堆內(nèi)構(gòu)件上部導(dǎo)向筒焊縫的超聲檢測

胡海濤，薛 敏

(上海第一機床廠有限公司，上海 201308)

上部導(dǎo)向筒組件是核電站堆內(nèi)構(gòu)件控制棒導(dǎo)向筒組件的一部分，主要為控制棒組件在其內(nèi)部的上下運動提供定位和導(dǎo)向。設(shè)計方要求對頂板和導(dǎo)向筒筒體間的真空電子束(EB)焊縫進行超聲檢測，以保證其焊縫質(zhì)量。EB焊縫結(jié)構(gòu)及上部導(dǎo)向筒組件構(gòu)成說明分別如圖1，2所示。

圖1 頂板與導(dǎo)向筒筒體EB焊縫結(jié)構(gòu)示意

圖2 上部導(dǎo)向筒組件構(gòu)成示意

不同于CPR1000二代加成熟堆型，在國內(nèi)沒有一個針對性的國家標準或行業(yè)標準對我國自主設(shè)計的三代先進壓水堆核電站進行規(guī)定，只能參考設(shè)計方提供的設(shè)計文件。

該EB焊縫的檢測難點在于三代堆型的頂板結(jié)構(gòu)較二代加堆型的多了一個φ 195 mm的沉槽，該沉槽底面的超聲回波信號與EB焊縫根部的回波信號位于同一深度，并且這兩個信號的水平間距只有3.4 mm左右，導(dǎo)致了信號疊加在一起，無法進行評判。

1 二代加堆型的超聲檢測

對于二代加堆型上部導(dǎo)向筒EB焊縫的超聲檢測，設(shè)計方給出了專用的超聲檢測技術(shù)要求，檢測方法較為成熟簡單。

設(shè)計方規(guī)定采用φ 10 mm的單晶直探頭從頂板表面實施直接接觸法縱波檢測，掃查范圍為頂板外圓向內(nèi)1012 mm的環(huán)形區(qū)域。檢測范圍如圖3所示。

圖3 二代加堆型EB焊縫檢測范圍示意

二代加堆型對比試塊的結(jié)構(gòu)如圖4所示，調(diào)節(jié)對比試塊上和EB焊縫同埋深處的1 mm寬矩形槽信號回波幅值至80%，以此作為基準靈敏度(見圖5)。根據(jù)EB焊縫根部出現(xiàn)的反射信號回波幅值來判斷是否存在未焊透，當反射信號波幅超過基準靈敏度信號波幅時，則認為焊縫存在超過1 mm的未焊透，判定為不合格。

圖4 二代加堆型對比試塊結(jié)構(gòu)示意

圖5 對比試塊基準靈敏度

在二代加堆型中，頂板上沒有φ 195 mm的沉槽，EB焊縫根部信號(埋深為43 mm)與頂板大平底信號(埋深為50 mm)所處深度不同，故信號較易區(qū)分，利于評定(見圖6)。

圖6 二代加堆型EB焊縫檢測信號

2 三代堆型檢測難點分析

在三代堆型中，根據(jù)設(shè)計提供的頂板尺寸(見圖7)，φ 195 mm的沉槽(A點)和EB焊縫根部(B點)位于同一埋深(12.5 mm)，可算出其理論水平間距LAB=6.5 mm，理論上可采用單晶或雙晶直探頭分辨出這兩個信號。

圖7 三代堆型頂板結(jié)構(gòu)示意

經(jīng)過試驗，實際的檢測效果并不理想，A點和B點的信號疊加在一起，完全無法區(qū)分。對此，筆者進行了初步分析，主要歸納了以下3個方面的原因。

(1) 探頭聲束寬度的影響。因A，B點間的信號水平間距理論上只有6.5 mm，檢測采用φ 10 mm的單晶直探頭，其聲束擴散容易導(dǎo)致同時發(fā)現(xiàn)A，B點的反射信號，并造成信號疊加，無法真實反映B點的最大反射信號。對此，筆者采用雙晶點聚焦直探頭進行試驗，探頭晶片直徑為6 mm，并將焦點直徑盡量控制在2～3 mm，但試驗結(jié)果仍存在明顯的信號疊加情況，結(jié)果無法進行評定(見圖8)。

圖8 沉槽A點和1 mm矩形槽B點的信號疊加現(xiàn)象

(2) 頂板上C1.5 mm倒角的影響。對比試塊上有足夠的掃查面供探頭水平移動找到1 mm矩形槽的最大反射回波。當探頭在對比試塊上校準好靈敏度并開始檢測焊縫時，B點的正上方距離頂板邊緣4 mm，而φ 10 mm直探頭接觸面的半徑至少有6 mm(含1 mm寬的金屬外殼)，再加上倒角的限制，導(dǎo)致探頭無法往頂板邊緣移動找到B點的最大反射信號。

