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(哈電集團(tuán)(秦皇島)重型裝備有限公司，秦皇島 066206)

AP1000核電機(jī)組采用的是先進(jìn)的第三代核電技術(shù)，其是在二代核電的成熟技術(shù)上，采用“非能動(dòng)理念”最大限度地利用壓縮空氣膨脹、重力及自然循環(huán)等自然驅(qū)動(dòng)力的非能動(dòng)安全系統(tǒng)。蒸汽發(fā)生器作為保障核電廠安全的重要設(shè)備，其將反應(yīng)堆的熱能傳遞給二回路介質(zhì)以產(chǎn)生蒸汽，并且隔絕一回路與二回路，確保放射性物質(zhì)停留在一回路內(nèi)而不溢出[1]。AP1000蒸汽發(fā)生器出口接管與主泵泵殼、進(jìn)口接管與安全端均采用焊接方式連接，進(jìn)出口接管由低合金鋼SA-508 Gr.3Cl.2并內(nèi)襯不銹鋼堆焊層制造而成，主泵泵殼由雙相不銹鋼鑄造而成，進(jìn)口接管安全端由SA-182 Gr.F316LN不銹鋼鍛造而成，焊縫兩側(cè)材料的焊接性能差異巨大。在進(jìn)出口接管的低合金鋼端面堆焊有厚度不小于38.1 mm的超厚鎳基合金預(yù)堆邊，然后由超厚鎳基合金預(yù)堆邊與安全端、主泵泵殼完成焊縫焊接。因此，鎳基合金預(yù)堆邊的焊接質(zhì)量將成為蒸汽發(fā)生器與安全端、主泵泵殼可靠連接的重要因素。

1 鎳基合金焊縫結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及檢測(cè)技術(shù)要求

1.1 AP1000蒸汽發(fā)生器預(yù)堆邊結(jié)構(gòu)尺寸

AP1000蒸汽發(fā)生器超厚鎳基合金預(yù)堆邊采用Tig焊(非熔化極氣體保護(hù)電弧焊)堆焊而成，焊絲直徑為1.0 mm，焊接時(shí)由于鎳基合金堆焊金屬在凝固過(guò)程中，并沒(méi)有奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變的相變過(guò)程，最終組織結(jié)構(gòu)為奧氏體。相對(duì)于鐵素體(低合金鋼)，奧氏體具有晶粒粗大、各向異性嚴(yán)重，超聲波檢測(cè)聲衰減大、信噪比低的特點(diǎn)[2]。堆焊金屬在冷卻凝固過(guò)程中，由于垂直于母材表面方向的散熱條件比較好，有利于晶粒的增長(zhǎng)，故而最終形成的奧氏體相晶?；敬怪庇谀覆谋砻鎇3]，這對(duì)采用斜探頭檢測(cè)層下裂紋非常不利。同時(shí)，AP1000蒸汽發(fā)生器進(jìn)出口接管預(yù)堆邊的設(shè)計(jì)厚度不小于38.1 mm(見(jiàn)圖1)，考慮到加工余量，其堆焊層厚度一般為40 mm，這增加了超聲波檢測(cè)的難度，尤其是堆焊層下裂紋的檢測(cè)[4]。

圖1 預(yù)堆邊結(jié)構(gòu)示意

1.2 設(shè)計(jì)文件對(duì)預(yù)堆邊超聲波檢測(cè)的技術(shù)要求

AP1000蒸汽發(fā)生器設(shè)計(jì)文件中，對(duì)進(jìn)出口接管預(yù)堆邊焊后和熱處理后的超聲波檢測(cè)有較為具體的規(guī)定：在預(yù)堆邊的端部采用直探頭進(jìn)行超聲檢測(cè)，參考反射體為直徑3.2 mm的平底孔；采用斜探頭從4個(gè)方向?qū)︻A(yù)堆邊進(jìn)行超聲檢測(cè)，參考反射體為直徑1.6 mm的橫孔。此外，對(duì)于出口接管預(yù)堆邊還應(yīng)在內(nèi)外表面使用45°斜探頭從軸向方向上補(bǔ)充超聲檢測(cè)。

