杜愛國，楊興旺，邱進杰，何 海

(1.江蘇核電有限公司，連云港 222042；2.中核武漢核電運行技術股份有限公司，武漢 430000)

臥式蒸汽發(fā)生器焊縫的超聲相控陣自動檢測

杜愛國1，楊興旺1，邱進杰2，何 海2

(1.江蘇核電有限公司，連云港 222042；2.中核武漢核電運行技術股份有限公司，武漢 430000)

針對核電機組臥式蒸汽發(fā)生器M111焊縫區(qū)域出現(xiàn)裂紋性危險缺陷的問題，從提高缺陷檢出能力和增加檢測范圍的角度出發(fā)，對該焊縫區(qū)域開展了超聲波相控陣自動檢測技術研究，介紹了該技術在運行機組上的應用經(jīng)驗。

臥式蒸汽發(fā)生器；自動檢測；超聲波相控陣；無損檢測

WWER型核電機組采用的是臥式蒸汽發(fā)生器，臥式蒸汽發(fā)生器集流管與殼體的連接焊縫(下文簡稱M111焊縫)及彎角母材區(qū)域曾產(chǎn)生役致裂紋型缺陷，如南烏克蘭核電站分別于1998年和2001年在M111焊縫根部區(qū)域發(fā)現(xiàn)超標裂紋缺陷，新沃洛涅什核電站于2001年也同樣發(fā)現(xiàn)了該部位的超標缺陷。這些缺陷嚴重威脅著機組的安全運行，且缺陷修復代價高昂。圖1為M111焊縫結構及缺陷所在位置示意。

圖1 M111焊縫結構及缺陷所在位置示意

田灣核電站1，2號機組為WWER-1000型機組，其臥式蒸汽發(fā)生器由俄羅斯設計制造。由于臥式蒸汽發(fā)生器二次側腐蝕產(chǎn)物極易在凹兜部位沉積，并且焊縫及內(nèi)彎角區(qū)域存在應力集中，該區(qū)域具備了發(fā)生應力腐蝕的條件。目前田灣核電站按照俄羅斯標準的要求使用手動超聲檢測方法檢測，但由于焊縫結構的限制和常規(guī)探頭掃查范圍有限，超聲聲束難以全部覆蓋焊縫及母材彎角區(qū)域。因此，十分有必要研究新的無損檢測技術，實現(xiàn)對M111焊縫區(qū)域進行全范圍、高靈敏度的檢測。筆者通過應用超聲波相控陣技術，結合自動掃查裝置，開發(fā)出了適用于臥式蒸汽發(fā)生器M111焊縫的無損檢測技術。該技術可以對焊縫及母材在役期間產(chǎn)生的缺陷進行有效檢測。

1 檢測系統(tǒng)

超聲波相控陣自動檢測系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)、機械掃查裝置、耦合劑供給裝置等部分組成。圖2為超聲波相控陣自動檢測系統(tǒng)示意。其中，數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)包括多通道超聲儀、超聲波相控陣探頭、超聲試塊等，是獲取和分析超聲檢測信號的核心部分，決定了系統(tǒng)的檢測靈敏度。機械掃查裝置主要包括驅動裝置、軌道、探頭夾持裝置等，其結構如圖3所示，機械掃查裝置的定位精度對缺陷尺寸和位置的定量精度起決定性作用。由于焊縫所處位置空間有限，設計了專用的對分式軌道和固定夾塊來減小高度，以解決現(xiàn)場安裝問題。

檢查時，將掃查裝置安裝在集流管與殼體接管的外壁上，通過探頭夾持裝置固定相控陣超聲探頭，對整個焊縫進行圓周運動、軸向運動和斜坡位置的掃查。探頭耦合劑為去離子水，利用耦合劑供給和回收裝置實現(xiàn)耦合劑的循環(huán)。

