袁書現(xiàn),李　俊,林忠元,洪茂成,吳金鋒

(1.中廣核檢測技術(shù)有限公司, 蘇州 215021；2.江蘇國信靖江發(fā)電有限公司， 靖江 214500)

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CPR1000型控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)Ω焊縫的超聲波檢測

袁書現(xiàn)1,李俊2,林忠元1,洪茂成1,吳金鋒1

(1.中廣核檢測技術(shù)有限公司, 蘇州 215021；2.江蘇國信靖江發(fā)電有限公司， 靖江 214500)

Ω焊縫是CPR1000機(jī)組控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)(CRDM)上連接不同部位的不銹鋼金屬焊縫,其完整程度對于CRDM的良好運(yùn)行起著十分重要的作用。闡述了針對Ω焊縫研發(fā)的自動化超聲波水浸聚焦技術(shù)，確定了包括檢測波型、探頭頻率、晶片尺寸及水層厚度等檢測參數(shù),并通過實際試塊的檢測試驗，表明該技術(shù)可實現(xiàn)對CPR1000機(jī)組CRDM Ω焊縫的質(zhì)量檢測。

控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu);水浸;超聲檢驗

CPR1000機(jī)組的控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)(簡稱CRDM，結(jié)構(gòu)見圖1)是一種步進(jìn)式的提升機(jī)構(gòu)，用來控制棒組件在堆芯內(nèi)的提起、插入或保持在適當(dāng)位置;其在發(fā)生快速停堆或事故工況時得到停堆信號后即能自動脫開控制棒組件，并使控制棒組件依靠自身重量快速插入堆芯，以保證堆芯運(yùn)行安全。Ω焊縫是連接CRDM上不同部位的不銹鋼金屬焊縫，CPR1000機(jī)組具有上部、中部和下部三處Ω焊縫(見圖1)，焊縫設(shè)計壁厚為2.3 mm，其對于CRDM的完整性和良好運(yùn)行起著十分重要的作用。

圖1　控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)及Ω焊縫示意

Ω焊縫形狀特殊，具有半徑小、曲率大、管壁薄等特點;焊縫多采用手工電弧焊而成，因此也具有成型差，母材焊縫兩側(cè)組織差異較大的特點，焊接過程中可能會產(chǎn)生裂紋、未熔合、夾渣和氣孔等制造缺陷。這些制造過程中的缺陷，在長期高溫、高壓、高輻照的在役條件下，可能會發(fā)展成為應(yīng)力腐蝕裂紋(SCC)而導(dǎo)致泄漏事件。自1984年國外出現(xiàn)首例該類型焊縫泄漏的事故后，國內(nèi)外核電站已接連出現(xiàn)了多例焊縫區(qū)和相應(yīng)熱影響區(qū)的泄漏事故。焊縫役前和在役階段產(chǎn)生的泄漏示例見圖2。

圖2　Ω焊縫在役前和在役階段發(fā)生的泄漏示例

除上述特點外，Ω焊縫檢測的空間也非常有限，以中部焊縫為例，兩焊縫可供檢查的有效間距約為400 mm，使得采用傳統(tǒng)手動接觸式超聲方法較難實現(xiàn)對其檢測。對于此類薄壁部件，采用水浸方式進(jìn)行檢測較有優(yōu)勢，為此，筆者開展了對Ω焊縫進(jìn)行水浸聚焦自動化超聲檢驗的試驗，以提高焊縫缺陷的檢出率。