2 檢測(cè)工藝

2.1 試塊設(shè)計(jì)

依據(jù)設(shè)計(jì)文件的檢測(cè)技術(shù)要求設(shè)計(jì)超聲波檢測(cè)試塊1(見(jiàn)圖2)，試塊采用與產(chǎn)品預(yù)堆邊相同的焊接工藝規(guī)程進(jìn)行堆焊。試塊上設(shè)置一系列直徑為3.2 mm的平底孔以及一系列直徑為1.6 mm的橫孔。同時(shí)，考慮到堆焊方向?qū)β晫W(xué)性能的影響，在平行焊接方向和垂直焊接方向上分別設(shè)置校驗(yàn)用橫孔，校準(zhǔn)試塊的堆焊層厚度略厚于被檢產(chǎn)品的堆焊層厚度，同時(shí)為了保證不同深度缺陷檢測(cè)的準(zhǔn)確性，試塊上平底孔和橫孔應(yīng)在整個(gè)堆焊厚度方向上均勻分布。

圖2 預(yù)堆邊檢測(cè)試塊結(jié)構(gòu)示意(試塊1堆焊層厚度為40 mm)

2.2 探頭選擇

由于超聲波在粗晶預(yù)堆邊中的衰減大，故應(yīng)選用對(duì)粗晶材料具有較好聲學(xué)特性的縱波探頭，國(guó)內(nèi)外的專家早已驗(yàn)證：寬頻帶窄脈沖雙晶聚焦縱波探頭在粗晶材料上具有較好的信噪比，帶寬達(dá)到70%以上[5-7]，探頭聚焦區(qū)域應(yīng)位于堆焊層與母材的交界面上。0°探頭選用GE公司的聚焦深度(FD)為12 mm和30 mm的兩種探頭。對(duì)斜射波檢測(cè)，由于關(guān)注堆焊層下裂紋的情況，而堆焊層厚度太厚，超聲波穿透困難，故而選擇大晶片尺寸、雙晶聚焦探頭，以獲得高的穿透能力。RTD公司在制造粗晶材料超聲波檢測(cè)用雙晶探頭上具有豐富的經(jīng)驗(yàn)，但其生產(chǎn)的聚焦聲程(FS)為75 mm的雙晶縱波探頭依然無(wú)法檢測(cè)堆焊層界面的反射體回波，此外，由于聚焦深度過(guò)大，反而帶來(lái)了近表面的反射體也無(wú)法發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題。UCC探頭是RTD公司針對(duì)堆焊層下裂紋檢測(cè)而專門(mén)設(shè)計(jì)和制造的探頭，其為縱波雙晶點(diǎn)聚焦70°探頭，探頭晶片的幾何形狀為球狀，通過(guò)控制偏移角和探頭頻率，在較薄厚度堆焊層的檢測(cè)上可以獲得較好的信噪比。

分別采用0°探頭及點(diǎn)聚焦70°探頭對(duì)試塊1進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如表1所示(“-”表示信噪比低于6 dB，無(wú)法識(shí)別)。由表1可知，70°探頭只能檢測(cè)到深度為5，10，15 mm的人工反射體，無(wú)法滿足檢測(cè)到全部預(yù)堆邊以及堆焊層下裂紋的要求。

表1 0°探頭及點(diǎn)聚焦70°探頭對(duì)試塊1的檢測(cè)結(jié)果

2.3 檢測(cè)方案的優(yōu)化

檢測(cè)結(jié)果表明，無(wú)法只采用70°斜探頭一次檢測(cè)整個(gè)預(yù)堆邊。針對(duì)此情況，重新設(shè)計(jì)了焊接方案和檢測(cè)工藝，在焊接過(guò)程中對(duì)預(yù)堆邊實(shí)施分層檢測(cè)。針對(duì)堆焊層下裂紋，重新設(shè)計(jì)并制作了試塊2(見(jiàn)圖3)，在預(yù)堆邊堆焊至厚度約為12 mm時(shí)，對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，確保堆焊層下無(wú)裂紋。