圖2 超聲波相控陣自動檢測系統(tǒng)示意

圖3 機械掃查裝置示意

2 檢測技術

2.1相控陣探頭和掃查方式

實現(xiàn)M111焊縫區(qū)域微裂紋型缺陷檢測的難點為要求聲束能夠覆蓋焊縫區(qū)域全體積范圍，并到達內(nèi)彎角區(qū)域，且必須能夠發(fā)現(xiàn)不同位置及方向的缺陷。超聲相控陣檢測通過電子技術控制聲束的方向和聚焦，實現(xiàn)對復雜結構部件的全方位和多角度的檢測[1]，是解決部件檢測可達性差的有效手段。與傳統(tǒng)的超聲檢測技術相比，超聲相控陣檢測技術具有缺陷檢出率高、波束靈活可控、檢測效率高[2-3]等特點。因此，采用超聲相控陣探頭可以解決使用常規(guī)探頭時內(nèi)彎角區(qū)無法完全覆蓋的問題，同時可以提高檢測效率，縮短作業(yè)時間。為了實現(xiàn)M111焊縫區(qū)域全體積的檢測，需要使用多種角度和多種類型的相控陣探頭來完成掃查，根據(jù)掃查位置和結構尺寸，設計了不同參數(shù)的探頭。表1為設計的相控陣探頭的主要參數(shù)和掃查方式。

表1 設計的相控陣探頭的主要參數(shù)和掃查方式

2.1.1 相控陣探頭角度設計

按照俄羅斯標準ПНАЭГ-7-030-91 《核動力裝置設備和管道母材(半成品)焊接接頭和堆焊的統(tǒng)一檢驗方法 超聲波檢驗第二部分 焊接接頭和堆焊的檢驗》的要求，對于M111焊縫的檢測至少應使用45°和60°的超聲探頭。因此，線性掃查中包含45°和60°角度的掃查。另外，為提高缺陷檢出率和實現(xiàn)焊縫近表面區(qū)域的檢測，還分別補充了35°和70°角度的線性掃查。對于扇形掃查，探頭角度范圍為35°65°，滿足了該標準的要求，也能夠保證可探測到不同深度及不同方向的裂紋缺陷。為了使檢查區(qū)域全面覆蓋內(nèi)彎角區(qū)，還附加了主聲束為0°、角度范圍為-30°30°相控陣探頭的掃查。

2.1.2 掃查方式的確定

針對焊縫區(qū)域，通過線性掃查和扇形掃查[4]相結合的方式，實現(xiàn)焊縫全體積范圍的檢查。線性掃查用于焊縫近表面1/3壁厚區(qū)域的檢測，分別沿周向和軸向進行掃查；扇形掃查用于焊縫1/3壁厚至內(nèi)壁范圍的檢測，沿軸向進行掃查。根據(jù)掃查位置和探頭尺寸，分析線性掃查和扇形掃查的聲束覆蓋范圍(見圖4)，兩種掃查方式均能夠實現(xiàn)焊縫全體積的掃查。為確保焊縫根部各個方向的缺陷不漏檢，使用扇形掃查時還補充了軸向45°和135°方向的傾斜掃查。

圖4 線性掃查和扇形掃查的聲束覆蓋范圍示意

對于內(nèi)彎角區(qū)域，僅在焊縫一側掃查只能檢測到靠近焊縫一側約50%的內(nèi)彎角區(qū)域，信號無法顯示全部的彎角區(qū)，因此掃查方式中補充了斜坡掃查，以實現(xiàn)另外50%的內(nèi)彎角區(qū)域的聲束覆蓋，內(nèi)彎角區(qū)掃查如圖5所示。

圖5 內(nèi)彎角區(qū)掃查示意

2.2試塊的設計

相控陣超聲自動檢測技術所用試塊按照用途分為兩類，一類是進行靈敏度設置和曲線制作的參考試塊；另一類是用于驗證檢測系統(tǒng)檢測能力的驗證試塊。

2.2.1 參考試塊

參考試塊模擬M111焊縫實際結構尺寸，仿型加工出焊縫區(qū)和內(nèi)彎角區(qū)，分別在焊縫根部區(qū)域、內(nèi)彎角區(qū)域刻有周向和軸向的10 mm×2 mm月牙形槽，這些槽的作用是設置線性掃查和扇形掃查探頭的靈敏度；在焊縫近表面加工直徑為2 mm平底孔來模擬焊縫近表面缺陷，用以設置70°線性掃查的靈敏度。參考試塊中的典型刻槽見圖6。

