壓水堆核電站核級鍛件超聲檢測標準評估與比較

吳偉幫，張　進，陳　航

(深圳中廣核工程設計有限公司， 深圳 518172)

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壓水堆核電站核級鍛件超聲檢測標準評估與比較

吳偉幫，張進，陳航

(深圳中廣核工程設計有限公司， 深圳 518172)

介紹了《法國壓水堆核島機械設備設計和建造規則(RCC-M)》(2007版及FM1061修訂)中核級鍛件超聲檢測的一些重要規定，并與RCC-M (2000版及2002補遺)中關于靈敏度、記錄和驗收準則的相關規定進行了分析比較和總結。針對核級鍛件超聲檢測過程中可能存在的問題提出了檢測的改進措施，旨在為設計、采購、監造和檢測人員合理地使用核級鍛件的超聲檢測標準及規范提供參考。

法國壓水堆核島機械設備設計和建造規則；核級鍛件；超聲檢測標準；注意事項

2007年6月，法國核電規范標準協會(AFCEN)針對2007版《法國壓水堆核島機械設備設計和建造規則(RCC-M)》發布修改單FM1061，對核級鍛件的超聲檢測要求及引用標準進行修改，主要是將RCC-M規范中所引用的基礎工業標準由NF A 04 308:1988SteelForgings-UltrasonicTestingInspectionMethods-Limitsoftesting替換為NF EN 10308:2002NondestructiveTesting-UltrasonicTestingofSteelBars、NF EN 10228.3:1998NondestructiveTestingofSteelForgings-Part3:UltrasonicTestingofFerriticorMartensiticSteelForgings及NF EN 10228.4:1999NondestructiveTestingofSteelForgings-Part4:UltrasonicTestingofAusteniticandAustenitic-FerriticSteelForgings。鑒于目前國內新研發的第三代核電廠用核級鍛件的超聲檢測遵循RCC-M (2007 Edition and FM1061 Modification)DesignandConstructionRulesforMechanicalComponentsofPWRNuclearIslands的要求，筆者主要對該規范修訂內容中關于鍛件超聲檢測的相關要求進行了介紹和分析，并依據規范RCC-M (2000 Edition and 2002 Addendum)DesignandConstructionRulesforMechanicalComponentsofPWRNuclearIslands相關主要內容與CPR1000進行了比較。

1　檢測規范及相關檢測標準

核級鍛件的超聲檢測技術要求通常在RCC-M規范M篇的相應鍛造部件采購技術規范的第6章或第7章進行總體性的規定，主要內容包括檢測時機、檢測程序、檢測范圍、掃查方式、信號評定、記錄和驗收準則等。其中，檢測程序、信號評定、記錄和驗收準則需滿足RCC-M MC 2300及基礎工業標準NF EN 10228-3、NF EN 10228-4或NF EN 10308的規定：① 低合金鋼鍛件按NF EN 10228-3的規定；② 奧氏體鋼鍛件按NF EN 10228-4的規定；③ 直徑或厚度小于或等于400 mm的鋼棒，低合金鋼類鋼棒按NF EN 10228-3或NF EN 10308的規定，奧氏體鋼類鋼棒按NF EN 10228-4或NF EN 10308的規定。

2　檢測時機

根據RCC-M (2007版及FM1061修訂)規范，檢測時機大致可以歸類為以下幾種：① 最終機加工后檢測。在最終狀態不能檢測的部分應盡可能地在接近最終狀態下提前進行檢測；② 力學性能熱處理后，無論該熱處理工序后是否進行機加工;③ 由于幾何原因導致整個部件或部件某些部位在熱處理后不能進行超聲檢測，應在最接近的中間階段進行檢測;④ 對于小尺寸部件，也可在半成品件上進行檢測。

通過分析上述規定可知：對于形狀簡單的鍛件(1、2、3型鍛件)容器筒體、蒸汽發生器管板等，通常采用第①種檢測時機；對于形狀復雜的鍛件(4型鍛件)，通常采用第②或第③種檢測時機。此外，規范中對檢測時機的某些規定比較抽象，如：“可能地接近最終狀態或最接近的中間階段檢測”，在實際檢測中往往容易引起爭議，給實際操作帶來很大困難。核島設備用鍛件種類繁多且大部分鍛件的形狀比較復雜，如各類接管嘴、小接管等，在最終機加工完成后，這些鍛件因形狀較復雜而不能進行100%檢測。此種情況應在制造過程中合理安排加工工序及檢測時機，在簡單形狀階段(如鍛棒或鍛管狀態)預先進行一次完整的檢測，并且在最終機加工完成后再盡可能完整地檢測。值得注意的是，在中間各階段的檢測中，應按最終驗收時的檢測要求進行檢測，確保過程監控的有效性。

