反應堆壓力容器J型坡口焊縫自動超聲檢測工藝研究和結果分析

周毅

【摘 要】壓力容器驅動管座和中子測量管座貫穿件J型坡口焊縫由于其結構的特殊性不能采用常規超聲方法進行檢測。本文針對自動檢測系統展開了調試，設計了參考試塊進行了靈敏度和數據驗證;通過對管座模擬件的檢測和結果分析，驗證了系統的可靠性和檢測方案的合理性;檢測系統在產品檢驗中實際運用，對產生的信號顯示進行定位、定量和識別。

【關鍵詞】自動超聲檢測;反應堆壓力容器;貫穿件;J型焊縫

中圖分類號： TH878.2;TL351.6文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）36-0272-004

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.36.129

Auto Ultrasonic Testing Research and Indication Analysis for J Type Welding in Reactor Pressure Vessel

ZHOU Yi*

（Shanghai Electric Nuclear Power Equipment Co.， Ltd.， Shanghai 201306， China）

【Abstract】Due to the special structure of J type welding for CRDM and BMI in Reactor Pressure Vessel， it is not feasible to carry out the inspection by the ordinary ultrasonic testing method. This research focus on debugging system and designed the UT blocks to carry on the sensitivity and data verification. The reliability of testing system， along with the rationality of testing scheme， are verified by the testing processing and results analysis for the simulation specimens.? This testing system is actually exercised in product examination， the sign of indications are located， measured and distinguished.

【Key words】Auto Ultrasonic testing; Reactor Pressure Vessel; Penetration piece; J type welding

0 引言

反應堆壓力容器是核電站核島中的關鍵設備，它主要用來盛裝反應堆堆芯，使高溫高壓的冷卻劑保持在一個密封的殼體內，同時起輻射屏蔽作用。位于頂蓋的驅動管座和位于下封頭的中子測量管座均貫穿了壓力容器外殼，管座與外殼金屬壁的焊接質量對壓力容器的密封性產生重大影響，焊縫處的缺陷一旦形成穿透，將會導致反應堆冷卻劑出現泄漏，進而影響了整個核反應堆的安全。

驅動管座和中子測量管座管壁厚度較大，渦流檢測存在趨膚效應，從內壁進行渦流掃查效果不佳;由于該處結構的特殊性，外壁超聲檢測存在結構受限;而管座內壁結構平整，超聲檢測又能穿透一定的深度，能有效覆蓋焊縫處的檢測。因此，本文采用超聲方法通過內壁對管座焊縫檢測展開了研究，實現檢測方法和檢測工藝的確定，針對產品結構設計靈敏度試塊保證檢測數據的可靠性，最終對工藝評定件和產品進行檢測并加以分析。

1 檢測方法

壓力容器驅動管座和中子測量管座內壁孔徑小，檢測位置距離管端較遠，常規超聲檢測無法到達檢測區域。內壁檢測需要自動超聲掃查裝置，超聲探頭安裝到運動裝置內，利用運動裝置替代人工掃查實現軸向伸縮和周向旋轉的功能，設置合理的掃查范圍和步進參數，達到檢測區域的掃查覆蓋。J型焊縫與管座結合面平行于管座內壁，焊縫結構特點決定直探頭就可以實現該區域的有效檢測，為保證檢測過程的分辨力，本文采用高頻探頭。

2 檢測設備

檢測設備由運動控制系統、超聲檢測系統、耦合劑循環系統、音視頻系統和INTRASPECT超聲數據采集分析系統五個部分組成。

超聲檢測系統采用多通道，檢測之前應對水平線性和垂直線性完成測試。驅動管座采用縱波雙晶直探頭進行檢測，頻率為5MHz， 為保證探頭分辨力，界面處的聲束直徑不大于2.5mm;中子測量管采用縱波單晶直探頭，頻率為5MHz，焊縫結構較小，檢測要求更高，界面處的聲束直徑不大于1.5mm。

運動控制系統主體為7160掃查器和MCS控制器，以及自動對位裝置。7160掃查裝置具有較好的擴展性，通過更換位于掃查裝置頂部的探頭組件，即可完全覆蓋兩種焊縫的掃查。組件的線纜通過掃查裝置的轉接板與超聲檢測系統相連，較為靈活。

