RSE-M與ASME規范中反應堆壓力容器焊縫超聲波檢驗技術能力驗證試塊對比研究

劉奎 歐陽標 李上平

摘 要

通過對國內執行RSE-M和ASME規范的核電機組反應堆壓力容器原材料的材質、熱處理狀態、規格尺寸、焊接工藝、表面狀態等理論分析，并使用16MND5和SA-508-3制作對比試塊，進行聲學性能和人工反射體靈敏度對比試驗，說明材料的聲學性能基本相同，執行RSE-M和ASME規范的反應堆壓力容器焊縫超聲波檢驗技術能力驗證試塊可通用。

關鍵詞

反應堆壓力容器;超聲波檢驗;能力驗證;驗證試塊

中圖分類號： TM623? ? ? ?文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.19.004

Abstract

16MND5 and SA-508-3 are approved to have the same acoustic properties for ultrasonic wave testing，and the qualification blocks are substitutable for ultrasonic wave testing of reactor pressure vessel between RSE-M and ASME code，based on the theoretical analysis of the material，heat treatment， dimension，welding process and surface state of the reactor pressure vessel in civil nuclear power units，and manufacturing test blocks by 16MND5 and SA-508-3 to research the difference of acoustic and manual reflector sensitivity.

Key Words

Reactor pressure vessel;Ultrasonic testing;Performance demonstration identification;Qualification block

0 引言

截至2019年10月，我國共有運行核電機組47臺，在建機組13臺。國內現有運行的商用核電機組均采用國外的在役檢查標準和規范，呈現多樣性和復雜性，并主要采用法國RSE-M規范和美國ASME規范[1]。ASME規范在Ⅺ卷附錄Ⅷ中強調了能力驗證盲測試塊的使用和實際的測試，給出試塊的設計要求和驗證鑒定的具體要求;弊端是試塊制作成本高、驗證的周期長、通過困難。RSE—M規范只提供一個應該采用的鑒定框架，主要采用實際測試和技術論證的方式，重點論述了驗證的整個流程[2];但未給出測試試塊的要求和鑒定準則。

目前，參考ENIQ驗證體系，依據RSE-M和ASME標準，國內已形成了完整的驗證體系。根據安全運行條件等，驗證項目分為特殊驗證、綜合驗證、常規驗證和不需驗證等4種類型[4]。對特殊驗證項目以加工驗證試塊并進行盲測考核為主，同時進行技術論證和明測驗證。反應堆壓力容器作為核能與熱能轉換的場所，承受惡劣的高溫、高壓、高輻照以及化學腐蝕條件，對整個核電站的安全、經濟運行至關重要。根據目前國內已通過能力驗證核電站的經驗，反應堆壓力容器設備焊縫超聲檢驗一般列入特殊驗證項目，并且主要參考ASME XI卷附錄Ⅷ的要求制作相應的驗證試塊[5]，見表1。

根據核安全監管的要求，通過特殊驗證項目的無損檢驗人員其有效期為5年，5年期滿后應重新申請驗證[3]，即新建機組將面臨制作特殊驗證試塊的問題，已通過能力驗證機組5年后將面臨重新驗證，需要驗證試塊或數據的問題。目前國內的驗證試塊所需要的人工制造的裂紋缺陷均需在英美國家加工，并且通過第三方單位對缺陷進行測量，成本過高、周期過長。研究現有RSE-M體系與ASME體系的驗證試塊的可替代性，無疑對核電站、無損檢測單位、監管單位以及國家外匯管理均有巨大的意義。下面以壓力容器筒體環焊縫超聲檢驗驗證試塊為例進行論述。

1 驗證試塊的要求

用于制作驗證試塊的原材料的材質、熱處理狀態、規格尺寸、焊接工藝、表面狀態等應與被檢對象相同或類似，主要是為了確保制作驗證試塊的材料與反應堆壓力容器本體材料的聲學性能相近，減小材料聲學性能差異對超聲波檢測的影響。

2 理論對比分析

2.1 原材料的材質對比分析

目前，RSE-M/RCC-M規范要求的反應堆壓力容器本體材料主要為16MND5，ASME規范要求的反應堆壓力容器本體材料主要為SA-508-3，其化學成分見表2。由成分對比可以看出，兩種材料均屬低碳低合金鋼，化學元素基本相同，元素含量基本相同，熱處理方式基本相同，晶粒度基本相同，由此可見，兩種原材料的材質吸收衰減和散射衰減基本相同，對超聲波檢驗的影響基本相同。

2.2 規格尺寸和加工工藝對比

驗證試塊除原材料與相應的反應堆壓力容器相同外，其加工工藝也與相應的反應堆壓力容器加工工藝相同。表3給出國內已建成的執行RSE-M與ASME規范的商運核電機組反應堆壓力容器規格尺寸和加工工藝。

相對其大小而言，各反應堆壓力容器的規格差異不大，可視為大平板。厚度差異不大，堆焊層的材料相同，堆焊厚度基本相同，焊接工藝基本相同，表面狀態基本相同，對超聲波檢驗的影響基本相同。