圖6 參考試塊典型刻槽示意

2.2.2 驗證試塊

驗證試塊包括人工反射體試塊和人工裂紋缺陷試塊，均按照M111焊縫結構尺寸仿型加工。在蒸汽發(fā)生器運行過程中，M111焊縫區(qū)域產(chǎn)生的實際缺陷取向和位置都比較復雜。為了盡可能全面地模擬真實情況，在人工反射體試塊上設計了長度不等、深度不一、方向不同的人工反射體，包括在焊縫根部和內(nèi)彎角區(qū)分別加工軸向、周向和45°方向的傾斜槽，槽的長度從10～35 mm不等，深度從0.5～4.5 mm不等，反射體尺寸既能夠涵蓋M111焊縫區(qū)域全部的役致缺陷尺寸，也能夠驗證檢測系統(tǒng)的檢測能力。此外還在焊縫外表面區(qū)域刻槽，用來模擬在70°線性掃查時的表面和近表面缺陷。表2為典型的人工反射體尺寸(長和高)及模擬的相應缺陷類型，典型的人工反射體結構和人工裂紋缺陷位置示意如圖7所示。

表2 典型的人工反射體尺寸及模擬的相應缺陷類型

盡管人工反射體試塊加工了代表各個位置、不同方向和大小的缺陷，但人工缺陷與役致裂紋缺陷的超聲回波信號仍然有區(qū)別。為了更為真實地模擬役致裂紋缺陷，以驗證檢測系統(tǒng)對真實裂紋的檢測能力，還加工制作了人工裂紋缺陷試塊。表3為典型的人工裂紋缺陷尺寸及模擬的相應缺陷類型。人工裂紋缺陷的類型包括焊縫根部的周向、軸向和傾斜裂紋，以及靠近內(nèi)彎角區(qū)域的各方向裂紋，這些裂紋缺陷的特征與在役期間產(chǎn)生的自然缺陷十分接近。

圖7 典型的人工反射體結構和人工裂紋缺陷位置示意

類型尺寸/mm方向模擬的相應缺陷類型內(nèi)表面30×10軸向焊縫根部軸向裂紋30×5周向焊縫根部周向裂紋人工裂紋30×10傾斜45°焊縫根部傾斜裂紋

3 系統(tǒng)的檢測能力

為了驗證系統(tǒng)實際檢測時的檢測能力，按照M111焊縫和集流管的結構尺寸設計了模擬體，驗證試塊鑲嵌在模擬體上，使用相控陣超聲自動檢測系統(tǒng)在模擬體上進行人工反射體以及人工裂紋缺陷的定量檢測。此外還用常規(guī)探頭自動檢測的方法在驗證試塊上進行檢測，將檢測結果與相控陣超聲自動檢測的結果進行了對比分析。

3.1聲束覆蓋范圍

通過測量和分析驗證試塊上不同位置的缺陷回波信號，確定超聲波聲束的有效覆蓋范圍。結果表明，相控陣超聲自動檢測技術可有效覆蓋M111焊縫全體積。對于焊縫根部、焊縫近表面區(qū)域以及內(nèi)彎角區(qū)域的人工反射體，回波信號清晰完整，信噪比達到12 dB以上，充分證明聲束已覆蓋上述范圍，滿足檢測要求。圖8為焊縫根部典型人工缺陷的檢測信號。

3.2檢測靈敏度和精度

通過檢測試驗，測量人工反射體試塊上不同尺寸的人工反射體，記錄測得的反射體的長度和高度。結果表明，超聲波相控陣自動檢測系統(tǒng)可檢測到所有人工反射體信號。可檢測到的人工缺陷最小高度為0.5 mm，可定量檢測缺陷的最小高度為3 mm，在缺陷長度方向的定量檢測誤差不超過6 mm，缺陷高度定量檢測誤差不超過1.5 mm，檢測能力高于ASME第Ⅺ卷《核電廠設備在役檢查規(guī)則》中能力驗證所要求的標準。

3.3檢測能力對比

使用常規(guī)超聲探頭自動檢測的方法在驗證試塊上進行驗證試驗，來對比相控陣檢測技術的檢測能力，包括使用角度為0°，45°，60°的橫波探頭和串列探頭進行掃查。檢測結果表明，常規(guī)超聲探頭自動檢測的方法僅能檢測到深度為4 mm以上的人工反射體，無法對根部裂紋型反射體進行定量檢測。對于部分較小反射體雖然能探測到，但是信號不夠完整，而且常規(guī)超聲探頭自動檢測內(nèi)彎角和焊縫根部的部分區(qū)域存在不可達性。

