楊勇　鞏希德　夏中杰

【摘 要】AP1000核電機(jī)組是目前國際上先進(jìn)的第三代核電機(jī)組，按照ASME規(guī)范要求，核級設(shè)備（例如：蒸發(fā)發(fā)生器等）的焊縫需要進(jìn)行超聲檢驗，而這類焊縫均有厚壁較厚等特點。目前，在國內(nèi)均使用常規(guī)手動超聲方式進(jìn)行檢驗，效率相對較低且受人因因素影響較大的問題。近年來相控陣超聲技術(shù)發(fā)展迅速，有著檢驗效率高、信號直觀等優(yōu)點。目前國內(nèi)還未開始設(shè)備厚壁焊縫相應(yīng)相控陣超聲的驗證和應(yīng)用相關(guān)工作。本文通過研究和試驗，形成了一套適用于AP1000核級主設(shè)備厚壁焊縫的相控陣超聲檢查方法。

【關(guān)鍵詞】AP1000；核級主設(shè)備；厚壁焊縫；相控陣超聲檢驗

中圖分類號： TM623 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）12-0007-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.12.003

Research on phased array ultrasonic testing technology for thick wall weld of nuclear grade main equipment of AP1000 nuclear power plant

YANG Yong GONG Xi-de XIA Zhong-jie

（China Nuclear Power Operation Technology Corporation， LTD， Wuhan Hubei 430223， China）

【Abstract】AP1000 nuclear power unit is the advanced third generation nuclear power unit in the world. According to the requirements of ASME specification， the weld of nuclear grade equipment （such as evaporation generator， for example） needs ultrasonic inspection， and the thick wall of this kind of weld has the characteristics of thick wall. At present， the conventional manual ultrasonic testing method is used in China， which is relatively inefficient and is influenced by human factors. In recent years， phased array ultrasonic technology has developed rapidly， and has the advantages of high efficiency and intuitive signal. At present， there is no work on the verification and application of phased array ultrasonic for thick wall weld in China. Through research and experiment， a phased array ultrasonic inspection method suitable for thick wall weld of AP1000 nuclear grade main equipment has been formed.

【Key words】AP1000； Nuclear class main equipment； Thick wall welds； Phased array ultrasonic examination

0 引言

根據(jù)ASME規(guī)范，AP1000型核電站核級主設(shè)備筒體焊縫需要進(jìn)行超聲檢驗，由于焊縫位于核一回路壓力邊界，一般厚壁都較厚。國內(nèi)對于現(xiàn)有此類厚壁焊縫的役前和在役檢查，除AP1000機(jī)組少量特定焊縫采用了自動常規(guī)超聲檢驗，其他多數(shù)焊縫普遍采用手動常規(guī)超聲方式進(jìn)行檢驗。相控陣超聲檢驗技術(shù)由其特殊的超聲波發(fā)射方式，可同時形成多角度的扇形掃查[1]，以一個相控陣探頭同時替代多個常規(guī)超聲探頭，從而能夠高效的完成檢驗任務(wù)。

目前，在核電無損檢測領(lǐng)域，相控陣超聲還處于小范圍使用的狀態(tài)[2-3]，僅在核級管道和部分自主項目上有所應(yīng)用。國內(nèi)還未開始設(shè)備厚壁焊縫相應(yīng)相控陣超聲的驗證和應(yīng)用相關(guān)工作。

1 設(shè)備厚壁焊縫相控陣超聲檢驗技術(shù)

1.1 檢測對象介紹

本文選取AP1000核電機(jī)組核級主設(shè)備厚壁焊縫中壁厚最厚且內(nèi)壁帶有堆焊層的蒸汽發(fā)生器下封頭與管板連接焊縫（核安全1級）作為相控陣超聲檢驗技術(shù)的研究對象。焊縫基本信息：母材材料為SA508 GR3 CL2，規(guī)格尺寸：？覫3979.6mm×（基體金屬254mm+堆焊層5.9mm）。

1.2 技術(shù)能力驗證要求

核級主設(shè)備厚壁焊縫不屬于特殊驗證項目，其超聲檢驗驗證要求將參考ASME規(guī)范XI卷規(guī)定性附錄VIII的反應(yīng)堆壓力容器的筒體焊縫要求進(jìn)行。

1.3 檢驗難點分析

（1）厚度大造成聲束傳播路徑長，底面超聲信號噪聲大，影響缺陷分辨和定量數(shù)據(jù)。

（2）檢測對象底面堆焊層會使超聲信號進(jìn)一步衰減，而形成底面缺陷信號弱。

（3）焊縫屬于核安全1級，質(zhì)量要求較高。

（4）焊縫處于核電廠一回路邊界，周圍環(huán)境劑量率高且位置空間復(fù)雜，需要高效地完成焊縫的檢驗過程。

1.4 相控陣超聲探頭的設(shè)計

設(shè)備厚壁焊縫一般可能發(fā)生的缺陷類型主要是平面型的裂紋、未焊透、未熔合和體積型的夾渣和氣孔等[4]?；w材料一般為鐵素體鋼鍛造而成，其晶粒均勻，然而隨著壁厚增加，超聲衰減變明顯，需要通過合理設(shè)置相控陣探頭的電子聚焦法則來盡可能減小壁厚衰減以及內(nèi)壁堆焊層的影響。

通過使用不同孔徑和頻率探頭對統(tǒng)一規(guī)則反射體超聲信號的對比試驗[5-6]，最終選用2.25MHz孔徑30*20的橫波探頭作探測，選用4MHz孔徑35*20的縱波探頭作定量。