3 試驗對比分析

材料的聲學性能最終反映在實際檢驗技術的探頭靈敏度曲線差異上。因此，分別利用16MND5和SA-508-3材料，設計并加工同樣尺寸的試塊和人工反射體，如圖1所示。通過0°縱波直探頭測定聲速、材料衰減系數、厚度相同底波信號差異，并通過實際檢驗技術用的45°橫波、60°橫波、0°雙晶縱波和0°單晶縱波探頭測定靈敏度曲線差異，用以對比驗證材料的聲學性能。

3.1 聲速差異測定

采用同一個2MHz、晶片尺寸為Φ30mm的0°縱波直探頭對試塊250mm厚度的外表面獲取2次底面回波，通過調整探頭延時和聲速，使一次回波和二次回波的聲程顯示值分別為一倍壁厚和兩倍壁厚，讀出此時的聲速即為材料的實際聲速。聲速差異為Δc=（c2-c1）/c1×100%。試驗結果為聲速差異值0.4%，小于5%，可以認為聲速基本無差異，見表4。

3.2 衰減系數差異測定

采用同一個2MHz、晶片尺寸為Φ30mm的0°縱波直探頭對試塊250mm厚度進行衰減系數測定，衰減系數α=[（B1-B2）-6]/2T，其中：（B1-B2）為一次底波和二次底波衰減器的讀數之差，T為試塊厚度。試驗結果為衰減系數差8.5%，小于20%，可以認為衰減系數基本無差異，見表5。

3.3 底波幅值差異測定

采用同一個2MHz、晶片尺寸為Φ30mm的0°縱波直探頭對試塊250mm厚度外表面獲取1次底面回波，將波幅調整至80%FSH，讀取靈敏度并計算差值。試驗結果為底波幅值差異為0.4dB，遠小于4dB，可以認為底波幅值基本無差異，見表6。

3.4 反射體靈敏度對比

通過同一系列的45°橫波、60°橫波、45°縱波、0°雙晶縱波和0°單晶縱波探頭對試驗試塊的長橫孔進行超聲靈敏度曲線制作，對比靈敏度差異。

（1）45°橫波探頭靈敏度對比

45°橫波探頭對應的試驗試塊靈敏度差異如表7，各長橫孔相應的差異值在-0.3～0.7dB之間，靈敏度曲線基本重合，見圖2。

（2）60°橫波探頭靈敏度對比

60°橫波探頭對應的試驗試塊靈敏度差異如表8，差異值在0～0.8dB之間，靈敏度曲線基本重合，見圖3。

（3）45°縱波探頭靈敏度對比

45°縱波探頭對應的試驗試塊靈敏度差異如表9，差異值在-0.3～0.5dB之間，靈敏度曲線基本重合，見圖4。

（4）0°雙晶縱波探頭靈敏度對比

0°雙晶縱波探頭對應的試驗試塊靈敏度差異如表10，差異值在-0.3～0.1dB之間，靈敏度曲線基本重合，見圖5。

（5）0°單晶縱波探頭靈敏度對比

0°單晶縱波探頭對應的試驗試塊靈敏度差異如表11，差異值在-0.2～0.5dB之間，靈敏度曲線基本重合，見圖6。

3.5 試驗小結

16MND5和SA-508-3材料的聲速差異極小，材料衰減系數差異不大，厚度相同底波信號差異較小，同時通過實際檢驗技術用的45°橫波、60°橫波、45°縱波、0°雙晶縱波和0°單晶縱波探頭測定的靈敏度曲線基本相同，證明兩種材料的聲學性能基本相同，對超聲波檢驗影響較小。

4 結語

通過對國內執行RSE-M規范和ASME規范的核電機組反應堆壓力容器原材料的材質、熱處理狀態、規格尺寸、焊接工藝、表面狀態等理論分析，并使用16MND5和SA-508-3制作對比試塊，對兩種材料的聲學性能進行試驗對比，說明兩種材料的聲學性能基本相同，用其制作的反應堆壓力容器焊縫超聲波檢驗的能力驗證試塊沒有差異，從而在執行RSE-M規范和ASME規范時使用的能力驗證試塊可通用，節約驗證成本，縮短驗證周期，同時，為建立無損檢驗能力驗證數據庫提供參考。

參考文獻

[1]陶于春，等.壓力堆核電站在役檢查用無損檢測技術發展概況[J].無損檢測，2009（12）：959-966.

[2]徐清國，等.國內外核電站在役檢查能力驗證發展[J].無損檢測，2013（10）：38-44.

[3]國家核安全局.核電廠在役檢查無損檢驗技術能力驗證實施辦法[J].無損檢測，2014（5）：73-79.

[4]RSE-M壓水堆核島機械部件在役檢查導則[S].

[5]ASMEⅪ卷核電廠部件在役檢查規則[S].

[6]NBT20003.2核電廠核島機械設備無損檢測第2部分：超聲檢測[S].