1　檢測對象

1.1檢驗對象及范圍

圖3　中部Ω焊縫結(jié)構(gòu)尺寸及檢查范圍示意

檢測對象為CPR1000機(jī)組CRDM中的上部、中部和下部Ω焊縫(見圖1)，中部Ω焊縫結(jié)構(gòu)尺寸及檢查范圍示意如圖3所示。

由于當(dāng)前沒有標(biāo)準(zhǔn)針對CRDM中Ω焊縫的檢測范圍做明確說明，筆者根據(jù)已經(jīng)產(chǎn)生的缺陷示例，明確該焊縫的具體檢查范圍包含焊縫、熱影響區(qū)及相應(yīng)母材過渡段(見圖3(a)中紅色圖框和圖3(b))。當(dāng)前國內(nèi)CPR1000機(jī)組CRDM Ω焊縫母材材料一般為Z2CN19-10(控氮)、填充金屬為SFA5.9 ER308L/ER316L；上部和中部焊縫采用手動電弧焊在制造廠完成，對余高不進(jìn)行處理，下部焊縫采用自動焊在現(xiàn)場完成。

中部和下部焊縫所處位置環(huán)境較上部復(fù)雜，進(jìn)行超聲波檢查難度也大為增加，筆者僅選取中部焊縫作為實例進(jìn)行介紹。

1.2焊縫組織結(jié)構(gòu)中部焊縫采用手工電弧焊接而成，筆者分析了焊縫內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)(見圖4)，為超聲波檢測法選用技術(shù)參數(shù)提供參考信息，由圖4可見,其內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)分界較為明顯和復(fù)雜，焊縫母材組織為奧氏體+孿晶，焊縫內(nèi)部晶粒較粗大,為柱狀奧氏體晶粒，焊縫和母材間熱影響區(qū)界限分明，兩側(cè)晶粒組織差異性較大,對超聲波聲束的入射和傳播會造成較大的影響。

圖4　中部Ω焊縫組織結(jié)構(gòu)

2　檢查用探頭參數(shù)選取

2.1探頭規(guī)格參數(shù)設(shè)計

選取的探頭，其主要參數(shù)包含檢測頻率和晶片形狀尺寸等。由于焊縫厚度只有2.3 mm，為薄壁焊縫，根據(jù)ASME規(guī)范中有關(guān)相似內(nèi)容要求，需檢出壁厚10%深度的缺陷(即要保證能檢測出0.23 mm的缺陷)，探頭頻率至少應(yīng)為10 MHz。故筆者選定頻率為11 MHz，又考慮檢查空間有限，選取晶片尺寸為6 mm。

2.2水浸聚焦原理及特點

超聲波水浸法是在探頭與工件之間填充一定厚度的水層，聲波先經(jīng)過水層，而后再入射到試件中的一種非接觸式超聲檢測方法。其特點為耦合穩(wěn)定、聲束斂聚、能量集中、靈敏度高，檢測結(jié)果重復(fù)性好，尤其對于薄壁件效果更佳[1-2]。

2.3水浸聚焦參數(shù)設(shè)計設(shè)定母材和焊縫的材料為不銹鋼，不銹鋼中縱波聲速為5 770 m·s-1，橫波聲速為3 230 m·s-1；水中縱波的速度為1 480 m·s-1。

筆者選用縱波傾斜入射，經(jīng)水/鋼界面轉(zhuǎn)化得到橫波，對焊縫進(jìn)行檢測;并考慮縱波經(jīng)水入射至鋼中的往復(fù)透射率[2]，得知在入射角為14.5°～27.27°時，鋼中沒有折射縱波，只有折射橫波，因此選用入射角θ=15°，使得焊縫以及母材中得到較高能量的橫波，并采用一次和二次橫波進(jìn)行檢測。

2.3.1確定偏心距X

入射角為θ=15°，根據(jù)公式:

(1)

得到折射角為：β=34.4°，根據(jù)公式：

(2)

式中:R為焊縫外表面所在圓的半徑。

從而得到偏心距X=1.4 mm(R=2.3+3 mm)。

2.3.2確定水層厚度H

為使橫波的三次反射波處于水層的第一次和第二次反射波之間，則水層厚度應(yīng)該大于4.2 mm，取水層厚度H不小于7 mm。

2.3.3確定焦距F

探頭的焦點應(yīng)落在與聲軸線垂直的管線上，則有公式:

(3)

(取H=7.5 mm)，焦距F=12.6 mm。

2.3.4確定聚焦曲率半徑

根據(jù)公式：

(4)