7160掃查裝置具有X周向旋轉軸和垂直運動Y軸，自動對位裝置能夠提供平行地面的兩維運動，兩者共同控制確保了檢測行進的靈活性。

耦合劑循環系統由循環水管、智能控制水泵、過濾器等構成，作用是掃查時耦合劑的供給及回收。

音視頻系統包括攝像頭、照明燈和顯示器等設備，對掃查裝置和掃查部位進行實時監控。

INTRASPECT超聲數據采集分析系統由超聲數據采集系統、前置放大器、采集分析工作站、INTRASPECT采集軟件及分析軟件，對超聲信號進行采集和分析。

3 參考試塊

ASME標準要求焊縫深度小于25mm時，橫孔孔徑設置為2.5mm， RCCM標準要求橫孔孔徑為2.0mm， 綜上考慮CRDM管座基準靈敏度設定為位于焊縫和管座交界面的φ2mm橫孔以保證檢測精度，靈敏度校驗試塊按照實際產品結構設計，詳見圖1。φ2mm橫孔對檢測信號的有效性進行驗證，檢測信號的位置和幅值均得到核驗。另外本文設計了數據校驗試塊，試塊上φ3mm平底孔和φ2mm橫孔與管座外壁相切，模擬位于J型焊縫處的缺陷信號，φ2橫孔設定基準靈敏度，比較檢測過程中的信號幅值偏差;φ3mm平底孔驗證采集過程中位置的偏差，由此保證了檢測過程中信號幅值和位置的可靠性。詳見下圖2。

圖1 驅動管座靈敏度校驗試塊

中子測量管座J型焊縫檢測試塊基準靈敏度設定為φ3mm平底孔，在焊縫和管座外壁交界面上設計φ3mm、φ2mm兩個平底孔，φ2mm平底孔核驗探頭焦點尺寸是否產生偏差，φ3mm平底孔調節基準靈敏度，核驗檢測前后的位置、深度。試塊設計圖如下（圖3）。

為驗證檢測方案的合理可行，本文設計了驅動管座和中子測量管座J型焊縫的工藝評定件。驅動管座J型焊縫模擬件1設置了點狀缺陷，用于氣孔、夾渣等點狀缺陷的研究，模擬件2設計了未熔合缺陷，用于面狀缺陷的研究。中子測量管座J型焊縫模擬件設置了點狀缺陷。

圖2 驅動管座數據校驗試塊

圖3 中子測量管座數據校驗試塊

4 檢測工藝

4.1 參數設置

表1 系統采集參數基本設置

連接運動控制系統、超聲檢測系統、耦合劑循環系統、音視頻系統和INTRASPECT超聲數據采集分析系統，通過系統數據采集分析軟件調試各個系統是否有效運行。進行檢驗參數的初始設置，通過試驗，得出了較為優化的參數配置，如表1和表2所示。

表2 探頭參數基本設置

4.2 數據采集

（1）采集之前對探頭靈敏度和探頭延遲進行調節。探頭延遲調節要求為將第一次底面回波深度調節至校準試塊標稱厚度（即管座管壁厚度）。驅動管座檢測以距對比試塊內徑深度16mm處Φ2mm橫孔的回波高度達到滿屏的80%作為參考靈敏度;中子測量管檢測以距對比試塊內徑深度11.3mm處Φ3mm平底孔回波高度達到滿屏的80%作為參考靈敏度。

（2）為保證掃查覆蓋率和數據采樣率，本研究對數據采集間距和最大掃查速度進行了調試，確認后按下表參數執行掃查。

表3 貫穿件超聲檢測掃查參數

（3）為保證定位標準的一致性，掃查軸向零點設置為貫穿件下端口;周向零點為貫穿件J焊縫最低點。檢測覆蓋范圍設置如下：驅動管座將管座/焊縫界面周向兩側外延各2.5mm范圍內的區域應進行100%檢驗，軸向檢測范圍為J形焊縫最高點往上12mm到J形焊縫最低點往下12mm。。驅動管座將管座/焊縫界面周向兩側外延各2.5mm范圍內的區域應進行100%檢驗，軸向檢測范圍為J形焊縫最高點往上12mm到J形焊縫最低點往下12mm。

4.3 數據驗證

每次數據采集前后應進行有效性驗證。（1）驅動管座根據圖2所示試塊進行驗證，Φ3mm平底孔的位置與試塊圖紙名義值的偏差在軸向±1mm，周向±1°范圍內;Φ2mm橫孔的最大回波幅度校驗值的偏差在±2dB范圍內。（2）中子測量管座焦點尺寸偏差采用-6dB法測定圖3對比試塊上距內徑11.3mm深處Ф2mm的平底孔尺寸，要求測量結果在Ф2±0.5mm范圍內;位置和信號幅值校準以圖3的Φ3mm平底孔為基準，位置偏差控制在軸向±1mm，周向±1°范圍內，幅值偏差控制在最大回波幅度的±2dB范圍內。

