使用相控陣檢測技術代替射線檢測核電設備鋼制安全殼對接焊縫的可行性

劉恩凱，馬占云，王忠旭，馬中利，楊中偉

(山東核電設備制造有限公司， 海陽 265118)

使用相控陣檢測技術代替射線檢測核電設備鋼制安全殼對接焊縫的可行性

劉恩凱，馬占云，王忠旭，馬中利，楊中偉

(山東核電設備制造有限公司， 海陽 265118)

核電設備鋼制安全殼作為核反應堆放射性防護的三道屏障之一，對核電的安全性起到至關重要的作用。鋼制安全殼對接焊縫的無損檢測按照ASME要求需進行100%的射線檢測，但是射線檢測存在一定的漏檢率，尤其是對面積型缺陷(裂紋、未熔合)的檢出率較低，并且隨著板厚的增加，射線檢測的漏檢率也不斷增加。對相控陣技術進行分析，通過在一定數量的自然缺陷試塊上采用相控陣和射線檢測進行驗證，對比分析得出結論:相控陣檢測技術在鋼制安全殼對接焊縫檢測中具有可行性，可作為一種可靠、高效、經濟的技術手段應用于焊縫的質量檢測。

鋼制安全殼；射線檢測；相控陣檢測

三代核電設備AP1000鋼制安全殼，由256塊SA738Gr.B鋼板拼焊而成，最終形成直徑為40 m的超大型壓力容器，其包裹著核反應堆內部所有的設備，對核電運行期間的安全性起著至關重要的作用，是AP1000非能動冷卻系統(見圖1)的主要部件之一。筆者進行了鋼制安全殼對接焊縫內部缺陷超聲相控陣檢測的可行性研究，探討了缺陷定位、定量、定性的方法;并比較了相控陣與射線檢測技術檢測結果之間的能力差異。

圖 1 AP1000非能動冷卻系統結構示意

圖2 焊縫坡口示意

1 模擬試塊制作

依據ASME Ⅲ-NE 《MC級部件》 和V卷 《無損檢測》 (2015版)中關于鋼制安全殼產品對接焊縫檢測及驗收的相關要求，制作的焊接試板材料與鋼制安全殼一致(材料為SA738Gr.B)，厚度為50 mm。焊縫坡口示意如圖2所示。共設計制作8塊含自然缺陷的焊接試板，缺陷主要包括裂紋、未熔合、裂紋、氣孔、夾渣。

焊接試板中的缺陷分布詳見表1。

表 1 焊接試板缺陷分布

2 射線及相控陣檢測工藝

2.1 射線檢測設備及參數

射線檢測采用比利時SITE 3605固定式X射線機，有效焦點尺寸2.5 mmX2.5 mm，采用管電壓340 kV，透照時間2 min，焦距650 mm，鉛增感屏厚度前后0.1 mm，管電流5 mA的透照曝光參數進行檢測。底片經處理后黑度范圍在2.53.5(標準要求1.84.0)，可見像質計絲徑為11號絲(標準要求可見11號絲徑)。黑度及像質計靈敏度滿足ASME Ⅲ-NE和V分卷相關要求。

2.2 相控陣檢測設備及參數

相控陣檢測采用以色列ISONIC2009相控陣儀器，匹配頻率為5MHz的32晶片的線陣探頭。相控陣檢測參數為：①相控陣探頭參數：晶片數量為32，一次激發16個晶片(924)，頻率為5 MHz，相鄰晶片中心間距為0.5 mm，晶片寬度為0.4 mm,相鄰晶片間的間距為0.1 mm;② 檢測靈敏度參數：基準靈敏度為3 mm直徑的橫通孔。楔塊角度36°，可產生的扇形掃查范圍36°75°;③ 采用不同深度φ3 mm橫孔制作DAC曲線，一二次波分開設置基準靈敏度，同時以成像掃查的方式進行檢測，焊接試板上采用手動加編碼器的方式進行數據采集;④ 聲束角度步進為1°，編碼器步進分辨1 mm;⑤ 相控陣采用的靈敏度試塊是在ASME基礎上進行改造的，滿足一、二次波靈敏度分開設置要求;⑥ 采用ISONIC 2009設備自帶的焊縫仿真軟件，設置一次波主要檢測焊縫上半部分，二次波檢測焊縫下半部分，檢測工藝如圖3所示。

圖3 一、二次波靈敏度分開設置同時掃查工藝

3 數據分析

數據分析一般包括對缺陷的檢出率、信噪比、長度的定量、深度的定量等數據的分析。筆者通過對缺陷的檢出率及長度尺寸的定量討論，對比射線檢測與相控陣檢測技術之間的主要差異。

圖4 射線與相控陣缺陷檢出情況對比

3.1 缺陷的檢出率

圖4總結了所有焊接試塊中缺陷的檢測結果，分別給出了射線檢出缺陷、相控陣檢出缺陷以及焊接試板中各缺陷的數量。通過檢測結果可看出:兩種方法檢測能力的分界線主要是面積型缺陷，其中裂紋、未熔合是射線檢測較為典型的漏檢缺陷。從圖4還可看出，相控陣可以檢測出所有缺陷，射線檢測漏掉了25個缺陷中的3個面積型缺陷。對于面積型缺陷，相控陣檢測的平均信噪比為30.5 dB，體積型缺陷的平均信噪比為24.8 dB，這樣可看出，相控陣檢測任何種類缺陷時，缺陷信號都可以從背景噪聲中分辨出來。