分層檢測(cè)時(shí)，分別在預(yù)堆邊堆焊至10，20，30 mm以及在最終堆焊完成后進(jìn)行檢測(cè)。每次檢測(cè)時(shí)，均采用直探頭及4個(gè)方向的70°斜射波進(jìn)行檢測(cè)，保證垂直于表面缺陷的檢出率。分別采用0°探頭及點(diǎn)聚焦70°探頭對(duì)試塊2進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如圖4所示。

圖3 預(yù)堆邊檢測(cè)試塊結(jié)構(gòu)示意(試塊2堆焊層厚度為12 mm)

圖4 0°探頭及點(diǎn)聚焦70°探頭對(duì)試塊2的檢測(cè)結(jié)果

2.4 熱處理后的檢測(cè)

對(duì)于堆焊完成后，采用分層檢測(cè)的方式可實(shí)現(xiàn)全部預(yù)堆邊的質(zhì)量控制，而設(shè)計(jì)圖紙中還要求熱處理后進(jìn)行檢測(cè)，熱處理后的檢測(cè)同樣面臨70°探頭無(wú)法一次完成全厚度預(yù)堆邊檢測(cè)的問(wèn)題。此時(shí)，考慮堆焊層下存在再熱裂紋的可能性已排除，并且設(shè)計(jì)要求對(duì)全厚度堆焊層進(jìn)行斜射波檢測(cè)，因此可以采用多角度進(jìn)行分層聚焦檢測(cè)，采用70°，45°，37°三種角度(聚焦深度分別為8，50，60 mm)的探頭，對(duì)熱處理后的預(yù)堆邊進(jìn)行分層聚焦檢測(cè)，并對(duì)試塊1進(jìn)行檢測(cè)。各種角度探頭在試塊1上的檢測(cè)結(jié)果如圖5～7所示。

由圖5～7可以看出，通過(guò)組合不同角度、不同聚焦深度的探頭，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)超厚預(yù)堆邊(40 mm)超聲波檢測(cè)的質(zhì)量控制。

圖5 不同角度斜探頭對(duì)試塊1的垂直于焊接方向的檢測(cè)結(jié)果

圖6 不同角度斜探頭對(duì)試塊1的平行于焊接方向的檢測(cè)結(jié)果

圖7 直探頭對(duì)試塊1的檢測(cè)結(jié)果

2.5 出口接管內(nèi)外表面軸向檢測(cè)

為了防止出口接管的鎳基合金預(yù)堆邊中存在干擾后續(xù)接管與泵殼對(duì)接焊縫超聲波檢測(cè)的缺陷，按照設(shè)計(jì)要求，需在接管預(yù)堆邊的內(nèi)外表面，從軸向方向采用45°縱波雙晶斜探頭進(jìn)行超聲檢測(cè)。設(shè)計(jì)的超聲波檢測(cè)試塊如圖8所示。調(diào)節(jié)儀器時(shí)，分別采用45°縱波雙晶斜探頭從試塊的內(nèi)外表面檢測(cè)人工

圖8 出口接管預(yù)堆邊內(nèi)外表面檢測(cè)試塊

反射體，制作DAC(距離-幅度)曲線，掃查時(shí)應(yīng)注意內(nèi)外表面曲線的對(duì)應(yīng)。

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)AP1000蒸汽發(fā)生器進(jìn)出口接管超厚鎳基合金預(yù)堆邊進(jìn)行超聲波檢測(cè)，采取了分層檢測(cè)(焊后分層堆焊及檢測(cè)、熱處理后不同聚焦探頭分層檢測(cè))的方式，對(duì)斜探頭檢測(cè)制作了平行和垂直于焊接方向的兩種反射體，對(duì)出口接管預(yù)堆邊進(jìn)行了沿接管軸向的檢測(cè)等多方面的檢測(cè)工藝，達(dá)到了對(duì)超厚鎳基合金預(yù)堆邊檢測(cè)的目的，保證了產(chǎn)品的質(zhì)量安全。

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