核級棒材制管狀零件的超聲檢測標準分析

(深圳中廣核工程設計有限公司，深圳 518000)

核電廠承壓設備的管狀零件主要通過粗坯制成鍛棒，再通過鉆孔制成最終的管狀零件。為了保證鍛件的結構完整性，標準和設計者通常規定其需進行全體積的超聲檢測。在核電廠管狀零件鍛件的采購活動中，不同核電機組采用的技術路線不同，選用的采購標準也不同。目前國內主要有兩大主要的核電標準，分別是ASME[1]核電標準的BPVC-Ⅲ卷《核設施部件建造規則》和RCC-M 2007《壓水堆核島機械設備設計和建造準則》。ASME標準是基于美國工業體系的標準，而RCC-M是基于法國和歐洲的工業體系的標準。這兩種工業體系的標準在國內的采購環境下使用時，國內制造單位對這兩種工業體系和核電工程實踐不是十分了解，在對此類管狀零件產品進行超聲波檢測的過程中，會存在不同的理解甚至分歧，給產品質量帶來一定的風險。筆者對此類零件的超聲檢測標準進行了分析，以供同行參考。

1 概述

根據國內核電工程的采購經驗，在使用棒材制作管狀零件時，設計單位通常會編制專門的棒材采購技術規格書，而采購規格書中關于對其采用的超聲波檢測方法，往往根據標準的來源引用歐洲或者美國的工業標準，在此基礎上，再根據零件的特殊性，增加一些補充要求。ASME核電標準和RCC-M標準主要引用的基礎工業標準有：SA-745《奧氏體鋼鍛件超聲檢測的標準操作方法》；SE-213《金屬管材超聲檢測的標準操作方法》；EN 10228-4《奧氏體和奧氏體-馬氏體不銹鋼鍛件超聲檢測》；NF A 04-308《鍛件超聲檢測》。

2 分析

核級管狀零件是由粗坯制成鍛棒再通過鉆孔制成的，在這兩個階段都需要采用超聲波方法對其進行檢測。由于二者的檢測目的不同，檢測方法和驗收準則也不同。一般在棒材采購規格書中規定棒材階段的超聲檢測要求，而鉆孔后的超聲檢測要求往往在該零件的設備規格書中規定，下面分別對棒材階段和鉆孔后階段的超聲檢測進行分析。

2.1 鍛棒階段

鍛制棒材一般從鑄錠開始，經過鍛造成型，金屬的變形基本上沿棒材的軸線延伸并與軸線對稱，在橫截面上往往呈現為輻射狀，如星形、人字形、扁平形等。缺陷種類與鍛件基本相同，如非金屬夾雜物、裂紋、白點、偏析、疏松(特別是中心疏松)以及折疊、重皮等缺陷。針對這些缺陷特點，從超聲波掃查方式、評價與驗收做進一步詳細討論。

2.1.1 鍛件類型和掃查方式

RCC-M標準根據鍛件的不同外形將其劃分為4種類型，按照這個原則，鍛棒應歸為Ia型鍛件，也就是長圓棒形。在標準EN 10228-4中根據鍛件類型，規定了掃查的方式(見表1)。

表1 RCC-M和ASME標準中規定的直探頭掃查方式

表中的100%掃查是指相鄰探頭掃查線之間至少保證10%的覆蓋率。如果棒材存在影響超聲波達到另一側的情況，掃查線應加倍。另外在RCC-M MC 2313中補充規定，除特別規定外，直徑大于或等于50 mm的鍛棒在制成管狀零件前應執行超聲波檢測，在圓柱體兩個端面進行軸向檢測時，聲衰減或波型轉換不影響檢測結果解釋和評定的區域為有效檢測范圍。

ASME分卷NB《1級部件》中規定圓形截面的棒材要對整個圓周外表面進行掃查，見表1。按照SA-745的規定，對于環形件和空心鍛件，可從整個外表面(側面或圓周面)用直射波技術，并以盡可能大的范圍做軸向掃查，當長度/直徑比(細長比率)超過6∶1或軸向長度超過600 mm時，還應盡可能從兩個端面進行掃查。如果由于聲衰減的原因，軸向檢查不能穿透，可以采用斜射波軸向檢測技術代替軸向直射波技術。