為了說明相控陣技術與射線檢測技術在面積型缺陷檢測能力方面的差異，選擇部分試塊數據進行對比。PA-02試板上設計制造了3個缺陷，缺陷尺寸及分布如圖5所示。

圖5 模擬試塊缺陷分布及尺寸示意

對PA-02模擬試塊進行射線檢測，3個缺陷的射線底片如圖6所示，其中氣孔缺陷為φ3 mm,條渣長度為30 mm。

圖6 PA-02試塊缺陷的射線檢測結果

對PA-02試塊進行相控陣檢測，檢測時采用單側雙面的掃查方式，檢測結果如圖7所示。

圖7 PA-02試塊缺陷的相控陣檢測結果

為了確定2號位置是否是裂紋缺陷，對試塊進行解剖驗證，解剖結果如圖8所示。

圖8 PA-02試塊2號位置的裂紋缺陷解剖圖

3.2 缺陷長度測定

按照ASME相關標準，缺陷的長度和波幅是基于制造階段缺陷驗收的兩個關鍵指標。由于相控陣技術采用成像的方式，其缺陷的長度取決于反射體波幅的大小;而射線檢測是以缺陷與周圍母材之間的對比度差異為基礎，直接反映缺陷實際尺寸的檢測方法，但是對比度較差的區域，在底片上反映不出實際缺陷的存在，導致了射線所測得的缺陷長度比其實際長度偏小。

對于超聲檢測，不同方向檢測出缺陷的波幅高低不同，最終在相控陣成像影像上測量的缺陷長度也不同，尤其體積型缺陷與面積型缺陷的差異更大。因此，需要進行大量的試驗，驗證相控陣檢測利用缺陷成像進行長度測量的最佳方式。文中相控陣檢測采用ASME標準中規定的-14 dB的方式對缺陷進行測長，主要選擇具有代表性的缺陷進行分析，僅對8塊焊接試板中的條形缺陷(除橫向裂紋以外)進行分析，最終測長對比數據詳見圖9。

圖9 缺陷檢測長度對比

通過圖9可看出,對于體積型缺陷，二種方法對缺陷長度測量的差異很小，但是對于面積型未熔合缺陷，射線檢測所測長度遠遠小于實際設計和相控

陣檢測的缺陷長度。這主要是因為未熔合缺陷具有方向性，使得最終底片對比度較差而無法顯示。相控陣檢測出的缺陷長度整體與設計長度差異不大，數據滿足試驗要求。

4 結論

(1) 相控陣檢測技術無論是在缺陷檢出率還是缺陷的測長方面都優于常規射線檢測技術。而且，射線檢測對面積型缺陷，例如未熔合、裂紋等會產生漏檢。而面積型缺陷很容易擴展，易導致整個焊縫泄漏，給核電設備安全殼的防御功能造成很大影響。

(2) 相控陣檢測技術不僅能夠準確測量出缺陷在焊縫中的深度，還能夠通過模擬焊縫實際結構尺寸成像的方式來提高對缺陷性質的判別。

(3) 相控陣檢測無需輻射防護成本，對身體沒有危害，不需要交叉作業，這樣可縮短工程周期，提高工作效率。另外，射線檢測所用耗材(底片、處理液、鉛薄)較多，而相控陣檢測則在此方面具有優勢，降低了工程成本。

(4) 通過選擇合適的設備及檢測工藝參數，采用相控陣檢測技術代替常規射線檢測技術，對鋼制安全殼對接焊縫進行檢測是可行的。

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Feasibility on the Use of Phased Array Inspection as a Replacement of Radiographic Inspection for Butt Welding of Steel Containment Vessel of Nuclear Power Equipment

LIU En-kai, MA Zhan-yun, WANG Zhong-xu, MA Zhong-li, YANG Zhong-wei

(Shandong Nuclear Power Equipment Manufacturing Company, Haiyang 265118, China)

Nuclear power equipment-steel containment vessel as a nuclear reactor radiation protection of one of the three barriers, plays a crucial role on the safety of nuclear power. Steel containment vessel of the butt weld generally requires for 100% the radiographic testing, but radiographic testing has a certain undetected rate, especially the detection rate for planar type defects (cracks, incomplete fusion) is low, and with the increase of thickness, the undetected rate of X-ray testing also increases. Through simulating a certain number of defects on the block to verify the detection between PAUT and RT, we make a conclusion that the PAUT for testing the butt weld of steel containment vessel is feasible, which may provide a reliable, efficient and economic testing method for weld quality.

Steel containment vessel; Radiographic testing; Phased array technique

2016-06-21

劉恩凱(1988-)，本科，主要從事AP1000核電設備無損檢測工作及新技術應用研究。

劉恩凱， E-mail:352847097@qq.com。

10.11973/wsjc201704015

TG115.28

A

1000-6656(2017)04-0072-04