另外，對于最終機加工后外徑與內徑之比大于或等于1.6的3a型和3b型鍛件，如需通過棒材鉆孔的方式獲得，通常應在棒材鉆孔前預先進行一次全面的斜探頭檢測。

3　標定試塊

當靈敏度由距離-波幅方法(DAC)設定或根據DAC法按參考反射體的幅度進行不連續定量時，應制作標定試塊。RCC-M (2007版及FM1061修訂)規范規定，標定試塊應由下列某一種材料制作：① 被檢工件的延長部分；② 材料和熱處理狀態均與被檢工件相同的工件；③ 與被檢工件具有相近聲學特性的工件。

①和②類材料的規定明確，便于跟蹤監督，但容易受工件尺寸和類型影響導致試塊難于獲取，且需耗費較大成本；而對于③類材料，在舊版規范RCC-M(2000版及2002補遺)的應用過程中存在較大爭議，新修訂規范RCC-M(2007版及FM 1061修訂)中仍未對“聲學特性相近”進行明確界定，這給檢測人員判定用于制作試塊的材料是否與被檢工件具有相近的聲學特性帶來較大困難。國內核工業無損檢測行業早期也已經關注到此類問題，在編制NB/T 20003.2-2010《核電廠核島機械設備無損檢測第2部分：超聲檢測》行業標準時明確了聲學特性相近的定義，即：聲速±5%、聲阻抗±5%、衰減系數±20%或厚度相同底波信號差異小于4 dB，則認為具有相近的聲學特性。此外，SA-508SpecificationforQuenchedandTemperedVacuum-TreatedCarbonandAlloySteelForgingsforPressureVessels補充要求中對聲學性能相似也有相關規定，即：在不改變儀器裝置的條件下，反射波在相等厚度標定試塊和待測鍛件之間的變化值不大于25%。

4　靈敏度

RCC-M(2007版及FM1061修訂)規范要求：直探頭檢測時采用參考試塊法或DGS曲線法；斜探頭檢測時，低合金鋼鍛件一般采用DGS曲線法、奧氏體鋼鍛件采用參考試塊法或DGS曲線法均可。采用參考試塊法時：直探頭檢測時通過平底孔調整檢測靈敏度，所用平底孔的直徑根據驗收級別確定；斜探頭檢測時通過φ3 mm橫孔調整檢測靈敏度。采用DGS法時，將DGS曲線調整至所要求的檢測靈敏度，并對缺陷進行定量。

RCC-M (2000版及2002補遺)要求直探頭和斜探頭檢測時均采用參考試塊法。直探頭檢測通過平底孔調節靈敏度，斜探頭檢測通過矩形槽或φ2 mm橫孔來調整檢測靈敏度，其中，鍛件厚度大于100 mm時，人工反射體為φ2 mm橫孔；鍛件厚度小于或等于100 mm時，人工反射體為矩形槽。

RCC-M (2007版及FM1061修訂)較RCC-M (2000版及2002補遺)發生了較大變化，其引進了DGS法，且奧氏體鋼鍛件可采用DGS法和參考試塊法，但低合金鋼鍛件斜探頭檢測只允許采用DGS法。此外，就斜探頭檢測的參考試塊法而言，兩規范對人工反射體的規定也具有很大差異，RCC-M (2007版及FM1061修訂版)中無論厚度大小均要求采用φ3 mm橫孔；而在RCC-M (2000版及2002補遺)中，厚度e大于100 mm采用φ2 mm橫孔，厚度e不大于100 mm時采用矩形槽。斜探頭檢測時人工反射體類型對比(DAC法)見表1。