RCC-M標準對鍛件類型作了分類處理，對不同類型的鍛件提出了不同的掃查規定，分類的好處是只要鍛件的類型確定，制造廠就可根據標準中規定的掃查方案制定檢測工藝，設計文件也無需規定具體的掃查細節。對于核級棒材而言要求全體積掃查，對于是否需要從端面進行直射波軸向掃查，一般在材料采購技術要求中規定。ASME標準沒有對鍛件進行分類，但對環形件和空心鍛件在什么情況下應執行兩端面的軸向掃查卻給出了具體可操作的方法，而且當聲衰減影響檢測結果時，提出了可利用斜射波檢測技術代替端面軸向掃查的方法。在實際工程中，這個規定對于執行端面軸向掃查時更加直觀，也便于操作。綜合而言，在實際操作時，可以借鑒RCC-M對鍛件進行歸類，附加規定是否增加端面的軸向掃查。如果鍛棒全長度方向上不能保證足夠的檢測信噪比，在滿足最終產品長度的前提下，可以將棒材截短再檢測；也可以在鍛棒制成管狀零件后，采用斜射波沿軸向正反兩個方向掃查代替直射波軸向掃查。

2.1.2 評價與驗收

RCC-M中的M 3306關于1，2，3級鍛棒和半成品的材料采購技術標準規定了記錄和驗收的要求，缺陷評價按照EN 10228-4的要求執行，EN 10228-4根據缺陷回波的波形分為兩類：

(1) Ⅰ類波形

當探頭移動時，A掃描的顯示出現單個尖銳的回波，其波幅平滑地上升到最大值又平滑地下降至零點，如圖1所示(圖1是用橫孔繪制的回波動態圖，對應缺陷尺寸小于缺陷位置處探頭-6 dB的聲束寬度的情況)。

圖1 Ⅰ類波形A掃描顯示和動態波形

(2) Ⅱ類波形

當探頭移動時，A掃描的顯示出現單個尖銳的回波，其波幅平滑上升到最大值，到達最大值之后保持一定的幅度，這個幅值可能恒定也可能略有變化，然后又平滑地下降到零點。Ⅱ類波形A掃描顯示和動態波形如圖2所示(圖2是對應缺陷尺寸大于

缺陷位置處探頭-6 dB聲束寬度的情況)。

圖2 Ⅱ類波形A掃描顯示和動態波形

根據缺陷回波的特點歸類后，再定義點狀顯示、長條顯示、單個顯示、密集顯示。① 點狀顯示:具有Ⅰ類波形特征或尺寸不大于缺陷位置處探頭-6 dB 聲束寬；② 長條顯示:具有Ⅱ類波形特征或尺寸大于缺陷位置處探頭-6 dB聲束寬；③ 單個顯示:相鄰點狀顯示之間的距離大于40 mm；④ 密集顯示:相鄰點狀顯示之間距離小于或等于40 mm。

根據缺陷類別規定的記錄和驗收準則如表2所示(僅以質量3級為例)，表中deq為平底孔的等效直徑。

表2 RCC-M與ASME標準中規定的缺陷的記錄和驗收準則 mm

由表2可見，ASME規定了直射法的通用驗收準則，僅規定了驗收標準而沒有記錄閾值的要求。RCC-M標準對缺陷反射波形的規定非常詳細，并且給出了基于波形特征與缺陷顯示的對應關系，操作方便。特別是對單個顯示和密集顯示規定了可量化的驗收指標，易于執行。而ASME標準通用驗收準則規定采用底波法，同時也規定鍛件可以利用距離-波幅修正方法替代標準中的檢測方法，但應證明其驗收準則與通用驗收準則等效[2]。比如對于奧氏體不銹鋼鍛棒可參考SA-745的規定，對于厚度不大于75 mm的鍛件，選用直徑3 mm的平底孔;對于厚度大于75 mm而小于200 mm的鍛件，選用6 mm的平底孔。與依據缺陷底波是否消失來評價相比，這樣做的好處是操作更利于執行，此外對孤立的缺陷也更利于評價，驗收準則也更嚴。

2.2 鍛棒鉆孔后階段

根據安全級別,核電站中管材又分為安全一級、安全二級、安全三級和非安全級別。通過鍛棒鉆孔制成的管狀零件普遍用在核安全一級的管道和設備上，直接關系到核電站的安全。根據管材的制造工藝，其內部主要缺陷有裂紋，同時鍛造過程中的缺陷如白點、分層等也可能隨著鉆孔的實施而成為表面缺陷。因此采用超聲橫波檢測原理，通過接觸法或水浸法在管壁內產生純橫波，使其在內外壁之間反射傳播，沿管壁做周向傳播主要用于檢測管材的縱向缺陷，沿管壁做軸向傳播主要用于檢測管材的橫向缺陷。下面針對斜射波檢測的掃查方式、參考反射體和驗收標準及檢測時機做進一步的討論。

2.2.1 斜射波檢測

當鍛棒加工成管狀零件后，根據RCC-M的分類應歸為Ⅲ型鍛件。Ⅲ型鍛件應沿外圓柱面進行橫波斜射法的周向掃查(除非壁厚和幾何形狀限制橫波周向掃查)，掃查方式見表3。

表3 RCC-M標準規定的橫波斜射法的掃查方式

表3中規定的100%掃查是指相鄰探頭掃查線之間至少有20%的覆蓋。同時在EN 10228-4附錄A中給出了橫波斜射周向掃查最大可檢測深度的計算方法(見表4),表中R為零件外徑，D為聲程。

