高溫氣冷堆殼體焊縫超聲波成像自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)

國(guó)核電站運(yùn)行服務(wù)技術(shù)有限公司 張 樂(lè) 沈超越 肖愛(ài)武

1 前言

反應(yīng)堆堆芯殼體是高溫氣冷堆的重要設(shè)備，是阻止放射性外泄的第三道屏障之一，其焊縫質(zhì)量是保證核電站和核動(dòng)力裝置正常運(yùn)行的關(guān)鍵。根據(jù)設(shè)計(jì)采購(gòu)要求，堆芯殼體焊縫在焊后熱處理前和焊后熱處理后均應(yīng)進(jìn)行內(nèi)部缺陷檢測(cè)；超聲波檢測(cè)和射線檢測(cè)均為內(nèi)部缺陷檢測(cè)的重要方法，超聲波檢測(cè)與射線檢測(cè)相比，不受時(shí)間窗口限制的，無(wú)輻射，是一種被廣泛采用的安全高效的檢測(cè)方法。

反應(yīng)堆堆芯殼體焊縫在焊接過(guò)程中容易產(chǎn)生裂紋、未焊透、未熔合、夾渣、氣孔等缺陷。無(wú)論在設(shè)備制造階段還是核電站役前和在役檢查階段，對(duì)一些關(guān)鍵的核級(jí)部件，如主管道焊縫、安全端焊縫的檢測(cè)，超聲成像自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，而對(duì)于重要容器殼體對(duì)接焊縫的超聲波檢測(cè)目前大多數(shù)仍采用的是手工檢測(cè)，成像自動(dòng)檢測(cè)數(shù)據(jù)可以永久存儲(chǔ)，可供多人多次離線分析，可以降低人為失誤及缺陷漏檢，所以實(shí)現(xiàn)及推廣殼體焊縫超聲波自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)具有重要的意義。本文將介紹設(shè)備制造階段超聲波成像自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)在高溫堆堆芯殼體焊縫上的應(yīng)用。

2 研究對(duì)象介紹

高溫氣冷堆核電站示范工程項(xiàng)目高溫氣冷堆堆芯殼體環(huán)焊縫，規(guī)格如表1，坡口型式如圖1所示。

表1 被檢焊縫規(guī)格

圖1 焊縫坡口型式圖

3 檢測(cè)技術(shù)要求及難點(diǎn)分析

3.1 技術(shù)要求

滿足ASME(2004)第III 卷，第一冊(cè)NG 卷和第V 卷的檢驗(yàn)要求[1]；

采用自動(dòng)檢測(cè)裝置能滿足探頭進(jìn)行軸向和周向4個(gè)方向掃查要求；

探頭晶片覆蓋10%以上；

對(duì)探頭移動(dòng)距離能保證聲速100%全體積覆蓋焊縫及其熱影響區(qū)；

至少能滿足攜帶4個(gè)探頭進(jìn)行同時(shí)檢測(cè)。

3.2 自動(dòng)檢測(cè)實(shí)施難點(diǎn)分析

掃查機(jī)器克服重力影響。堆芯殼體環(huán)焊縫采用的是TIG 焊接，容器豎立放置，裝置由于重力影響有墜落風(fēng)險(xiǎn)；殼體外徑較大，裝置整周安裝困難。外徑尺寸為Φ5440×40mm，為保證機(jī)器人在同一水平位置規(guī)則運(yùn)行，需要設(shè)置周向軌道來(lái)引導(dǎo)機(jī)器人，放置機(jī)器豎直位置偏差較大，由于殼體外徑較大，軌道設(shè)計(jì)存在較大難度，且安裝難度大。

探頭垂直焊縫掃查移動(dòng)距離較大。根據(jù)ASME第V 卷要求，焊縫檢測(cè)一般采用45°、60°、70°橫波探頭，本次被檢工件厚度為40mm，采用的雙面U 型坡口容易產(chǎn)生坡口未熔合、未焊透、夾渣等缺陷，所以應(yīng)盡可能使探頭的一次反射波也覆蓋整個(gè)焊縫壁厚區(qū)域，因此為滿足一次反射波的覆蓋探頭移動(dòng)距離較大，要滿足4個(gè)以上探頭同時(shí)檢測(cè)，又要提高掃查效率，探頭布置上存在難度[2]。

3.3 對(duì)比試塊

對(duì)比試塊用于校驗(yàn)探頭及設(shè)置探頭檢驗(yàn)靈敏度。對(duì)比試塊的材料、熱處理狀態(tài)應(yīng)與被檢件相同，表面粗糙度Ra ≤3.2μm，對(duì)比試塊厚度T=40mm。長(zhǎng)橫孔直徑為Φ3±0.8mm，孔深38mm，長(zhǎng)橫孔平行于校驗(yàn)表面。矩形切槽深度為2%T（0.8+0.08－0.16mm），切槽長(zhǎng)度最小為25mm，切槽寬度最大為6mm。

4 檢測(cè)方案介紹

為了滿足技術(shù)規(guī)范的要求，解決現(xiàn)實(shí)存在的實(shí)施難點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)殼體焊縫的自動(dòng)檢測(cè)，介紹在掃查裝置、軌道和探頭的選擇布置。

4.1 基本框架

檢驗(yàn)系統(tǒng)主要由掃查爬行小車、軌道、多通道超聲檢測(cè)設(shè)備（Olympus MS5800系統(tǒng)）、數(shù)據(jù)采集及分析系統(tǒng)等部分組成。管道自動(dòng)掃查器端部攜帶超聲波探頭組件，通過(guò)對(duì)裝置的控制，掃查器可以在管道上周向和軸向運(yùn)動(dòng)，完成對(duì)焊縫的自動(dòng)掃查。