表1　斜探頭檢測時人工反射體類型對比(DAC法)　mm

5　掃查方式

5.1直探頭檢測

對于形狀簡單鍛件(1、2、3型鍛件)的掃查要求，RCC-M規范通常直接引用基礎工業標準中的通用掃查方式，各種類型鍛件直探頭通用掃查方式如圖1所示：1a型鍛件需至少在180°的圓柱面上掃查；1b型鍛件需在兩個相互垂直的側面上掃查；1c型鍛件需至少在占據半側的相鄰表面上掃查；2型鍛件需至少在180°的圓柱面上和一個水平面上掃查；3a型鍛件需在圓筒外表面掃查；3b和3c型鍛件需在圓環表面和一個水平面上掃查。復雜形狀鍛件(4型鍛件)的掃查表面及掃查要求一般由采購方與供貨方協商確定，通常是將鍛件的各個部分分解為簡單形狀來分別對待。

圖1　各種類型鍛件直探頭通用掃查示意

除了上述通用掃查要求，針對某些特定鍛件，RCC-M規范進行了修訂或補充：① 反應堆壓力容器主螺栓用棒材(1型鍛件)還需補充從兩側端面進行軸向直射波檢測，從兩側檢測時至少有10%檢測范圍的重疊；② 蒸汽發生器管板(2型鍛件)，僅需從兩側端面進行直射波檢測即可(不要求直探頭從周向進行掃查)；③ 反應堆壓力容器筒體(3型鍛件)，還需補充從兩端沿軸線方向進行直射波檢測，檢測范圍至少為部件高度的一半加10%。

雖然RCC-M規范根據某些特定鍛件的特點，增加或修訂了某些掃查要求，但筆者認為對于有些部件尚有不足之處，有必要針對特定鍛件的用途、鍛造方向等適當增加掃查表面和掃查方式。如對于螺栓用鍛件(除了反應堆壓力容器主螺栓用鍛件)，RCC-M規范就未考慮軸向掃查。但是，從鍛件的用途來看，螺栓用鍛件在使用過程中主要在軸向承受拉應力，而近似垂直于軸向的面積型缺陷對螺栓的使用性能危害最大，需采用軸向檢測才能對此類缺陷進行有效檢測。因此，建議也應對螺栓類鍛件進行軸向檢測。如不能用直探頭從軸向進行檢測，則需采用斜探頭沿著外表面進行軸向檢測。

圖2　3a型和3b型鍛件斜探頭掃查方式示意

5.2斜探頭檢測

外徑/內徑之比大于或等于1.6的3a和3b型鍛件需采用斜探頭從外圓面沿著周向正反兩個方向進行100%檢測，3a型和3b型鍛件斜探頭掃查方式如圖2所示。對于3a型鍛件，RCC-M規范僅要求斜探頭從外表面沿周向正反兩個方向進行掃查。根據超聲檢測原理，檢測時使聲束軸線與缺陷的主反射面接近垂直對檢測最為有利，斜探頭沿周向掃查能夠有效地發現近似垂直于表面的軸向缺陷，但近似垂直于表面的周向缺陷缺乏合適的掃查方法，存在缺陷漏檢的可能性。如采用的鍛造方法較易產生垂直于表面的周向缺陷或需對此類缺陷特別關注時，建議考慮從端面采用直探頭進行軸向檢測或沿著外表面采用斜探頭進行軸向檢測。

6　記錄和驗收標準

6.1直探頭檢測

根據RCC-M (2007版及FM1061修訂)規范，低合金鋼鍛件一般按基礎工業標準NF EN 10228-3或NF EN 10308(僅限于厚度t不大于400 mm的鍛棒)中的質量3級(DGS法或DAC法)記錄和驗收，奧氏體鋼鍛件一般按基礎工業標準NF EN 10228-4或NF EN 10308(僅限于厚度t不大于400 mm的鍛棒)中的質量2級(DGS法或DAC法)記錄和驗收。

根據RCC-M (2000版及2002補遺)規范，鍛件直探頭檢測的記錄和驗收標準直接引用基礎工業標準NF A 04 308的規定，低合金鋼鍛件一般按質量3級記錄和驗收，奧氏體鋼鍛件根據部件的厚度t確定質量驗收等級：t<75 mm時，按質量3級；75 mm≤t<250 mm時，按質量2級，且記錄R(底波降低系數)不大于0.12的底波衰減；t不小于250 mm時，按質量1級，且記錄R不大于0.12的底波衰減。