表4 EN 10288-4給出的橫波斜射掃查時的最大可檢深度

從表3和表4可以看出，無論是Ⅲa型鍛件或是Ⅲb型鍛件都應按照表3中的掃查方式執行周向掃查，前提條件是鍛件的外形尺寸和厚度應滿足表4中最大可檢測深度的要求。

ASME標準在NB 2541 d)款中規定，當鍛件或軋制棒材穿孔成管狀零件時，穿孔后應按照NB 2550的規定執行檢測，而NB 2550為無縫和管狀零件及配件的檢測，參照SE-213的規定執行周向掃查，同時應執行軸向斜射波掃查(見圖3)，除非軸向掃查的聲波路徑能被周向掃查的聲波路徑覆蓋。對于核電產品而言，標準SE-213的附錄A1作為強制性附錄規定了特殊的和安全等級更高的應用指南，比如壁厚小于12.5 mm的薄壁管如何避免多余的反射信號，或者外徑與壁厚比較小，如何保證超聲檢測能夠覆蓋全體積。為了達到這些目的，探頭與管狀零件表面的接觸方式應不僅局限于接觸法，其他非接觸方式等均可采用。

圖3 軸向掃查檢測橫向缺陷示意

加工成管狀零件后，鍛件的類型發生了變化，RCC-M在斜射波檢測時規定了周向掃查的要求。ASME除了周向掃查外，還規定了軸向掃查的要求，而軸向斜射波掃查有利于提高橫向缺陷的檢出率。由于管子外徑與壁厚之間的幾何關系，當橫波進入管子后，探頭角度不同，其最大檢測深度不同，EN 10228-4給出了不同角度探頭的檢測深度(見表4)，對于使用者而言，這張表非常實用，檢測時按照表選取即可。相反ASME標準沒有列表，而是給出了解決問題的思路，標準強調只要能夠覆蓋管狀零件的全體積，就可以選用接觸法、液浸法、聚焦探頭，自動或非自動檢測法等，并且SE-213附錄A1規定了具體操作指南。比如核電站的控制棒驅動桿就因為壁厚與外徑比較小，造成接觸法周向檢測難以覆蓋全厚度，而采用水浸超聲檢測法[3]。總體而言，RCC-M標準更易于執行，ASME標準更側重于采購方與制造廠之間的協商，執行起來更靈活，但要求采購方具備較強的無損檢測的實際工程經驗，對如何執行有效的檢測能夠給出具體的解決途徑。

2.2.2 參考反射體和驗收準則

RCC-M 2007版對棒材制成的管狀零件的記錄和驗收準則為超過參考反射波高50%的缺陷應記錄，超過參考反射波高100%的應拒收；而RCC-M 2012版則與2007版不同，標準對于斜射波結果的記錄和驗收，根據DAC法和DGS法分別給出了不同的驗收標準， 其中DAC法的準則與RCC-M 2007版的相同，但DGS法的驗收準則不同，見表5所示的DGS法的斜射波記錄和驗收準則。造成這種差異的原因是2012版RCC-M引用的工業標準是EN 10228-4，而RCC-M 2007版引用的是NF A 04-308，這兩個引用標準最大的差異在于參考反射體不同，EN 10228-4規定如果采用DAC法，配套驗收標準采用的人工反射體為直徑3mm的橫孔，而RCC-M 2007版MC 2320規定采用表6中人工反射體，即當厚度小于100 mm時采用的人工反射體為切槽；當厚度大于100 mm時采用的人工反射體為直徑2 mm的橫孔。

表5 RCC-M標準給出的DGS法斜射波記錄和驗收準則 mm

表6 RCC-M 2007與ASME標準規定的人工反射體 mm

ASME標準規定的驗收準則為:產品中的缺陷顯示超過參考試塊的標準缺陷顯示則應拒收。校準試樣規定應與被檢測產品具有相同的熱處理狀態，進行周向掃查時，標準人工反射體尺寸見表6。進行軸向檢測時，應在內表面和外表面設置橫向標準缺陷，橫向切槽的尺寸應不大于軸向切槽的尺寸。參考試樣可以是被檢測的產品，且應足夠長，使其能模擬被檢產品通過檢測裝置時的操作性。如果試樣中設置了多個標準反射體，這些反射體的位置應保證每個反射體產生的顯示能清晰分開，互不干擾。

