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        AP1000核電廠爆破閥剪切蓋鍛件的超聲檢測

        2021-06-08 03:02:56付千發(fā)蔡家藩
        無損檢測 2021年5期
        關(guān)鍵詞:裂紋信號檢測

        聶 凱,付千發(fā),蔡家藩

        (中核武漢核電運行技術(shù)股份有限公司浙江分公司,海鹽 314300)

        爆破閥是第三代核電技術(shù)AP1000轉(zhuǎn)讓及國產(chǎn)化的關(guān)鍵設(shè)備,其工作原理為利用電信號引爆炸藥,產(chǎn)生巨大的能量,快速沖擊以剪斷下部的剪切蓋,使閥門打開。爆破閥下部的剪切蓋是爆破閥工作的重要組成部分,在核電機組運行期間,要依靠密閉的剪切蓋來保證爆破閥關(guān)閉時的密封性,確保含硼的水不會發(fā)生泄漏,其屬于一回路壓力邊界的一部分。

        爆破閥剪切蓋與爆破閥本體的連接部分是一段11 mm厚的筒體不銹鋼鍛件,在長期高溫、高壓、輻照的在役條件下,筒體鍛件的內(nèi)外表面易產(chǎn)生裂紋等危險性缺陷,給機組的安全運行帶來危害。因此在機組停堆大修期間,要對其實施無損檢測。筆者在機組大修前開展了技術(shù)研究,在無需對爆破閥進行解體的條件下,選定了相控陣超聲和超聲表面波檢測相結(jié)合的檢測工藝,用于剪切蓋鍛件內(nèi)外表面的檢測。通過試驗及現(xiàn)場應用,該工藝取得了較好的檢測效果。

        1 檢測工藝及探頭設(shè)計

        1.1 檢測對象

        檢測對象為AP1000核電機組爆破閥剪切蓋鍛件,材料為奧氏體型鎳基耐蝕合金,檢測區(qū)域為剪切蓋與本體連接部分的筒體鍛件,內(nèi)外表面(整圈)的6.35 mm區(qū)域,檢測區(qū)域如圖1所示。

        圖1 檢測區(qū)域示意

        1.2 執(zhí)行標準

        根據(jù)產(chǎn)品制造與驗收的技術(shù)規(guī)范,爆破閥剪切蓋鍛件根據(jù)標準ASME NB-2500-2004要求,采用直射波或斜射波進行超聲波檢測,直射波驗收標準應滿足ASME NB-2542-2004和ASME SA-745-2004的QL-1級要求;斜射波驗收標準應滿足ASME NB-2542-2004和ASME SA-745-2004的QA-1級要求。

        1.3 檢測難點及思路分析

        ① 結(jié)構(gòu)復雜。既要檢測內(nèi)表面,又要檢測外表面,剪切蓋厚度僅為40 mm,可供探頭移動的范圍不大。② 檢測要求較高。要求能檢測出各位置的裂紋類缺陷,且對缺陷的定量要有足夠的精確度。③ 奧氏體特性對超聲波的影響。超聲波在奧氏體粗晶組織晶界上的散射衰減會引起林狀回波,使信噪比下降;奧氏體組織的各向異性,會使超聲波的聲速和傳播方向發(fā)生改變,造成誤判[1]。④ 檢測環(huán)境復雜。檢測對象位于核電廠一回路邊界,周圍環(huán)境輻射劑量高且位置空間復雜,需要高效快捷地完成檢測。

        基于上述原因,考慮爆破閥剪切蓋鍛件的內(nèi)外表面應該采用不同的超聲檢測方法,其中內(nèi)表面應使用多個角度的相控陣超聲檢測技術(shù)進行檢測,防止對某些取向或遠離聲束軸線位置的裂紋造成漏檢,該技術(shù)也能比較直觀地顯示缺陷。對于剪切蓋鍛件外表面的檢測,考慮到滲透檢測效率低,且不易清洗的缺點,需要一種更高效的檢測方法,而超聲表面波在傳播的路徑上遇到一個細小的缺陷(如氣孔、裂紋等)時,在金屬與空氣相接觸的界面上就會發(fā)生反射,分析反射波即可得到缺陷的信號[2],故其可作為檢測剪切蓋鍛件外表面缺陷的可靠方法。

        1.4 超聲檢測探頭的設(shè)計

        超聲檢測系統(tǒng)的核心是探頭,其性能的好壞直接影響超聲檢測系統(tǒng)的性能與缺陷檢測的結(jié)果[3]。爆破閥剪切蓋鍛件的內(nèi)外表面產(chǎn)生的缺陷主要是沿圓弧方向的裂紋,因此應選擇對裂紋敏感的橫波探頭和表面波探頭。通過比較統(tǒng)一規(guī)則反射體對不同孔徑和頻率的探頭的反射信號,確定了使用5 MHz的線性陣列相控陣探頭,其尺寸設(shè)計如圖2所示。

