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        蒸汽發(fā)生器傳熱管超聲檢測缺陷的識別

        2021-12-22 05:34:12蔡志剛張燕燕張潔潔
        無損檢測 2021年7期
        關(guān)鍵詞:深度信號檢測

        曹 萍,江 華,蔡志剛,張燕燕,張潔潔

        (浙江久立特材科技股份有限公司,湖州 313008)

        蒸汽發(fā)生器傳熱管是核電站一回路壓力邊界的關(guān)鍵部件,其性能的優(yōu)劣對核電站的經(jīng)濟性和安全性有重要影響[1]。由于長期服役在含有水蒸汽的高溫高壓環(huán)境下,蒸汽發(fā)生器傳熱管在生產(chǎn)過程中會出現(xiàn)各種微小缺陷,這些缺陷在傳熱管實際運行過程中會加速擴展。在傳熱管運行過程中,缺陷一旦擴大就會造成壁厚減薄,且會誘發(fā)蒸汽發(fā)生器傳熱管的破損。蒸汽發(fā)生器傳熱管管內(nèi)放射性一回路介質(zhì)一旦泄漏,則會對周邊環(huán)境和人員安全造成威脅,嚴重時需停堆進行檢查維修。

        蒸汽發(fā)生器傳熱管破裂事故的發(fā)生頻率較高[2],為了進一步提高反應(yīng)堆的可靠性和安全性,在生產(chǎn)制造過程中需采用無損檢測方法有效識別出這些缺陷。根據(jù)法國核島設(shè)備設(shè)計建造規(guī)則協(xié)會(AFCEM)編制的《壓水堆核島機械設(shè)備設(shè)計和建造規(guī)則(RCCM)》中M4105產(chǎn)品的采購技術(shù)規(guī)范,用于壓水堆蒸汽發(fā)生器管束的鎳-鉻-鐵合金(NC30Fe)無縫管需按RCCM MC2500 《管件超聲波檢驗》 的規(guī)定,對傳熱器全長范圍進行超聲檢測。

        筆者對蒸汽發(fā)生器傳熱管超聲檢測發(fā)現(xiàn)的缺陷進行了分析,結(jié)果有利于從源頭上避免類似缺陷的產(chǎn)生。

        1 檢測要求

        1.1 檢測管材信息

        蒸汽發(fā)生器傳熱管材料牌號為NC30Fe(690),管材規(guī)格(外徑×壁厚)為17.48 mm×1.02 mm,狀態(tài)為TT(Thermo Treatment)態(tài)。

        1.2 檢測設(shè)備

        設(shè)備選用GE ROTA40型脈沖反射式超聲波檢測系統(tǒng);為了檢測出縱向及橫向全體積范圍內(nèi)的所有缺陷,選用的標準樣管與被檢管材具有相同的材料、幾何尺寸、制造工藝及表面狀態(tài)。標準樣管的人工缺陷為管材內(nèi)壁和外壁橫向和縱向的U形槽,人工缺陷尺寸為12.7 mm×0.1 mm×0.1 mm(長×寬×深)。4個U形槽應(yīng)分開一定距離,以保證能清楚區(qū)別其回波。

        1.3 檢測方法

        采用水浸線聚焦法進行超聲檢測,耦合劑采用A級去離子水。采用3 mm線聚焦超聲探頭,探頭頻率為7 MHz,聲波在管壁中傳播的折射角為47°50°。

        根據(jù)被檢管外徑及檢測探頭焦距調(diào)整水層高度為20.521.5 mm。移動標準樣管,將切槽正對探頭波束,調(diào)節(jié)增益使標準缺陷幅值調(diào)至滿屏的80%。

        對被檢管進行軸向和周向掃查,且均從2個相反方向進行掃查,選擇探頭旋轉(zhuǎn)速度為6 000 r·min-1,檢測速度為13.5 m·min-1,以確保相鄰兩次軸向掃查的重疊面積至少為20%。

