核3級HDPE管道系統超聲波檢驗設備的要求及校準

趙云龍

（上海納川核能新材料技術有限公司，上海 201306）

0 引言

高密度聚乙烯（High Density Polyethylene，簡稱HDPE）管道、管件及其熔接預制產品，廣泛應用于城市供水以及燃氣輸送工程之中，近年來，隨著國內外核電站運營時間的累計，海水對管路系統的腐蝕結垢問題日益突出，各國通過廣泛的調研，使用HDPE管道及配件替換各類玻璃鋼管、碳鋼襯膠（襯塑）管、碳鋼管、不銹鋼管等材質的管路系統逐步得到廣泛的認可，尤其在核電站的三回路部分系統中得到了更加廣泛應用，防腐蝕及結果效果也十分明顯。

2005年英國的Sizewell核電站核3級碳鋼輸水管發現多處貫穿腐蝕，隨后向法國EDF公司提出了改造需求，EDF公司應用HDPE管道對原來的襯膠碳鋼管進行了替換，改造后管道系統運行至今未出現再次腐蝕情況。

美國Duke Energy公司于2009年用HDPE管材替換應急柴油發電機冷卻水系統的核3級碳鋼管。改造后證明HDPE管材是核電廠腐蝕和結垢問題的有效且經濟的解決方案。

2017年至2018年期間，經國家核安全局批準，我國大亞灣核電站1、2號機組循環水過濾系統（Circulating Water Filtration，簡稱CFI）的不銹鋼管道使用HDPE管材進行了替換，2020年10月份開始陸續將上述2個機組的不銹鋼反沖洗管排替換為國產HDPE管排，截至目前管排運行壓力、流量正常，沖洗效果好，完全滿足使用要求，且防海水腐蝕效果明顯。

隨著HDPE管道、管件及其預制產品在核電系統的逐步推廣，有效開展HDPE管道系統的無損檢驗（Nondestructive Examination，簡稱NDE）工作，已成為各生產廠家核電用HDPE產品的質量控制重點。

1 概述

上海納川核能新材料技術有限公司生產的核3級HDPE管道及配件于2019年完成美國機械工程師協會（American Society of Mechanical Engineers，簡稱ASME）NPT授權證書的認證工作，在2020年9月完成了國內某核電站反沖洗系統核3級HDPE管排的制造任務，這也是國內首批核3級HDPE管道的國產化項目。

ASME鍋爐和壓力容器規范（Boiler and Pressure Vessel Code,簡稱BPVC）第Ⅲ卷（簡稱ASME BPVC.Ⅲ-2019）中明確提出，對于HDPE注塑管件以及2英寸以上熱熔接頭的超聲波檢驗應按照第Ⅴ卷的要求進行[1]。進行超聲波檢驗的目的是為了發現材料或熱熔接頭中影響其使用的缺陷或特性，從而對其應用于特定目的的適用性進行評價。

超聲波檢驗過程中存在一系列影響檢驗質量的因素。這些因素可歸納為人員、設備器材、技術文件、操作過程和環境幾方面。檢驗設備器材的可靠性是影響檢驗工作質量最重要的影響因素之一，超聲波檢驗設備器材主要包括儀器、探頭、機械掃查裝置、數據采集軟件系統等，為保證檢驗結果的正確可靠，必須保證所使用的設備器材符合檢驗標準的技術要求[2]。

本文主要論述通過對設備器材進行有效的規范與控制，以最大限度的保證對HDPE材料和制件的超聲波檢驗能夠獲得準確有效的檢驗結果，從而對被檢對象的質量做出正確評價，保證產品的質量和使用安全性，也可以為產品制造工藝的改進提供有意義的判據和信息。

2 儀器

2.1 儀器要求

ASME標準第Ⅴ卷規定，當進行相控陣超聲檢驗時，以下內容適用[3]：

（1）使用超聲陣列控制器；

（2）儀器應能在1～7MHz的頻率范圍內工作，配備2dB或以下的增益步進控制，并至少有60dB的最大增益；

（3）儀器應具有至少32個脈沖發生器；

（4）儀器的數字化頻率應至少為探頭中心頻率的5倍；

（5）壓縮設置不應大于驗證程序時的設置。

綜上所述，選用奧林巴斯的MX2型相控陣儀器，如圖1所示，能夠滿足標準要求。

2.2 儀器的線性測試校驗

圖1 OmniScan MX2型32:128探傷儀

數字式儀器在不超過一年的時間間隔，或在第一次使用前，應進行線性測試檢驗，包括屏高線性（Screen Height Linearity），幅度控制線性（Amplitude Control Linearity），水平線性（Horizontal Linearity），利用儀器的A掃模式進行線性測試。