RCC-M標準對于斜射波參考反射體類型的要求由于版本不同，發生了較大的變化。就最新的2012版而言，參考反射體以平底孔作為基準，參考反射體與采用的超聲波檢測方法相關，DAC法(按距離-波幅校正曲線的關系表示反射體回波高度的方法)與DGS法(以平底孔表示來自一反射體的回波高度，按圓盤形反射體的當量回波高度給出當量回波的方法)對應的驗收標準不能相互混用也不能相互比較。另外，當鍛件加工成管狀零件后壁厚較薄，特別是壁厚小于20 mm時，DAC法采用的是直徑3 mm的橫孔，隨著壁厚越小驗收準則也就越松。如果選用2007版的RCC-M，當壁厚小于20 mm時，選用深度5%厚度(最小0.1 mm)的切槽作為人工反射體，用切槽反射體代替橫孔反射體且切槽深度隨厚度的減小而減小。在工程實踐中這樣操作，既能保證厚度變化引起的驗收變松的問題，同時切槽作為人工反射體也更有利于缺陷的檢測。ASME標準就不存在上述問題，因為其不采用橫孔或平底孔，而僅采用V型切槽作為參考反射體，按照管材的要求執行，更有利于實際操作。同時ASME標準分別規定了軸向掃查和周向掃查時的參考反射體設置，為了避免參考反射體之間的影響，還特別規定了“應保證每個缺陷產生的顯示清晰的分開，不至于互相干擾或增強”。對于二者的驗收標準，使用RCC-M時，應考慮檢測方法是DAC還是DGS，再配套選用相應驗收標準，而使用ASME標準則不必考慮這些。

2.3 檢測時機

這里談到的檢測時機，不是鍛棒或者鍛棒鉆孔后的檢驗狀態，而是工程上經常遇到的鍛件在制造過程中形狀的變化及熱處理工序引起的超聲波檢測時機的變化。ASME規定超聲檢測應在熱處理之后進行，鍛件應處于簡單形狀下，這樣可以保證能夠盡量多地覆蓋檢測體積。在某些特殊情況，不能100%地覆蓋所有體積時，應盡可能地進行檢測并且將實際檢測情況提交給采購方。RCC-M規定超聲檢測應在能獲得滿意檢測結果的階段進行，其提供了兩個參考檢測時機：一個是最終機加工后;一個是最終熱處理后，下一道工序是機加工時。另外由于外形尺寸原因，當被檢部件不能在最終熱處理后實施超聲檢測，可以放在機加工中間階段進行，對于小鍛件，也可在半成品階段進行檢查。可以看出，兩個標準都給出了原則性的要求。在實際工程中，也經常遇到檢測時機的問題。特別是當最終機加工后鍛件尺寸的變化較大時，參考反射體的變化會造成驗收準則的變化，如果出現這種情況，在采購原材料時應將最終尺寸信息傳遞給供貨方，即使在交貨時沒有加工到最終尺寸，但應按最終尺寸要求的質量進行驗收，這樣才能保證最終加工后的產品質量。另外，對于超聲檢測而言，外形越簡單越容易執行檢查，因此在安排超聲檢測時，應提前考慮加工工藝(比如加工臺階，內孔，槽)等因素的影響，盡量保證最大程度地進行全體積檢測。

3 結論

在對核級棒材制成管狀零件進行超聲檢測時，應區分對待零件鉆孔前和鉆孔后的狀態，分別制定相應的掃查方案和驗收標準。因此，在制定棒材采購技術規程和超聲檢測技術條件時，應特別注意：

(1) 棒材階段，應從側面進行直射波軸向檢測，對于軸向檢查不能穿透或不能保證足夠的檢測信噪比的區域，應采用斜射波沿軸向正反兩個方向掃查代替直射波軸向掃查。

(2) 棒材階段的缺陷驗收，可借鑒RCC-M基于波形特征與缺陷顯示的對應關系，對單個顯示和密集顯示規定了可量化的驗收指標，評價方便，易于執行。

(3) 采購規格書中應規定鍛件鉆孔后是否要進行斜射波掃查，當規定采用斜射波掃查時，應特別關注選用的探頭角度與橫波檢測的有效深度范圍的關系，必要時采用液浸法、聚焦探頭等方式保證全體積檢查。

(4) 鍛件鉆孔后進行的斜射波掃查的驗收，采用RCC-M 2012版用EN 10228-4的參考反射體進行驗收時，過于寬松，應考慮選用切槽作為人工反射體。另外DAC法與DGS法對應的驗收標準應區別對待，切不可混用。

(5) 應合理地安排超聲檢測的時機，最大限度地執行全體積檢查，保證管狀零件的最終產品質量。

[1] ASME 2013 Boiler & pressure vessel code[S].

[2] 鐘志民，畢炳榮. 壓水堆承壓容器厚大鍛件超聲檢測標準的比較[J].無損檢測，2007，29(4):217-219.

[3] 毛贏，鄭德卓，王國圈. 核電站控制棒驅動機構驅動桿厚壁管材水浸超聲檢測[J].無損檢測,2013,35(12):32-37.