        2 試驗過程

        在檢測過程中,由于缺陷的類型、位置、大小以及取向會影響檢測結(jié)果,所以會出現(xiàn)一些達到或超過標準缺陷尺寸的缺陷,所產(chǎn)生的信號幅值卻低于標準缺陷的信號幅值,也會出現(xiàn)一些小于標準缺陷尺寸的缺陷所產(chǎn)生的信號幅值高于標準缺陷信號幅值的情況。為了防止超聲檢測出現(xiàn)漏檢和誤判,設(shè)置缺陷系數(shù)K=0.70。K值的定義如下:K=報廢限值/80%標準缺陷信號的滿屏高度,即將標準缺陷信號調(diào)整到80%的滿屏高度,故缺陷信號幅值不大于56%的管材判定為合格。

        將實際超聲檢測過程中發(fā)現(xiàn)的信號幅值超過56%的各種不同類型的缺陷進行分類。如果某個缺陷在多個超聲波檢測通道中都產(chǎn)生了信號,則統(tǒng)計最大振幅的通道。選取含有每種缺陷類型的管材進行超聲檢測,再配合目視檢查法,準確定位缺陷位置并截取含缺陷的2050 mm長度試樣。

        首先采用Axio Imager Mzm型光學(xué)顯微鏡對含缺陷的試樣進行缺陷表面宏觀觀察,再按照ASTM E3-11(2017)《金相試樣制備標準指南》 標準中金相試樣的制備方法,對缺陷橫截面依次進行粗磨,細磨和拋光至鏡面,并用丙酮超聲清洗后吹干[3],采用同型號光學(xué)顯微鏡進行缺陷觀察和缺陷深度測量,采用層析法確定缺陷的最大深度。

        3 結(jié)果與討論

        3.1 超聲檢測結(jié)果

        對蒸汽發(fā)生器傳熱管在超聲檢測中識別出的缺陷按照缺陷類型、缺陷取向進行分類,統(tǒng)計結(jié)果如表1所示,其中“縱向”代表缺陷方向與軋制方向一致,“橫向”代表缺陷方向與軋制方向垂直。

        表1 超聲檢測出的缺陷信息統(tǒng)計結(jié)果

        由表1可以看出,蒸汽發(fā)生器傳熱管生產(chǎn)過程中超聲檢測識別出的缺陷多為外表面缺陷。

        3.2 表面宏觀觀察

        對含有不同類型缺陷的典型試樣進行缺陷表面宏觀觀察,不同類型缺陷表面形貌如圖1所示。

        圖1 不同類型缺陷的表面形貌

        3.3 缺陷尺寸的測量

        選取常見的含有不同類型缺陷的典型試樣進行缺陷深度檢測,不同類型缺陷的橫截面形貌如圖2所示。

        圖2 不同類型缺陷的橫截面形貌

        3.4 結(jié)果分析

        對選取的含有不同類型缺陷的典型試樣的超聲檢測結(jié)果進行不同缺陷位置、缺陷取向、缺陷類型、缺陷處超聲信號最大回波幅值的滿屏高度占比、缺陷尺寸等進行統(tǒng)計,結(jié)果如表2所示,不同缺陷的最大超聲波幅與缺陷深度的關(guān)系如圖3所示。

        表2 典型缺陷試樣的超聲檢測結(jié)果

        圖3 不同缺陷的最大超聲波幅與缺陷深度的關(guān)系

        由表2和圖3可知:① 超聲檢測可有效識別蒸汽發(fā)生器傳熱管縱向及橫向全體積范圍內(nèi)的所有缺陷;② 缺陷的深度與缺陷處最大超聲波幅并不呈線性關(guān)系,即并不是超聲波幅值越高,缺陷深度越大。這是因為實際缺陷表面相對于超聲波入射方向并不完全垂直,而超聲垂直于缺陷表面時缺陷波幅最高,當有傾斜角時,缺陷波幅隨著傾斜角的增大而急劇下降[4]。

        3.5 缺陷產(chǎn)生原因分析及預(yù)防措施

        3.5.1 缺陷產(chǎn)生原因分析

        1號缺陷為典型的縱向劃傷缺陷,是由轉(zhuǎn)運過程中某種尖銳的棱角或顆粒劃過管材外表面形成的。從圖1(a)中的表面宏觀觀察可明顯識別出劃痕方向為沿管材軋制方向,顯示為從左側(cè)指向右側(cè)方向,與超聲檢測的缺陷取向一致。劃傷缺陷一般均為淺表層缺陷,深度較淺。1號缺陷處超聲信號最大回波幅值為56.0%的滿屏高度,最大深度僅為9.27 μm。