屏高線性、幅度控制線性相關于輸入到儀器接收電路的信號幅度與顯示屏上顯示的幅度成正比關系的程度，在用波幅評定缺陷尺寸的時候，影響缺陷定量準確度；水平線性是指輸入到儀器的不同回波的時間間隔與以顯示屏時基線上回波的間隔成正比的程度，水平線性影響缺陷位置確定的準確度。

2.2.1 屏高線性

圖2 屏高線性

按圖2所示將斜探頭放在試塊上，從1/2T和3/4T橫孔得到兩個反射信號，使二者波高比為2:1。不移動探頭，調節增益，以10%的衰減量使較高的信號從100%滿屏高度（Full Screen Height，簡稱FSH）逐次降低到20%FSH，讀出每次調整后較低信號的讀數，其讀數應為較高信號波高的50%，誤差不超過滿屏5%，測試結果如表1所示。

表1 屏高線性結果

2.2.2 幅度控制線性

按圖2所示將斜探頭放在試塊上，從1/2T橫孔信號獲得峰值，按照規定的增益變化量調節增益，反射信號應處于允許范圍內，測試結果如表2所示。

表2 幅度控制線性結果

2.2.3 水平線性

將直探頭放在CSK-ⅠA試塊上，對準25mm厚的大平底面，調節儀器使顯示屏上出現6次底波B1～B6，當底波B1和B6的幅度分別為50% FSH時，使B1回波前沿對準水平刻度“0”，B6回波前沿對準水平刻度“100”（設水平全刻度為100格），如圖3所示。

圖3 水平線性

依次分別將底波B2～B5調到50%FSH，分別讀取B2～B5回波前沿與水平刻度“20”，“40”，“60”，“80”的偏差L2，L3，L4，L5（以格數計），取其最大偏差值Lmax，按式（1）計算儀器水平線性誤差[4]。水平線性測試結果如表3所示。

式中：△L為水平線性誤差；

B為水平滿刻度數。

表3 水平線性結果

2.2.4 測試結果

測試結果顯示，屏高線性誤差不超過5%滿屏高度（Full Screen Height，簡稱FSH），幅度控制線性不超過5%FSH，水平線性不超過1%，儀器線性測試結果滿足標準要求。

3 探頭

3.1 探頭要求

當進行相控陣超聲檢驗時，以下內容適用[3]：

（1）標稱頻率應為1～7MHz，除非存在變素，如產品微觀結構需使用其他頻率，以保證適當的穿透能力和更高的分辨力；

（2）應使用縱波模式；

（3）探頭陣元數量應在32～128之間；

（4）可以使用帶斜楔的探頭，以助于超聲耦合。

3.2 探頭楔塊

采用一維線陣相控陣探頭，搭配聚苯乙烯（Rexolite）楔塊，以在被檢件中產生斜射波。探頭頻率應根據被檢產品厚度選擇，厚度范圍與適用的頻率如表4所示[5]。

表4 厚度范圍適用的探頭頻率

3.3 校準聲速和延遲

聲速校準的目的是測量被檢材料中超聲波的真實聲速，以相控陣超聲檢測為例，利用HDPE試塊上的φ2長橫孔進行聲速校準和延遲校準，HDPE材料縱波聲速通常為2460m/s。在TOFD檢驗中還需校準探頭中心距離。

4 管道掃查器、編碼器

4.1 掃查器

鏈式掃查器可以為外徑在45～960mm的管道提供手動管道檢測解決方案。這款掃查器通過鏈式聯結部件，而不是磁輪組裝在一起，非常適用于HDPE材料的焊縫的衍射時差（TOFD）或相控陣（PA）超聲波檢驗。

圖4 鏈式掃查器

4.2 編碼器

采用鏈式掃查器執行自動或半自動掃查時，探頭將在移動軸上進行位置編碼（通常為周向單軸編碼），以提供相對于參考起始點的位置信息，因此編碼器必須經過校準。

4.2.1 編碼器分辨率

移動編碼器至已知距離的初始標記點A處，設定當前位置，再將編碼器移動到第二個標記點B處，輸入B-A之間的距離，此時編碼器校準完畢，儀器上將顯示編碼器分辨率和掃查分辨率，校準結果如表5所示。標準規定編碼器掃查分辨率不應大于2.0mm,分辨率為12.8步/mm。

