胡海濤，薛 敏

(上海第一機床廠有限公司，上海 201308)

上部導向筒組件是核電站堆內構件控制棒導向筒組件的一部分，主要為控制棒組件在其內部的上下運動提供定位和導向。設計方要求對頂板和導向筒筒體間的真空電子束(EB)焊縫進行超聲檢測，以保證其焊縫質量。EB焊縫結構及上部導向筒組件構成說明分別如圖1，2所示。

圖1 頂板與導向筒筒體EB焊縫結構示意

圖2 上部導向筒組件構成示意

不同于CPR1000二代加成熟堆型，在國內沒有一個針對性的國家標準或行業(yè)標準對我國自主設計的三代先進壓水堆核電站進行規(guī)定，只能參考設計方提供的設計文件。

該EB焊縫的檢測難點在于三代堆型的頂板結構較二代加堆型的多了一個φ 195 mm的沉槽，該沉槽底面的超聲回波信號與EB焊縫根部的回波信號位于同一深度，并且這兩個信號的水平間距只有3.4 mm左右，導致了信號疊加在一起，無法進行評判。

1 二代加堆型的超聲檢測

對于二代加堆型上部導向筒EB焊縫的超聲檢測，設計方給出了專用的超聲檢測技術要求，檢測方法較為成熟簡單。

設計方規(guī)定采用φ 10 mm的單晶直探頭從頂板表面實施直接接觸法縱波檢測，掃查范圍為頂板外圓向內1012 mm的環(huán)形區(qū)域。檢測范圍如圖3所示。

圖3 二代加堆型EB焊縫檢測范圍示意

二代加堆型對比試塊的結構如圖4所示，調節(jié)對比試塊上和EB焊縫同埋深處的1 mm寬矩形槽信號回波幅值至80%，以此作為基準靈敏度(見圖5)。根據EB焊縫根部出現的反射信號回波幅值來判斷是否存在未焊透，當反射信號波幅超過基準靈敏度信號波幅時，則認為焊縫存在超過1 mm的未焊透，判定為不合格。

圖4 二代加堆型對比試塊結構示意

圖5 對比試塊基準靈敏度

在二代加堆型中，頂板上沒有φ 195 mm的沉槽，EB焊縫根部信號(埋深為43 mm)與頂板大平底信號(埋深為50 mm)所處深度不同，故信號較易區(qū)分，利于評定(見圖6)。

圖6 二代加堆型EB焊縫檢測信號

2 三代堆型檢測難點分析

在三代堆型中，根據設計提供的頂板尺寸(見圖7)，φ 195 mm的沉槽(A點)和EB焊縫根部(B點)位于同一埋深(12.5 mm)，可算出其理論水平間距LAB=6.5 mm，理論上可采用單晶或雙晶直探頭分辨出這兩個信號。

圖7 三代堆型頂板結構示意

經過試驗，實際的檢測效果并不理想，A點和B點的信號疊加在一起，完全無法區(qū)分。對此，筆者進行了初步分析，主要歸納了以下3個方面的原因。

(1) 探頭聲束寬度的影響。因A，B點間的信號水平間距理論上只有6.5 mm，檢測采用φ 10 mm的單晶直探頭，其聲束擴散容易導致同時發(fā)現A，B點的反射信號，并造成信號疊加，無法真實反映B點的最大反射信號。對此，筆者采用雙晶點聚焦直探頭進行試驗，探頭晶片直徑為6 mm，并將焦點直徑盡量控制在2～3 mm，但試驗結果仍存在明顯的信號疊加情況，結果無法進行評定(見圖8)。

圖8 沉槽A點和1 mm矩形槽B點的信號疊加現象

(2) 頂板上C1.5 mm倒角的影響。對比試塊上有足夠的掃查面供探頭水平移動找到1 mm矩形槽的最大反射回波。當探頭在對比試塊上校準好靈敏度并開始檢測焊縫時，B點的正上方距離頂板邊緣4 mm，而φ 10 mm直探頭接觸面的半徑至少有6 mm(含1 mm寬的金屬外殼)，再加上倒角的限制，導致探頭無法往頂板邊緣移動找到B點的最大反射信號。

(3) 焊縫實際熔深偏差的影響。根據實際加工工藝，焊縫外徑為221 mm，內徑要求焊透到導向筒筒體，所以要求EB焊縫的最小熔深為6.35 mm，而焊縫深度實際可達8.6 mm。據此得出實際A，B點的信號水平間距AB。在焊縫熔深最小時，ABmax=5.65 mm；在焊縫熔深最大時，ABmin=3.4 mm。