式中:c1為有機(jī)楔塊縱波聲速，取值為2 730 m·s-1；c2為耦合介質(zhì)水中縱波聲速，取值為1 480 m·s-1；r為有機(jī)楔塊曲率半徑，mm。

得出F=2.2r，則r=5.7 mm，F(xiàn)=12.6 mm。

此時，由公式：

(5)

式中:DS為探頭晶片直徑尺寸；λ2為超聲波在鋼中的波長;C水,C鋼分別為超聲波在水和鋼中的聲速。

計算得到鋼中的近場區(qū)N≈0 mm(可忽略不計)，說明聚焦有效。

2.3.5補(bǔ)充垂直焊縫檢測探頭

為增加焊縫邊側(cè)母材過渡圓弧處的聲束覆蓋(Ω母材根部處)，又補(bǔ)充了入射角為18.9°的橫波探頭進(jìn)行檢測，同時此探頭也可作為平行于焊縫掃查方向用探頭。

2.4聲場覆蓋研究

對于該類薄壁焊縫，首先超聲波聲束的覆蓋需符合要求，筆者針對中部Ω焊縫進(jìn)行了CIVA仿真試驗，以驗證聲束對焊縫的覆蓋范圍是否符合要求。

探頭的選取要滿足聲束在垂直和平行焊縫兩個方向上覆蓋檢查范圍的條件，即可進(jìn)行焊縫周向和軸向兩個方向檢測，圖5為中部Ω焊縫檢測的模擬圖。

圖5　中部焊縫的檢測模擬

根據(jù)上述設(shè)定的參數(shù)，探頭聲束在焊縫中的分布如圖6所示。

圖6　垂直焊縫掃查探頭聲束在焊縫中的分布示意

如圖6(a),(b)所示，選用探頭(入射角θ=15°)以及設(shè)定的參數(shù)，得到的聲束可以覆蓋焊縫以及熱影響區(qū)，并且最大幅值聚焦位置位于2.3 mm內(nèi)部(圖6(d)所示)。為滿足檢查范圍(母材圓弧過渡區(qū))，可設(shè)置參數(shù)增加對此區(qū)域的補(bǔ)充掃查(增加的入射角θ=18.9°)，聲束可以覆蓋該區(qū)域(圖示6(c))。同理，平行于焊縫檢測也能滿足聲束覆蓋檢測范圍要求。

通過上述仿真顯示可知，選用探頭以及參數(shù)滿足檢查設(shè)計要求。

3　試驗研究

3.1試驗內(nèi)容

3.1.1機(jī)械裝置

檢測中部Ω焊縫時，采用上述的水浸式超聲檢測技術(shù)，包括上述檢測用探頭以及相關(guān)參數(shù)，使用的超聲儀器為多通道超聲波探傷儀Z-Scan，與其配套的數(shù)據(jù)采集和分析軟件為UtraVision3.3R4。

由于中部的Ω焊縫所處空間狹小，設(shè)備的外徑不能超過400 mm，高度方向要求設(shè)備穩(wěn)定性好，周向定位精度高，筆者采用自主研發(fā)的機(jī)械掃查裝置。該裝置具有周向掃查軸向步進(jìn)，以及軸向掃查周向步進(jìn)兩個主要關(guān)鍵特性。試驗裝置模型見圖7，主要由掃查裝置主體結(jié)構(gòu)、周向旋轉(zhuǎn)組件、軸向掃查組件、探頭組件及支撐組件等組成。