4.2.2 編碼器精度

編碼器經過校準后，能提供相對于參考起始位置的準確信息。但在校準間隔不超過一個月或使用前，還需要核查編碼器精度。

表5 編碼器校準結果

實際檢驗前應根據掃查計劃中熔接接頭分段掃查長度進行核查，但核查時編碼器移動距離至少500mm，要求距離精確度為掃查總長度的1%或10mm中的較小值，實際核查結果如表6所示。

表6 編碼器核查

5 數據采集系統參數

5.1 脈沖寬度

脈沖寬度（Pulse Width簡稱PW）是指用于激勵換能器元件的高壓方波脈沖的持續時間。檢驗時脈沖寬度應根據式（2）進行校準，其中fc為探頭中心頻率。

5.2 掃查速度與采集速率

為了避免數據采集過程中出現丟幀，必須要考慮編碼器掃查分辨率及探頭移動的速度，即儀器的數據采集速率必須大于等于掃查速度除以編碼器分辨率的商，如式（3）所示[6]。

采集速率可在儀器的參數設置確定，通常在儀器設置采集速率列表中，選擇自動最大得到所允許的最大采集速率。

采集速率被確定后，就可以基于所需的編碼器掃查分辨率，計算出最大掃查速度。否則在掃查速度過高的情況下會出現如圖5中的數據圖像丟幀情況。

圖5 掃查速度影響采集速率的示例

5.3 平均

為當前組選擇一個平均值（n=1、2、4、8、16）。信號平均是比較簡單的信號處理，平均功能有助于減少回波信號上的噪聲，平均值1表明沒有使用平均功能。檢驗工藝驗證后，在實際檢驗中將平均值選為4，依據式（4），平均后能將信噪比提高2倍。

5.4 點數和壓縮因數

點數用于設置所要存儲的A掃描點的數量。這個參數可以被設置為自動模式，根據檢測范圍，自動調整點數和壓縮因數，以確保將點數控制在320～640之間。

壓縮是根據位置和最大振幅減少采樣數據點的數量，A掃描的壓縮比為4:1的示例如圖6所示，壓縮在不影響缺陷檢測的情況下減小文件大小，壓縮因數直接與A掃描范圍和點數相關[7]。

因此，點數和壓縮因數，直接與數據文件大小相關。

5.5 數字化頻率

數字化頻率是射頻掃描采用所需時間間隔的倒數，數字化頻率決定了特定傳輸時間范圍內樣本的數量，如圖7所示，標準規定儀器的數字化頻率應至少為探頭中心頻率的5倍。要將振幅誤差降至1%以下，數字化頻率通常應大于等于探頭中心頻率的10倍。

6 靈敏度校準與核查

6.1 靈敏度校準

將探頭放置在標準試塊表面，探頭中心應位于試塊表面中心線上，選擇孔深與電熔接頭管件厚度接近的長橫孔進行檢驗，調節檢驗設備的參數，直至獲得的圖像有足夠的分辨力和靈敏度，并可以鑒別每一個長橫孔反射體。

圖6 A掃描的壓縮比為4:1的示例

圖7 射頻信號數字化頻率示例

6.2 靈敏度核查

如果核查時使用的最深反射體的距離范圍點偏移超過距離讀數的10%或掃描全長的5%（取較大值），應修正距離范圍并在檢驗記錄中注明。上一次有效校準或校準核查以來的所以記錄的顯示應重新檢驗，其量值應在數據表修改或重新記錄。

如果校準時使用的最深反射體的靈敏度設置變化在4dB以內，應在執行數據分析時補償差異，并在檢驗記錄中注明校正。如果靈敏度設置變化超過4 dB，則應重新檢驗。

7 結語

（1）檢驗設備器材的可靠性是影響檢驗工作質量最重要的因素，為保證檢驗結果正確可靠，必須保證所用設備與器材符合檢驗標準的技術要求；

（2）對檢驗所使用的設備器材定期進行測試校準，保證在有效期內使用，保證檢驗結果具有可靠性；

（3）檢驗設備器材滿足標準規定的最低要求有時是不夠的，對于檢驗特定產品所使用的設備器材，還需要滿足特殊要求；

（4）不同的檢驗設備器材，即使是同型號的，可能會存在一些性能差異，所以相關檢驗參數校準操作的程序化、規范化、標準化，可以保證檢驗相同產品時檢驗結果具有一致性、可再現性；

（5）隨著現代科學技術的發展，圖像處理、自動控制等技術在無損檢驗技術上獲得廣泛應用，高靈敏度、高可靠性、高效率的無損檢驗設備器材和檢驗方法是未來發展的趨勢。