3 檢測工藝

3.1 對比試塊

結合上述分析，模擬三代堆型頂板的實際形狀，結合實際焊縫熔深的不同情況，制作相應的對比試塊,其結構及缺陷分布如圖9，10所示。

圖9 三代堆型對比試塊結構示意

圖10 三代堆型對比試塊缺陷分布示意

(1) 當焊縫熔深最大時(8.6 mm)，未焊透信號只可能出現在08.6 mm信號段，此時，只需評定是否有大于1 mm的反射信號，故設置了1 mm的矩形槽，圖10中A和B點的信號水平間距為3.4 mm。

(2) 當焊縫熔深最小時(6.35 mm)，未焊透信號只可能出現在6.35 mm之外的信號段，在此，考慮到未焊透大小可能會在1～2.25 mm之間，為了方便比較不同大小反射體的信號，設置了2 mm寬的矩形槽，圖10中A′和B′之間的信號水平間距為3.65 mm。

3.2 探頭

在深度為12.5 mm處制作了不同寬度的矩形槽，采用單晶探頭對其進行檢測，探頭頻率為5 MHz，晶片尺寸為φ 6 mm。

3.3 基準靈敏度

(1) 將探頭置于對比試塊掃查面，使探頭位于1 mm寬矩形槽正上方，調節(jié)1 mm寬槽的最大反射回波高度至儀器滿屏的80%(見圖11)，此回波信號可能含部分深為12.5 mm的大平底反射信號。

圖11 探頭在1 mm寬矩形槽正上方時的波形

(2) 使探頭向深為19 mm的小平底方向移動，觀察信號高度的改變，1 mm寬矩形槽的回波信號逐漸降低至43%(見圖12)，同時深為19 mm小平底的回波信號逐漸升高。探頭繼續(xù)向深為12.5 mm的大平底方向移動，深為12.5 mm的大平底回波信號逐漸升高后超過100%(見圖13)，同時深為19 mm小平底回波信號降低至消失。該變化證明了1 mm矩形槽的信號和深為12.5 mm的大平底回波信號之間存在一定的間隙，1 mm寬矩形槽的回波信號最高點不在兩個信號的疊加處。

圖12 探頭向小平底方向移動的波形變化

圖13 探頭向大平底方向移動的波形變化

(3) 探頭從1 mm矩形槽正上方向倒角邊緣移動，回波信號逐漸降低至32%左右(見圖14)，繼續(xù)移動，信號迅速消失，排除了C1.5 mm倒角對探頭接觸面大小的影響。

圖14 探頭向倒角邊緣移動的波形變化

(4) 探頭在1mm矩形槽正上方時，聲束擴散導致其80%波高的信號中包含部分大平底回波信號，無法區(qū)分真實反射體信號的大小。采用對比試塊中左側2 mm的矩形槽反射信號進行對比，發(fā)現在同等靈敏度增益、同倒角和同大平底信號疊加的情況下，2 mm矩形槽的反射信號比1 mm矩形槽的反射信號高(見圖15)，故證明在此條件下能區(qū)分出不同反射體的大小。

圖15 不同寬度矩形槽的回波信號比較

經此分析，可采用對比試塊右側的1 mm寬矩形槽調節(jié)基準靈敏度，輕微移動探頭使該矩形槽最大反射回波高度至儀器滿屏的80%，以此作為基準靈敏度。

3.4 掃查和評定

在上述基準靈敏度下，縱波垂直頂板表面入射，在距外圓周6～10 mm區(qū)域進行掃查，找到焊縫根部的最大反射信號。當焊縫根部的反射信號波幅超過滿屏的80%時，則認為有超過1 mm的未焊透，并判定為不合格。

4 結語

三代堆型核電站堆內構件上部導向筒結構的改變，是結合了我國核電設備實際制造基礎和技術特點而做的改進。試驗研究充分考慮了頂板尺寸的變化、實際加工工藝和不同焊縫熔深的情況，制作了與產品類似的對比試塊，建立了對應的基準靈敏度評定方法，并形成一套直接適用于三代非能動先進核電堆型堆內構件上部導向筒EB焊縫的超聲檢測標準，實現了三代堆型超聲檢測的國產化。