5 結果與討論

5.1 工藝評定結果分析

圖4為驅動管座模擬件1的C掃圖，圖中藍色部分為焊縫區域，J型焊縫呈馬鞍型，C掃平面展開呈S型帶狀區域，其他區域為管子外壁信號的C掃顯示。如圖所示，掃查結果表明模擬件內部數據存在5個圓形顯示，信號的位置、幅值信息見表4。數據采集完成后對工藝評定件缺陷處進行了解剖分析，并對缺陷尺寸和位置信息進行了尺寸測量，結果見表4的實測值。比照超聲檢測值和實際測量值，兩者僅存在細微偏差，結果保持了較好的一致性。

圖5為驅動管座模擬件2的C掃圖，如圖所示，焊縫區域出現了面狀密集顯示，說明整圈焊縫結合不緊密，整個區域出現了幅值較大的反射信號，檢測完成后對模擬件2#進行了解剖處理，結果也表明了整圈焊縫存在未熔合。

圖6為中子測量管座模擬件超聲檢測的C掃圖，顯示信號的位置、尺寸信息見表5，從表中可知超聲檢測結果和實際測量值數據幾乎吻合。

圖4 驅動管座J型焊縫模擬件1

圖5 驅動管座J型焊縫模擬件2

圖6 中子測量管座J型焊縫模擬件

5.2 產品檢測結果分析

模擬件試驗得到的一系列數據通過與實際檢測數據的比較，只有極小偏差，保持了結果的一致性，同時驗證了檢測工藝的合理性。利用上述試驗調整得到的檢測參數，對兩臺壓力容器的產品管座J型焊縫進行檢測，驅動管座和中子測量管座分別得到了130和100組焊縫的檢測數據，在采集的過程中值得注意的是由于管座位置在封頭上的排布存在差異，J型焊縫的形狀位置特征參數也有不同，為確保采集數據的完整性，采集開始前需要觀測反射波的信號變化來確定檢測范圍。結果數據量較大，下面僅挑選具有代表性的數據展開分析。以驅動管座為例。

圖7 驅動管座J型焊縫產品信號圖

表6 驅動管座J型焊縫產品缺陷超聲檢測結果

兩臺壓力容器驅動管座共130根，如表6所示，顯示結果表明存在4處疑似信號。信號的長寬比均小于或接近2，形狀特征均為圓形顯示，對應的是氣孔，夾渣等點狀缺陷，而且缺陷的幅值，大小均遠遠滿足驗收標準的要求;不存在未熔合，未焊透，裂紋等缺陷對應的線性顯示，而線性顯示易擴展，易導致材料失效。以上結果間接證明了焊接工藝的可靠性。

值得注意的是表中1#，2#，3#缺陷為前一臺壓力容器管座J型焊縫的檢測結果，結果表明焊縫均疑似氣孔夾渣等點狀缺陷類別的信號。尤其是氣孔信號，很可能由如下原因引起：（1）表面清理不干凈。（2）焊條焊劑未完全烘干（3）焊接線能量過小，導致熔池冷卻速度大，不利于氣體逸出。檢測結束后將結果反饋給焊接部門，做好下臺設備手工焊接的技術交底，注意如上幾點檢測事項，結果表明下臺設備僅有1#一處信號顯示，焊接質量顯著改善。

對中子測量管座J型焊縫進行了檢測， 100處焊縫無一處記錄顯示。

6 結束語

本研究主要針對驅動管座和中子測量管座J型焊縫的檢測進行了試塊設計，檢測方案的制定，模擬件試驗信號分析，產品檢測結果信號分析等一系列工作。設計出了能代表產品特征的靈敏度試塊和數據驗證試塊，為監測系統采集前后的穩定性，設置了數據驗證的要求。利用試塊調節出較為優化的檢測工藝參數。模擬產品對該兩類焊縫均設計出含有自然缺陷的模擬件，模擬件檢測結果與實際尺寸測量結果保持了很好的一致性。產品檢測結果表明J型焊縫較易出現氣孔、夾渣等圓形顯示，因此，焊接工藝要重點防控這類缺陷的產生。整套檢測系統具有較好的可調節性，通過對7160部分組件的更換可完成核電項目各種堆型壓力容器貫穿件焊縫的掃查，為后續AP1000、CAP1400、華龍一號等堆型貫穿件的檢測提供可靠的檢測技術支持。

【參考文獻】

[1]徐可北，周俊華.渦流檢測.北京：機械工業出版社，2004.

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