AP1000蒸汽發生器進出口接管超厚鎳基合金預堆邊焊縫的超聲檢測

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(哈電集團(秦皇島)重型裝備有限公司，秦皇島 066206)

AP1000核電機組采用的是先進的第三代核電技術，其是在二代核電的成熟技術上，采用“非能動理念”最大限度地利用壓縮空氣膨脹、重力及自然循環等自然驅動力的非能動安全系統。蒸汽發生器作為保障核電廠安全的重要設備，其將反應堆的熱能傳遞給二回路介質以產生蒸汽，并且隔絕一回路與二回路，確保放射性物質停留在一回路內而不溢出[1]。AP1000蒸汽發生器出口接管與主泵泵殼、進口接管與安全端均采用焊接方式連接，進出口接管由低合金鋼SA-508 Gr.3Cl.2并內襯不銹鋼堆焊層制造而成，主泵泵殼由雙相不銹鋼鑄造而成，進口接管安全端由SA-182 Gr.F316LN不銹鋼鍛造而成，焊縫兩側材料的焊接性能差異巨大。在進出口接管的低合金鋼端面堆焊有厚度不小于38.1 mm的超厚鎳基合金預堆邊，然后由超厚鎳基合金預堆邊與安全端、主泵泵殼完成焊縫焊接。因此，鎳基合金預堆邊的焊接質量將成為蒸汽發生器與安全端、主泵泵殼可靠連接的重要因素。

1 鎳基合金焊縫結構特點及檢測技術要求

1.1 AP1000蒸汽發生器預堆邊結構尺寸

AP1000蒸汽發生器超厚鎳基合金預堆邊采用Tig焊(非熔化極氣體保護電弧焊)堆焊而成，焊絲直徑為1.0 mm，焊接時由于鎳基合金堆焊金屬在凝固過程中，并沒有奧氏體向鐵素體轉變的相變過程，最終組織結構為奧氏體。相對于鐵素體(低合金鋼)，奧氏體具有晶粒粗大、各向異性嚴重，超聲波檢測聲衰減大、信噪比低的特點[2]。堆焊金屬在冷卻凝固過程中，由于垂直于母材表面方向的散熱條件比較好，有利于晶粒的增長，故而最終形成的奧氏體相晶粒基本垂直于母材表面[3]，這對采用斜探頭檢測層下裂紋非常不利。同時，AP1000蒸汽發生器進出口接管預堆邊的設計厚度不小于38.1 mm(見圖1)，考慮到加工余量，其堆焊層厚度一般為40 mm，這增加了超聲波檢測的難度，尤其是堆焊層下裂紋的檢測[4]。

圖1 預堆邊結構示意

1.2 設計文件對預堆邊超聲波檢測的技術要求

AP1000蒸汽發生器設計文件中，對進出口接管預堆邊焊后和熱處理后的超聲波檢測有較為具體的規定：在預堆邊的端部采用直探頭進行超聲檢測，參考反射體為直徑3.2 mm的平底孔；采用斜探頭從4個方向對預堆邊進行超聲檢測，參考反射體為直徑1.6 mm的橫孔。此外，對于出口接管預堆邊還應在內外表面使用45°斜探頭從軸向方向上補充超聲檢測。

2 檢測工藝

2.1 試塊設計

依據設計文件的檢測技術要求設計超聲波檢測試塊1(見圖2)，試塊采用與產品預堆邊相同的焊接工藝規程進行堆焊。試塊上設置一系列直徑為3.2 mm的平底孔以及一系列直徑為1.6 mm的橫孔。同時，考慮到堆焊方向對聲學性能的影響，在平行焊接方向和垂直焊接方向上分別設置校驗用橫孔，校準試塊的堆焊層厚度略厚于被檢產品的堆焊層厚度，同時為了保證不同深度缺陷檢測的準確性，試塊上平底孔和橫孔應在整個堆焊厚度方向上均勻分布。

圖2 預堆邊檢測試塊結構示意(試塊1堆焊層厚度為40 mm)

2.2 探頭選擇

由于超聲波在粗晶預堆邊中的衰減大，故應選用對粗晶材料具有較好聲學特性的縱波探頭，國內外的專家早已驗證：寬頻帶窄脈沖雙晶聚焦縱波探頭在粗晶材料上具有較好的信噪比，帶寬達到70%以上[5-7]，探頭聚焦區域應位于堆焊層與母材的交界面上。0°探頭選用GE公司的聚焦深度(FD)為12 mm和30 mm的兩種探頭。對斜射波檢測，由于關注堆焊層下裂紋的情況，而堆焊層厚度太厚，超聲波穿透困難，故而選擇大晶片尺寸、雙晶聚焦探頭，以獲得高的穿透能力。RTD公司在制造粗晶材料超聲波檢測用雙晶探頭上具有豐富的經驗，但其生產的聚焦聲程(FS)為75 mm的雙晶縱波探頭依然無法檢測堆焊層界面的反射體回波，此外，由于聚焦深度過大，反而帶來了近表面的反射體也無法發現的問題。UCC探頭是RTD公司針對堆焊層下裂紋檢測而專門設計和制造的探頭，其為縱波雙晶點聚焦70°探頭，探頭晶片的幾何形狀為球狀，通過控制偏移角和探頭頻率，在較薄厚度堆焊層的檢測上可以獲得較好的信噪比。