(3) 焊縫實際熔深偏差的影響。根據(jù)實際加工工藝，焊縫外徑為221 mm，內(nèi)徑要求焊透到導(dǎo)向筒筒體，所以要求EB焊縫的最小熔深為6.35 mm，而焊縫深度實際可達8.6 mm。據(jù)此得出實際A，B點的信號水平間距AB。在焊縫熔深最小時，ABmax=5.65 mm；在焊縫熔深最大時，ABmin=3.4 mm。

3 檢測工藝

3.1 對比試塊

結(jié)合上述分析，模擬三代堆型頂板的實際形狀，結(jié)合實際焊縫熔深的不同情況，制作相應(yīng)的對比試塊,其結(jié)構(gòu)及缺陷分布如圖9，10所示。

圖9 三代堆型對比試塊結(jié)構(gòu)示意

圖10 三代堆型對比試塊缺陷分布示意

(1) 當焊縫熔深最大時(8.6 mm)，未焊透信號只可能出現(xiàn)在08.6 mm信號段，此時，只需評定是否有大于1 mm的反射信號，故設(shè)置了1 mm的矩形槽，圖10中A和B點的信號水平間距為3.4 mm。

(2) 當焊縫熔深最小時(6.35 mm)，未焊透信號只可能出現(xiàn)在6.35 mm之外的信號段，在此，考慮到未焊透大小可能會在1～2.25 mm之間，為了方便比較不同大小反射體的信號，設(shè)置了2 mm寬的矩形槽，圖10中A′和B′之間的信號水平間距為3.65 mm。

3.2 探頭

在深度為12.5 mm處制作了不同寬度的矩形槽，采用單晶探頭對其進行檢測，探頭頻率為5 MHz，晶片尺寸為φ 6 mm。

3.3 基準靈敏度

(1) 將探頭置于對比試塊掃查面，使探頭位于1 mm寬矩形槽正上方，調(diào)節(jié)1 mm寬槽的最大反射回波高度至儀器滿屏的80%(見圖11)，此回波信號可能含部分深為12.5 mm的大平底反射信號。

圖11 探頭在1 mm寬矩形槽正上方時的波形

(2) 使探頭向深為19 mm的小平底方向移動，觀察信號高度的改變，1 mm寬矩形槽的回波信號逐漸降低至43%(見圖12)，同時深為19 mm小平底的回波信號逐漸升高。探頭繼續(xù)向深為12.5 mm的大平底方向移動，深為12.5 mm的大平底回波信號逐漸升高后超過100%(見圖13)，同時深為19 mm小平底回波信號降低至消失。該變化證明了1 mm矩形槽的信號和深為12.5 mm的大平底回波信號之間存在一定的間隙，1 mm寬矩形槽的回波信號最高點不在兩個信號的疊加處。

圖12 探頭向小平底方向移動的波形變化

圖13 探頭向大平底方向移動的波形變化

(3) 探頭從1 mm矩形槽正上方向倒角邊緣移動，回波信號逐漸降低至32%左右(見圖14)，繼續(xù)移動，信號迅速消失，排除了C1.5 mm倒角對探頭接觸面大小的影響。

圖14 探頭向倒角邊緣移動的波形變化

(4) 探頭在1mm矩形槽正上方時，聲束擴散導(dǎo)致其80%波高的信號中包含部分大平底回波信號，無法區(qū)分真實反射體信號的大小。采用對比試塊中左側(cè)2 mm的矩形槽反射信號進行對比，發(fā)現(xiàn)在同等靈敏度增益、同倒角和同大平底信號疊加的情況下，2 mm矩形槽的反射信號比1 mm矩形槽的反射信號高(見圖15)，故證明在此條件下能區(qū)分出不同反射體的大小。

圖15 不同寬度矩形槽的回波信號比較

經(jīng)此分析，可采用對比試塊右側(cè)的1 mm寬矩形槽調(diào)節(jié)基準靈敏度，輕微移動探頭使該矩形槽最大反射回波高度至儀器滿屏的80%，以此作為基準靈敏度。

3.4 掃查和評定

在上述基準靈敏度下，縱波垂直頂板表面入射，在距外圓周6～10 mm區(qū)域進行掃查，找到焊縫根部的最大反射信號。當焊縫根部的反射信號波幅超過滿屏的80%時，則認為有超過1 mm的未焊透，并判定為不合格。

4 結(jié)語

三代堆型核電站堆內(nèi)構(gòu)件上部導(dǎo)向筒結(jié)構(gòu)的改變，是結(jié)合了我國核電設(shè)備實際制造基礎(chǔ)和技術(shù)特點而做的改進。試驗研究充分考慮了頂板尺寸的變化、實際加工工藝和不同焊縫熔深的情況，制作了與產(chǎn)品類似的對比試塊，建立了對應(yīng)的基準靈敏度評定方法，并形成一套直接適用于三代非能動先進核電堆型堆內(nèi)構(gòu)件上部導(dǎo)向筒EB焊縫的超聲檢測標準，實現(xiàn)了三代堆型超聲檢測的國產(chǎn)化。