由此可見，現(xiàn)有的常規(guī)超聲檢測技術對于M111焊縫區(qū)域檢測存在一定的技術局限。而超聲相控陣自動檢測技術可以克服部分區(qū)域不可達，以及檢測靈敏度和定量精度低的問題，為發(fā)現(xiàn)M111焊縫的役致缺陷提供了有效的檢測手段。

4 相控陣超聲自動檢測技術的應用

在田灣核電站T109大修期間,應用超聲相控陣自動檢測技術對3號蒸汽發(fā)生器的兩條M111焊縫進行了檢測。

采用遠程控制和分析的方式，在田灣核電站3號蒸汽發(fā)生器M111焊縫處安裝了機械掃查裝置，在遠離蒸汽發(fā)生器的低劑量區(qū)設置控制及采集分析工作站，使用主電纜實現(xiàn)遠程控制。利用數(shù)據(jù)采集軟件保存超聲信號數(shù)據(jù)，分析工作站在數(shù)據(jù)采集的同時可實現(xiàn)在線分析。

圖9為彎角區(qū)信號和焊縫根部反射信號。從圖中可以看出，0°相控陣探頭的扇形掃查能清楚顯示內(nèi)彎角區(qū)的界面形狀變化趨勢；35°65°相控陣探頭的扇形掃查能清晰顯示焊縫根部信號。此外也能夠檢測出較小缺陷，例如在焊縫區(qū)域發(fā)現(xiàn)一處未達記錄標準的體積型顯示，當量面積不超過2.1 mm2，指示長度約為8 mm。經(jīng)現(xiàn)場應用表明，超聲波相控陣自動檢測技術可以實現(xiàn)M111焊縫全體積范圍內(nèi)的掃查，特別是焊縫根部和內(nèi)彎角區(qū)的反射信號均具有較高的信噪比，檢測能力與原有技術相比有較大提高。

圖9 彎角區(qū)信號和焊縫根部反射信號

5 結語

通過應用超聲波相控陣自動檢測技術，結合自動掃查裝置,對田灣核電站1，2號機組蒸汽發(fā)生器M111焊縫區(qū)域進行檢測，在檢測范圍、缺陷檢出率、檢測精度等方面都達到了較理想的結果。

[1] 牟彥春，朱曉智，金南輝，等.超聲相控陣技術在電站鍋爐厚壁管道檢測中的應用[J]. 無損檢測，2014，36(9):59-61.

[2] 張繼敏，周暉，劉奎，等.復合材料壓層結構超聲相控陣檢測的缺陷定量表征[J]. 無損檢測，2017，39(3):35-39.

[3] ?？〗埽簭?，小倉幸夫，等.寬帶高靈敏度柔性相控陣探頭的發(fā)展與應用[J]. 無損檢測，2016，38(6):24-27.

[4] Q/CSEI 01-2013 鋼制承壓設備焊接接頭相控陣超聲檢測[S].

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AutomaticInspectionofUltrasonicPhasedArrayfortheHorizontalSteamGeneratorWeldingSeam

DU Aiguo1, YANG Xingwang1, QIU Jinjie2, HE Hai2

(1.Jiangsu Nuclear Power Co., Ltd., Lianyungang 222042, China;2.China Nuclear Power Operation Technology Co., Ltd., Wuhan 430000, China)

The defects of M111 weld brought a huge safety risk and economic loss for unit operation. This paper researched the ultrasonic phased array automatic inspection technology from the perspective of improving the defect detection capability and increasing the detection range, and it also made introduction of the success application experience on nuclear power unit of this technology.

horizontal steam generator; automatic inspection; ultrasonic phased array;nondestructive testing

TG115.28;TL48

： A

：1000-6656(2017)09-0049-05

2017-01-08

杜愛國(1986-),男，碩士，工程師，主要從事核電廠在役檢查工作

杜愛國，duaiguo2008@163.com

10.11973/wsjc201709012