        圖2 相控陣超聲探頭的設(shè)計尺寸示意

        相控陣探頭設(shè)計的晶片數(shù)量為12 個,各晶片間距為0.5 mm,楔塊的型號為N55S,楔塊角度為36°,楔塊是由低衰減值的聚苯乙烯制成,聲速在2 200 m·s-1左右[4]。超聲表面波探頭采用與斜探頭相似的楔塊,當橫波折射角為90°時,即產(chǎn)生超聲表面波,試驗采用頻率為2.5 MHz,直徑為10 mm的表面波探頭,其波長短,具有較高的靈敏度。

        2 檢測設(shè)備與試驗

        2.1 超聲波探傷儀

        采用Omniscan MX2型便攜式相控陣超聲探傷儀;采用廣東汕頭超聲電子股份有限公司的A型脈沖手動超聲儀,型號為CTS-9006PLUS。

        2.2 參考試塊

        參考試塊主要用于基準靈敏度的標定,采用的參考試塊如圖3所示。

        圖3 參考試塊的結(jié)構(gòu)示意

        圖4 驗證試塊外觀及結(jié)構(gòu)示意

        2.3 驗證試塊

        為了進一步驗證工藝的缺陷檢測能力,設(shè)計制作了如圖4所示的驗證試塊。試塊是采用與被檢工件同爐同批次的不銹鋼材料制造的,并且試塊的外形和尺寸與被檢件完全一致,消除了超聲波檢測因材質(zhì)和衰減差異產(chǎn)生的靈敏度誤差。試塊為圓環(huán)碗狀結(jié)構(gòu)。在圓環(huán)內(nèi)外側(cè)的不同位置共設(shè)有6個橫截面為矩形的圓弧槽,用其模擬爆破閥剪切蓋不同部位的裂紋缺陷。6個圓弧槽的尺寸均為10 mm×0.2 mm×0.3 mm(長×寬×深)??滩鄣恼w分布位置及局部位置如圖5,6所示。

        圖5 刻槽的整體分布位置示意

        圖6 刻槽的局部位置示意

        2.4 試驗實施

        在相控陣超聲檢測實施前,要進行探頭角度延遲補償[5]和靈敏度的標定。將相控陣探頭放在驗證試塊的外表面進行軸向掃查(見圖7);將表面波探頭放在驗證試塊外表面進行軸向掃查和徑向掃查(見圖8)。掃查過程中,探頭的掃查速度小于150 mm·s-1,且保證至少15 %的覆蓋率。記錄驗證試塊上的缺陷信息,與設(shè)計的缺陷信息進行對比,首先應該滿足ASME(美國機械工程師協(xié)會)不能漏檢的要求,其次長度測量的結(jié)果要滿足均方根誤差不超過19 mm。

        圖7 相控陣超聲探頭掃查示意

        圖8 超聲表面波探頭掃查示意

        2.5 試驗結(jié)果

        按照上述工藝對驗證試塊進行檢測后,各位置的共6個刻槽均被檢測出來,檢測結(jié)果如表1所示,使用-12 dB法記錄缺陷的長度。各缺陷檢測信號如圖914所示。

        表1 檢測結(jié)果匯總

        圖9 1號槽檢測信號

        圖10 2號槽檢測信號

        圖11 3號槽檢測信號

        圖12 4號槽檢測信號

        圖13 5號槽檢測信號

        圖14 6號槽檢測信號

        從檢測結(jié)果可知,6個刻槽全部被檢測出來,且缺陷信號均具有很高的信噪比;相控陣掃查界面利于檢測人員快速、直觀地分辨缺陷,能快速和清晰地辨別缺陷信號與結(jié)構(gòu)信號;缺陷的長度測量誤差滿足ASME均方根誤差不超過19 mm的驗收準則要求,即當前檢測工藝滿足檢測要求。

        3 結(jié)語

        根據(jù)爆破閥剪切蓋鍛件結(jié)構(gòu)的特點,確定了相控陣超聲和超聲表面波檢測相結(jié)合的檢測工藝,包括探傷儀的選擇,探頭的選擇,試塊的設(shè)計等,使得爆破閥剪切蓋鍛件內(nèi)外表面的質(zhì)量檢測無死角,確保檢測的100 %可達性。對驗證試塊的檢測以及現(xiàn)場的實際應用表明,該工藝基本能滿足質(zhì)量檢測的要求。

        在AP1000核電機組停堆大修中,采用該工藝對爆破閥剪切蓋鍛件實施檢測,現(xiàn)場操作方便快捷,檢測結(jié)果可靠。目前該技術(shù)已應用在國內(nèi)多個同類型的核電機組中,取得了良好效果。

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