分析對比，對于低合金鋼鍛件，兩個規范對同一質量等級所允許存在的缺陷當量完全相同，低合金鋼鍛件直探頭檢測記錄和驗收標準的對比見表2。對于奧氏體鋼鍛件，鍛件的厚度越大時，可允許存在的缺陷越大：厚度t不大于250 mm時，兩規范對同一質量等級所允許存在的缺陷當量完全相同；當厚度t>250 mm時，RCC-M (2007版及FM1061修訂)中所允許存在的單個不連續缺陷的當量直徑為11 mm，而RCC-M(2000版及2002補遺)允許的當量直徑為12 mm；但是對于厚度t>400 mm的鍛件，相對于RCC-M (2000版及2002補遺)，RCC-M (2007版及FM1061修訂)中所允許存在的缺陷更大，驗收要求較寬松。奧氏體鋼鍛件直探頭檢測記錄和驗收標準的對比見表3。

表2　低合金鋼鍛件直探頭檢測記錄和驗收標準的對比　mm

表3　奧氏體鋼鍛件直探頭檢測記錄和驗收標準的對比　mm

6.2斜探頭檢測

根據RCC-M (2007版及FM1061修訂)規范，低合金鋼鍛件按基礎工業標準NF EN 10228-3中的質量3級(DGS法)記錄和驗收。對于奧氏體鋼鍛件，DGS法檢測時按基礎工業標準NF EN 10228-4的要求記錄和驗收，DAC法檢測時的記錄和驗收標準見表4。

RCC-M (2000版及2002補遺)中，低合金鋼和奧氏體鋼的斜探頭檢測時，任何回波幅度大于50%DAC曲線的信號都應予以記錄，回波幅度超過100% DAC曲線的信號應判為不合格。

分析對比上述規定，RCC-M (2007版及FM1061修訂)較RCC-M (2000版及2002補遺)發生了較大變化，引進了DGS法所對應的驗收標準，且低合金鋼鍛件只允許采用DGS法驗收，奧氏體鋼鍛件則可采用DGS法和DAC法。

表4　奧氏體鋼鍛件斜探頭檢測記錄和驗收標準(DAC法)

僅就DAC法而言，新舊兩版規范對驗收規定也具有很大差異，在RCC-M (2000版及2002補遺)中，回波幅度大于50% DAC應記錄，超過100% DAC則拒收，其中：對厚度t不大于100 mm的鍛件，各厚度區間(20 mm，50 mm，100 mm)所采用的矩形槽尺寸逐漸增大，可見所允許的缺陷也逐漸變大；對厚度t>100 mm的鍛件，均采用φ2 mm橫孔調整檢測靈敏度，無論鍛件厚度大小可允許存在的缺陷當量均一致。在RCC-M (2007版及FM1061修訂)中，無論厚度大小，均采用φ3 mm橫孔調整檢測靈敏度；但驗收要求則根據不同厚度所允許的缺陷回波高度不同來加以區分。

7　結語

對RCC-M(2007版及FM1061修訂)及其對應基礎工業標準中關于鍛件超聲檢測要求進行分析解讀，并將其與RCC-M(2000版及2002補遺)的相關要求進行分析比較；并針對核級鍛件超聲檢測過程中可能存在的問題，提出了檢測的建議措施。此外，RCC-M(2007版及FM1061修訂)新引進了DGS法及其驗收標準，規范使用者在使用過程中，應注意新版規范的新增要求，有必要結合目前的制造檢測能力嚴格控制制造質量。

Evaluation and Comparison of Ultrasonic Testing Standards of Nuclear Forgings for Pressurized Water Nuclear Power Station

WU Wei-bang, ZHANG Jin, CHEN Hang

(China Nuclear Power Design Co., Ltd., Shenzhen 518172, China)

Some important provisions of ultrasonic testing for the forgings provided by RCC-M code(2007 edition and FM1061) were introduced, and the sensitivity, recording conditions and acceptance criteria were analyzed and also compared with that of RCC-M code(2000 edition and 2002 addendum). Some precautions were considered. It aims to provide reference for the designer, purchaser and inspector for their properly using the ultrasonic testing standards of forgings for pressurized water nuclear power station.

RCC-M；Nuclear forging；Ultrasonic testing standard；Notice

2016-02-15

吳偉幫(1985-),男，本科，工程師，主要從事民用核安全機械設備的無損檢測工作。

吳偉幫， E-mail: 715119153@qq.com。

10.11973/wsjc201609013

TG115.28

A

1000-6656(2016)09-0049-04