4.2 掃查裝置

掃查裝置主要采用AGS-1爬行小車，小車可通過(guò)X 電機(jī)驅(qū)動(dòng)沿著周向軌道做平行于焊縫方向運(yùn)動(dòng)，也可通過(guò)Y 電機(jī)驅(qū)動(dòng)垂直于焊縫方向運(yùn)動(dòng)。由于壓力殼體材質(zhì)為碳鋼，為降低掃查裝置的重力影響，機(jī)器人小車四驅(qū)動(dòng)輪均采用磁吸輪。

4.3 軌道

爬行小車在X 電機(jī)驅(qū)動(dòng)平行于焊縫方向運(yùn)行時(shí)，由于重力和驅(qū)動(dòng)輪摩擦力等影響，小車不會(huì)一直平行于焊縫運(yùn)動(dòng)，為保證小車沿一個(gè)水平位置運(yùn)動(dòng)，需要安置一個(gè)限制或引導(dǎo)小車行徑的軌道，由于殼體外徑較大；為便于安裝和攜帶，最終采用鏈條做為小車導(dǎo)軌；為便于鏈條的安裝和確定水平位置，采用軌道固定磁吸塊配合安裝。

4.4 超聲波檢驗(yàn)系統(tǒng)

超聲波自動(dòng)檢測(cè)選擇的儀器為奧林巴斯生產(chǎn)的MS5800多通道超聲儀，該型號(hào)儀器具有16通道，能同時(shí)連接16個(gè)單晶探頭或8個(gè)雙晶探頭；儀器有編碼器接口，可將掃查器的編碼器信號(hào)接入。能實(shí)時(shí)精確記錄各個(gè)探頭的位置參數(shù)，方便對(duì)缺陷的定位。

4.5 檢測(cè)探頭

由于焊縫為雙面U 型坡口，壁厚為40mm，通過(guò)CIVA 仿真測(cè)試采用45°、60°橫波探頭用直射波和一次反射波對(duì)焊縫進(jìn)行檢測(cè)，能滿足檢驗(yàn)的要求。所采用的檢驗(yàn)探頭如表2所示。探頭組件，焊縫的超聲波檢驗(yàn)所使用的探頭包括縱波直探頭、橫波斜探頭或其它性能優(yōu)越的特種探頭，探頭組件可同時(shí)攜帶4～6組探頭同時(shí)掃查，某制造廠高溫堆焊縫超聲波檢測(cè)主要由2組45°橫波斜探頭，2組60°橫波斜探頭，1組縱波直探頭組成；5組探頭可同時(shí)進(jìn)行掃查。

表2 檢驗(yàn)探頭列表

為使探頭有足夠的移動(dòng)距離，保證探頭能滿足對(duì)焊縫的全體積掃查，探頭聲速傳播布置如圖2所示。

圖2 探頭掃查布置示意圖

4.6 耦合劑選擇

耦合劑是用來(lái)排除探頭和被測(cè)物體之間的空氣，使超聲波能有效地穿入被測(cè)物達(dá)到有效檢測(cè)目的，工業(yè)耦合劑主要是以機(jī)油、甘油、水、化學(xué)漿糊，或者是商品化的超聲檢測(cè)專用耦合劑等作為耦合劑，堆芯殼體待檢時(shí)為豎立放置，而且容器底部有機(jī)電設(shè)備，所以耦合劑不能采用流動(dòng)性較大的液態(tài)或膠狀耦合劑，應(yīng)采用粘黏性較好，不易流動(dòng)，適合探頭往復(fù)移動(dòng)的耦合劑。經(jīng)過(guò)調(diào)研和比較可采用上海新美達(dá)發(fā)明的CG-10核級(jí)超聲波耦合劑。該種耦合劑不易流動(dòng)、粘附性好、不易擦除、防銹防腐，具有較好的耦合效果，可用于自動(dòng)掃查使用。

5 現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)及結(jié)果

5.1 自動(dòng)檢測(cè)結(jié)果

對(duì)某制造廠高溫氣冷堆殼體焊縫進(jìn)行100%超聲波成像自動(dòng)檢測(cè)，共發(fā)現(xiàn)5處缺陷當(dāng)量超過(guò)20%DAC，具體如表3。

表3 WPS 002焊縫成像自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)結(jié)果

5.2 人工復(fù)檢結(jié)果

為驗(yàn)證自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)的可靠性，對(duì)自焊縫進(jìn)行人工復(fù)檢，共發(fā)現(xiàn)的5處當(dāng)量超過(guò)20%DAC 的缺陷信號(hào)，復(fù)檢結(jié)果如表4所示，缺陷周向分布見(jiàn)圖3。

表4 WPS 002焊縫手動(dòng)掃查結(jié)果

圖3 缺陷分布示意圖

通過(guò)人工復(fù)檢結(jié)果可知，自動(dòng)檢測(cè)結(jié)果與人工復(fù)查結(jié)果基本一致。4#缺陷信號(hào)圖見(jiàn)圖4。

圖4 4#缺陷信息

6 結(jié)語(yǔ)

采用檢測(cè)工藝能能同時(shí)完成4～6組探頭的自動(dòng)檢測(cè)，檢測(cè)數(shù)據(jù)可同時(shí)顯示A 掃、B 掃、C 掃數(shù)據(jù)影像，檢測(cè)數(shù)據(jù)可永久保存，可供離線分析，提高了檢測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性及置信度。