圖7　中部Ω焊縫檢測用機(jī)械裝置模型

圖8　參考試塊及兩處缺陷設(shè)計示意

3.1.2參考試塊

對于焊接產(chǎn)生的夾渣以及氣孔等體積型缺陷，通過橫孔模擬埋藏的體積型缺陷；對于未熔合、裂紋等平面型缺陷，在不同方向上檢測，其缺陷回波幅值差異較大，帶有明顯的方向性，采用人工槽模擬平面型缺陷。筆者設(shè)計了帶有平底孔和電火花槽為參考缺陷的參考試塊，實際和其中兩處刻傷設(shè)計示意見圖8。其中兩電火花槽深度為0.5 mm，長度5 mm，加工寬度為0.1 mm，分別位于焊縫中部(編號F)、母材和熱影響區(qū)交界位置處(編號E)。E人工反射體為平行于焊縫并位于外表面的長5 mm，深0.5 mm,寬0.1 mm的刻槽，圖中45°位置(圖8(c))。F人工反射體為平行于焊縫并位于外表面的長5 mm，深0.5 mm,寬0.1 mm的刻槽，圖中90°位置(圖8(c))。

3.2試驗結(jié)果

通過上述設(shè)計的自動檢查裝置掃查工件，對刻傷進(jìn)行了檢測和分析，圖9是刻槽E、F的數(shù)據(jù)分析信號圖示。

圖9　參考試塊中E、F槽的數(shù)據(jù)分析圖示

3.3試驗結(jié)論

采用水浸式超聲檢測技術(shù)實施CRDM Ω焊縫的檢測，能夠檢測到參考試塊所設(shè)計的缺陷(包括非體積型缺陷和體積型缺陷)，缺陷檢測結(jié)果與真實情況能夠較好吻合，證實了水浸超聲檢測技術(shù)對Ω焊縫具有較好的檢測效果。

4　結(jié)論

通過對水浸超聲檢測技術(shù)原理的分析，確定了Ω焊縫的水浸超聲檢測技術(shù)參數(shù)，包括檢測波型、探頭頻率、角度、晶片尺寸及水層厚度等，并介紹了相應(yīng)水浸聚焦超聲波檢查機(jī)械裝置。對Ω焊縫進(jìn)行水浸超聲檢測試驗后，結(jié)果表明:采用的水浸超聲檢測技術(shù)能夠滿足質(zhì)量檢測的要求，可實現(xiàn)CPR1000機(jī)組CRDM Ω焊縫自動化檢測。

[1]何巖,鄭重雄,張龍.薄壁鋼管超聲波水浸法探傷[J].物理測試, 2003(4):16-18.

[2]中國特種設(shè)備檢驗協(xié)會.超聲檢測[M].北京:中國勞動社會保障出版社,2010.

[3]付千發(fā),尹鵬,盧威,等. 反應(yīng)堆壓力容器安注管安全端焊縫水浸超聲檢測技術(shù)[J]. 無損檢測, 2015,37(7): 40-44.

[4]易子安,吳敦明. 外方內(nèi)圓不銹鋼管超聲波探傷[J]. 無損檢測, 2011, 33(1):33-36.

The Ultrasonic Inspection of CRDM Housing Canopy Welds in CPR1000 Power Plants

YUAN Shu-xian1, LI Jun2, LIN Zhong-yuan1, HONG Mao-cheng1, WU Jin-feng1

(1.CGNPC Inspection Technology Co., Ltd., Suzhou 215021, China;2.Jingsu Guoxin Jingjiang Power Co., Ltd., Jingjiang 214500, China)

Canopy welds (Ω) in CRDM housing are welded seals joining stainless material and playing an important role in leak-proof for CRDM housing. The paper firstly summarizes and outlines the development of the immersion ultrasonic inspection techniques for canopy welds, and then determines the test parameters such as wave type, probe frequency, wafer dimension and layer thickness , and finally carries out the verification test. And through the test it proves that the technique could meet the test requirements of canopy welds (Ω) in CRDM housing.

Control rod driven mechanism (CRDM); Water immersion; Ultrasonic inspection

2015-07-18

袁書現(xiàn)(1983-),男,工程師,主要從事核電站無損檢測工作。

袁書現(xiàn),E-mail: yuanshuxian@cgnpc.com.cn。

10.11973/wsjc201606007

TB31;TG115.28

A

1000-6656(2016)06-0028-05