分別采用0°探頭及點聚焦70°探頭對試塊1進行檢測，結果如表1所示(“-”表示信噪比低于6 dB，無法識別)。由表1可知，70°探頭只能檢測到深度為5，10，15 mm的人工反射體，無法滿足檢測到全部預堆邊以及堆焊層下裂紋的要求。

表1 0°探頭及點聚焦70°探頭對試塊1的檢測結果

2.3 檢測方案的優化

檢測結果表明，無法只采用70°斜探頭一次檢測整個預堆邊。針對此情況，重新設計了焊接方案和檢測工藝，在焊接過程中對預堆邊實施分層檢測。針對堆焊層下裂紋，重新設計并制作了試塊2(見圖3)，在預堆邊堆焊至厚度約為12 mm時，對其進行檢測，確保堆焊層下無裂紋。

分層檢測時，分別在預堆邊堆焊至10，20，30 mm以及在最終堆焊完成后進行檢測。每次檢測時，均采用直探頭及4個方向的70°斜射波進行檢測，保證垂直于表面缺陷的檢出率。分別采用0°探頭及點聚焦70°探頭對試塊2進行檢測，結果如圖4所示。

圖3 預堆邊檢測試塊結構示意(試塊2堆焊層厚度為12 mm)

圖4 0°探頭及點聚焦70°探頭對試塊2的檢測結果

2.4 熱處理后的檢測

對于堆焊完成后，采用分層檢測的方式可實現全部預堆邊的質量控制，而設計圖紙中還要求熱處理后進行檢測，熱處理后的檢測同樣面臨70°探頭無法一次完成全厚度預堆邊檢測的問題。此時，考慮堆焊層下存在再熱裂紋的可能性已排除，并且設計要求對全厚度堆焊層進行斜射波檢測，因此可以采用多角度進行分層聚焦檢測，采用70°，45°，37°三種角度(聚焦深度分別為8，50，60 mm)的探頭，對熱處理后的預堆邊進行分層聚焦檢測，并對試塊1進行檢測。各種角度探頭在試塊1上的檢測結果如圖5～7所示。

由圖5～7可以看出，通過組合不同角度、不同聚焦深度的探頭，可以實現對超厚預堆邊(40 mm)超聲波檢測的質量控制。

圖5 不同角度斜探頭對試塊1的垂直于焊接方向的檢測結果

圖6 不同角度斜探頭對試塊1的平行于焊接方向的檢測結果

圖7 直探頭對試塊1的檢測結果

2.5 出口接管內外表面軸向檢測

為了防止出口接管的鎳基合金預堆邊中存在干擾后續接管與泵殼對接焊縫超聲波檢測的缺陷，按照設計要求，需在接管預堆邊的內外表面，從軸向方向采用45°縱波雙晶斜探頭進行超聲檢測。設計的超聲波檢測試塊如圖8所示。調節儀器時，分別采用45°縱波雙晶斜探頭從試塊的內外表面檢測人工

圖8 出口接管預堆邊內外表面檢測試塊

反射體，制作DAC(距離-幅度)曲線，掃查時應注意內外表面曲線的對應。

3 結語

對AP1000蒸汽發生器進出口接管超厚鎳基合金預堆邊進行超聲波檢測，采取了分層檢測(焊后分層堆焊及檢測、熱處理后不同聚焦探頭分層檢測)的方式，對斜探頭檢測制作了平行和垂直于焊接方向的兩種反射體，對出口接管預堆邊進行了沿接管軸向的檢測等多方面的檢測工藝，達到了對超厚鎳基合金預堆邊檢測的目的，保證了產品的質量安全。

參考文獻:

[1] 林誠格，郁祖盛，歐陽予,等. 非能動安全先進壓水堆核電技術[M].北京：原子能出版社，2010.

[2] 鄭君，周鳳革. 不同探頭堆焊層下母材再熱裂紋的比較[J].一重技術，2007(3):67-68.

[3] 鄭暉，林樹青.超聲檢測[M].北京：中國勞動社會保障出版社，2008.

[4] 聶勇，李曉梅，許遠歡.核設備不銹鋼堆焊層下裂紋超聲波檢測技術[J]. 無損檢測，2011,33(7)：25-28.

[5] 羅瑯，王建平，奚延安，等. N08810鎳基合金焊縫的超聲檢測[J].無損檢測，2016，38(3)：60-65.

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