2 設(shè)備厚壁焊縫相控陣超聲試驗

2.1 相控陣儀器和探頭

采用Olympus生產(chǎn)商生產(chǎn)的型號為Omniscan MX2便攜式相控陣超聲儀以及配套的軟件并搭載1.4節(jié)中的探頭。

2.2 試塊

2.2.1 參考試塊

參考試塊主要用于基準(zhǔn)靈敏度標(biāo)定。本次試驗采用蒸汽發(fā)生器管板與底封頭焊縫試塊，示意圖如下圖。

2.2.2 驗證試塊

驗證采用帶有真實裂紋的試塊，用于驗證探測探頭的發(fā)現(xiàn)缺陷和缺陷定量精度能力。本次試驗采用了大直徑厚壁、內(nèi)壁帶堆焊層的裂紋試塊（低合金鋼材質(zhì)），選取了了4個深度位置具有代表性的裂紋。

裂紋試塊的具體信息如下：

帶有焊縫，內(nèi)直徑3951mm，厚度為基體金屬235mm+堆焊層7mm和基體金屬200mm+堆焊層6mm兩種試塊；

試驗選取位于焊縫的裂紋。各裂紋設(shè)計尺寸見下表。

裂紋示意圖見下圖3。

2.3 試驗過程

試驗使用相控陣超聲手動方式在參考試塊上進(jìn)行標(biāo)定，最終將在裂紋試塊上進(jìn)行手動檢驗并記錄相關(guān)缺陷信息，與裂紋缺陷尺寸設(shè)計值對比并得出是否能夠滿足ASME相關(guān)的驗證要求。

2.4 試驗結(jié)果

試驗結(jié)果將分為探測結(jié)果和定量結(jié)果兩個部分分別進(jìn)行描述和分析。

2.4.1 探測結(jié)果

探測測試主要目的是驗證探測探頭在當(dāng)前靈敏度下是否能夠全部有效的檢驗出上述的裂紋缺陷，本次探測使用-12dB法記錄缺陷的起始與終止位置，結(jié)果匯總?cè)缦拢?/p>

從上述相控陣探頭探測結(jié)果可以得出：

（1）試驗裂紋全部都能夠探測出來，當(dāng)前探測探頭參數(shù)滿足探測檢驗要求；

（2）試驗裂紋的相控陣信號中具有很高的信噪比，扇形掃查界面能夠供檢驗人員快速、直觀地分辨缺陷。

2.4.2 定量結(jié)果

定量測試主要目的是驗證定量探頭是否能夠全部準(zhǔn)確地測量出上述的裂紋缺陷尺寸信息，以評判是否滿足ASME規(guī)范中驗證相關(guān)要求。本次裂紋缺陷的定量使用端點衍射法測量缺陷高度，使用-12dB法記錄缺陷的長度，結(jié)果匯總?cè)缦拢?/p>

從上述相控陣探頭定量結(jié)果可以得出：

（1）對于缺陷自身高度的測量，相控陣的特有扇掃界面非常容易辨別平面型缺陷的上下端點，定量和定性分析容易。

（2）扇掃界面可一次性顯示缺陷周圍的圖像信息，對于缺陷和偽缺陷或是結(jié)構(gòu)信號的辨別快速而清晰。

2.5 試驗結(jié)果分析

將本次試驗結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析，探測和定量結(jié)果分析表見下表4。

根據(jù)上述探測和定量結(jié)果分析表：

a）內(nèi)外表面、近表面及中部埋藏等4個裂紋均被檢測出，且缺陷的位置誤差在-2.3～10.9mm范圍內(nèi)，滿足缺陷探測驗收準(zhǔn)則。

b）對于缺陷的自身高度尺寸測量，誤差在-2.4～1mm以內(nèi)，滿足缺陷定量驗收準(zhǔn)則（a）的要求。

c）對于缺陷的長度尺寸測量，誤差范圍在1.7～6.1mm以內(nèi)，滿足缺陷定量驗收準(zhǔn)則（b）的要求。

d）統(tǒng)計缺陷的定量測量結(jié)果，通過計算，線性回歸線斜率為0.88；缺陷自身高度平均偏差為1.3mm；相關(guān)系數(shù)為0.99；上述數(shù)據(jù)滿足缺陷定量驗收準(zhǔn)則（c）的要求。

上述相控陣試驗分析結(jié)果完全能夠滿足厚壁焊縫的相關(guān)檢驗要求。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

厚壁焊縫相控陣超聲檢驗技術(shù)目前已成功的應(yīng)用于蒸發(fā)器二次側(cè)自主檢查項目中，現(xiàn)場實施方便快捷，缺陷的探頭和定量結(jié)果與設(shè)備出廠檢查結(jié)果相吻合，取得了良好效果。

4 結(jié)論

針對核級主設(shè)備厚壁焊縫，相控陣超聲檢驗技術(shù)測試試驗結(jié)果表明該技術(shù)完全滿足相關(guān)的檢測需求和能力驗證要求。

在部分方面甚至優(yōu)于目前的常規(guī)手動超聲檢測技術(shù)，具體如下：

（1）探測和定量分析方面。相控陣檢驗技術(shù)有其獨特的扇形掃查，能夠快速、直觀地分辨缺陷，同時可以減少人為因素造成的漏檢。

（2）相同檢驗質(zhì)量下的檢驗時間花費(fèi)方面。對于核級主設(shè)備厚壁焊縫超聲檢驗，相控陣檢驗技術(shù)所用探頭少，可以減少人員需求和有效縮短檢驗總體時間。

目前，試驗的相控陣技術(shù)為手動方式，未來可進(jìn)行超聲自動掃查試驗研究，將可進(jìn)一步減小人因因素的影響，提高缺陷的重復(fù)率和準(zhǔn)確率，保障核電運(yùn)行的安全性。

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