示的波幅超過適當(dāng)標(biāo)定的缺口顯示的波幅，則此鍛件不合格。

RCCM驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)為：凡缺陷波幅大于DAC曲線，均不予驗(yàn)收。

對斜射橫波檢測，ASME 僅采用切槽進(jìn)行靈敏度調(diào)整和評定，而RCCM 對壁厚大于 100 mm 的鍛件采用橫孔進(jìn)行靈敏度調(diào)整和顯示評定。

圖6和圖7為不同深度V槽和?2 mm橫孔距離波幅曲線的對比，從圖中可以看出，ASME標(biāo)準(zhǔn)對于產(chǎn)品近表面缺陷的控制要嚴(yán)于RCCM標(biāo)準(zhǔn)(因ASME標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，第一個槽反射波前面的DAC線為水平線)，而RCCM規(guī)定同一鍛件各區(qū)域深度所用評定反射孔為相同大小。ASME標(biāo)準(zhǔn)體現(xiàn)了缺陷越靠近表面，控制越嚴(yán)格，越遠(yuǎn)離表面，要求越低的原則，這也與鍛件的受力狀態(tài)相符。

3 結(jié)論

目前，我國正在進(jìn)行核電鍛件制造的國產(chǎn)化工作，在制定核電鍛件無損檢測技術(shù)條件時，要充分借鑒ASME標(biāo)準(zhǔn)和RCCM標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)規(guī)定，并注意以下問題：

(1)經(jīng)驗(yàn)證明，應(yīng)加強(qiáng)工件近表面及焊縫區(qū)的質(zhì)量控制，此區(qū)域?yàn)殄懠闹匾獏^(qū)域，建議對此部位的超聲檢測及驗(yàn)收進(jìn)行特殊規(guī)定。

(2)建議設(shè)計(jì)方編制國內(nèi)適用的無損檢測技術(shù)條件(包括檢驗(yàn)方法和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn))，由于ASME規(guī)范中很多的驗(yàn)收是最低限度的要求，建議結(jié)合我國核電鍛件的制造能力，合理制定驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

(3)在制定相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)時還應(yīng)考慮衰減的測量及評價(jià)。

(4)在檢測要求中，建議盡量少制作專用試塊，斜波束試塊可借鑒RCCM標(biāo)準(zhǔn)要求，使用橫孔試塊。同時應(yīng)考慮對于帶曲率工件用平面試塊校準(zhǔn)靈敏度時的靈敏度補(bǔ)償工作。

[1] NF A 04-308-1988 鋼鍛件超聲波檢測[S].

[2] ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范，第II卷、第III卷、第V卷[S].

[3] RCC-M 壓水堆核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則[S].

[4] 鐘志民，畢炳榮.壓水堆承壓容器厚大鍛件超聲檢測標(biāo)準(zhǔn)的比較 [J].無損檢測，2007，29(4).