        2號缺陷為典型的外表面縱向軋折缺陷,管材表面可觀察到部分材料缺失,由橫截面形貌可看出該缺陷與外表面呈一定的角度。由圖2(b)中的橫截面形貌可觀察到缺陷與內(nèi)表面呈一定的角度,內(nèi)外兩層之間形成明顯的折疊。2號缺陷處超聲信號最大回波幅值為99.20%的滿屏高度,最大深度為98.09 μm。

        3號和4號缺陷為典型的外表面縱向磕碰缺陷,是由轉(zhuǎn)運過程中異物直接壓入管材表面所形成的,異物在后續(xù)流轉(zhuǎn)過程中缺失。由圖2(b)中的橫截面形貌可觀察到缺陷是缺失的,與2號缺陷不同,未形成折疊,可判定為成品管子軋制完成后形成。3號和4號缺陷處超聲信號最大振幅分別為58.50%和74.5%的滿屏高度,最大深度分別為82.38 μm和61.78 μm。

        5號缺陷為典型的凹坑缺陷,是由生產(chǎn)及轉(zhuǎn)運過程中尖銳顆粒狀異物壓入表面(致使部分金屬材料缺失)形成的。該缺陷為體積狀缺陷,超聲檢測過程中僅橫向缺陷通道有明顯顯示。通過波長λ,聲速c,頻率f之間的關(guān)系λ=c/f,可計算出橫波波長為0.46 mm,縱波波長為0.84 mm(鋼中橫波波速為3 200 m·s-1,縱波波速為5 900 m·s-1,探頭頻率為7 MHz)。由于缺陷直徑近似為1 277 μm,是橫波波長的2倍以上,故橫向缺陷通道具有較好的指向性[5]。5號缺陷處超聲信號最大回波幅值為107.1%的滿屏高度,最大深度僅為116.30 μm。

        6號缺陷為典型的橫向磕碰缺陷,由轉(zhuǎn)運過程中異物直接壓入管材表面所形成,異物在后續(xù)流轉(zhuǎn)過程中缺失。6號缺陷與3號、4號缺陷的形成原因一致,6號缺陷處超聲信號最大回波幅值為56.30%的滿屏高度,最大深度為55.36 μm。

        7號缺陷為典型的內(nèi)表面縱向軋折缺陷,在內(nèi)表面上呈現(xiàn)為直線和鋸齒狀缺陷,其形成原因與2號缺陷的形成原因一致。從圖2(g)中的橫截面照片中也可觀察到明顯的折疊。7號缺陷處超聲信號最大回波幅值為118.10%的滿屏高度,最大深度為175.7 μm。

        3.5.2 預(yù)防措施

        為了獲得高品質(zhì)的蒸汽發(fā)生器傳熱管,應(yīng)重視各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制,后續(xù)生產(chǎn)過程中可從以下幾個方面進行預(yù)防及改進。

        (1) 對軋制管坯加強質(zhì)量控制,來料管材表面不允許存在翹皮、劃傷、擦傷、異物等缺陷。

        (2) 對輥道、軋制工模具、矯直輥、傳輸裝置等表面加強粗糙度控制,對磨損的工模具及時進行更新。

        (3) 對軋制過程進行控制,防止軋制過程中有異物壓入。

        4 結(jié)語

        (1) 蒸汽發(fā)生器傳熱管實際生產(chǎn)過程中缺陷多以縱向缺陷為主,橫向缺陷極為少見,且多為外表面缺陷。

        (2) 超聲檢測可有效識別蒸汽發(fā)生器傳熱管縱向及橫向全體積范圍內(nèi)的所有缺陷。

        (3) 缺陷的深度與缺陷處最大超聲波振幅的關(guān)系并不是超聲波幅值越高,缺陷深度就越大。

        (4) 典型缺陷分別為劃傷、軋折、凹坑、磕碰,主要在軋制和轉(zhuǎn)運過程中產(chǎn)生。

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