柯濤　丁松　余其濤　楊金莉　盧威

【摘 要】介紹了安全端焊縫的相控陣超聲檢驗(yàn)技術(shù)方案，闡述了研究過(guò)程中相控陣探頭的關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)，相控陣超聲檢驗(yàn)探頭布置方式、數(shù)據(jù)分析方法、以及與常規(guī)超聲技術(shù)對(duì)比分析。結(jié)合檢驗(yàn)技術(shù)要求，采用理論分析、數(shù)值模擬以及試驗(yàn)比對(duì)等多種手段相結(jié)合的方式，結(jié)果表明：通過(guò)仿真及試驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)的相控陣探頭，可以有效替代多種常規(guī)檢測(cè)探頭，設(shè)計(jì)的相控陣檢測(cè)技術(shù)的檢測(cè)及定量能力優(yōu)于常規(guī)探頭，并能有效減少現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)時(shí)間。

【關(guān)鍵詞】反應(yīng)堆壓力容器；異種金屬焊縫；超聲相控陣；核電廠

中圖分類號(hào)： TG441.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）14-0053-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.14.023

Ultrasonic Phased Array Technique Research for Safe-end Weld of Nuclear Reactor Pressure Vessel

KE Tao DING Song YU Qi-tao YANG Jin-li LU Wei

（China Nuclear Power Operation Technology Corporation Ltd.，Wuhan Hubei 430223，China）

【Abstract】This article introduces technical scheme of ultrasonic phased array testing for safe-end weld of nuclear reaction pressure vessel，key technology and layout of probe，data analysis method and technology analysis compared with conventional ultrasonic method are also stated in this paper.According to requirement of testing technology，theoretical analysis，numerical simulation and contrast test are combined used in this paper.The results show that ultrasonic phased array probes which were proved by the numerical simulation and contrast test can instead of multiple conventional ultrasonic probe，meanwhile，the detection and sizing of designed ultrasonic phased array probe for the defect are superior to conventional ultrasonic probe，and inspection time in nuclear power plant can be effectively reduced.

【Key words】Reactor pressure vessel；Dissimilar metal weld；Ultrasonic phased array；Nuclear power plant

0 前言

安全端焊縫是多種不同材料構(gòu)成的異種金屬焊縫，采用多層多道焊焊接工藝。因此該位置冶金、金相組織結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在較粗大的柱狀晶；焊接過(guò)程中比較容易產(chǎn)生制造缺陷，這種制造過(guò)程中的缺陷，在長(zhǎng)期高溫、高壓、輻照的在役條件下，可能成為疲勞、晶間腐蝕等問(wèn)題的源發(fā)地[1-3]。因此為保障安全端材料不受電化學(xué)因素的作用和防止一回路介質(zhì)的腐蝕，在壓力容器接管側(cè)內(nèi)壁還堆焊有奧氏體鋼堆焊層，由于該基體（鐵素體）、預(yù)堆邊（Inconel合金或不銹鋼）和堆焊層（不銹鋼）三者之間熱膨脹系數(shù)不一致，因此在安全端預(yù)堆邊焊位置發(fā)生早期失效的可能性遠(yuǎn)大于容器其余位置。[4]所以定期對(duì)接管安全端焊縫進(jìn)行超聲檢驗(yàn)顯得十分必要，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)焊縫中產(chǎn)生的危險(xiǎn)性缺陷，并對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確定量，為缺陷的分析和評(píng)定提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，使其得到盡快處理，從而維護(hù)和保障核電設(shè)施的安全。

隨著我國(guó)核電事業(yè)的發(fā)展，核電站核反應(yīng)堆數(shù)量不斷增加，承擔(dān)的反應(yīng)堆壓力容器超聲檢驗(yàn)任務(wù)愈加頻繁，業(yè)主對(duì)檢驗(yàn)質(zhì)量，檢驗(yàn)效率和檢驗(yàn)工期的要求也越來(lái)越高。目前國(guó)內(nèi)對(duì)于接管安全端焊縫的檢驗(yàn)廣泛采用TRL技術(shù)。此技術(shù)采用多角度，多種聚焦深度的雙晶探頭進(jìn)行分層檢查，周向和軸向探頭數(shù)量多達(dá)幾十個(gè)。在電站大修檢驗(yàn)中，接管安全端的檢驗(yàn)工作從前期的探頭標(biāo)定、設(shè)備調(diào)試到后續(xù)的上堆正式檢查所需的工作量約占?jí)毫θ萜鳈z驗(yàn)總工作量的20%左右。

因此，筆者在研制開(kāi)發(fā)高效可靠的新掃查裝置的同時(shí)，在已有較成熟的常規(guī)超聲檢驗(yàn)技術(shù)基礎(chǔ)上，開(kāi)展接管安全端焊縫相控陣超聲檢驗(yàn)應(yīng)用技術(shù)方面的分析和研究，設(shè)計(jì)出先進(jìn)、可靠、快捷的可應(yīng)用于核電現(xiàn)場(chǎng)反應(yīng)堆壓力容器接管安全端焊縫相控陣超聲檢驗(yàn)技術(shù)，發(fā)揮相控陣檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，提高反應(yīng)堆壓力容器接管安全端焊縫超聲檢驗(yàn)的工作效率，縮短檢驗(yàn)作業(yè)時(shí)間，減少核電大修窗口時(shí)間，減少人員所受的輻射劑量，將具有很大的市場(chǎng)需求和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

1 反應(yīng)堆壓力容器接管安全端焊縫相控陣超聲檢驗(yàn)技術(shù)

1.1 相控陣探頭設(shè)計(jì)

考慮以原有成熟的常規(guī)超聲檢測(cè)技術(shù)為基礎(chǔ)，保留常規(guī)0°雙晶探頭，其他探頭統(tǒng)一采用二維雙晶縱波（TRL）相控陣探頭來(lái)替代常規(guī)TRL探頭：

采用1個(gè)TRL二維相控陣縱波探頭（Ⅰ型），替代常規(guī)技術(shù)中37°、45°深焦和60°、70°淺焦探頭。

采用1個(gè)TRL二維相控陣縱波探頭（Ⅱ型），替代常規(guī)技術(shù)中45°淺焦探頭。

相控陣技術(shù)方案見(jiàn)表1。探頭掃查方式同常規(guī)超聲方法的掃查方式，掃查分為軸向掃查和周向掃查兩種方式，具體的掃查方式和掃查參數(shù)見(jiàn)表2。

按擬定的設(shè)計(jì)思路，筆者設(shè)計(jì)了兩種型式的相控陣探頭，探頭具體參數(shù)如下：

I型相控陣探頭2L2（7×4）-Pp3.5-Ps4.0-W19.5-R3

II型相控陣探頭4L2（1×3）-Pp9.0-Ps2.5-W17R5

1.2 相控陣探頭聲場(chǎng)仿真和法則驗(yàn)證

根據(jù)技術(shù)方案確定的參數(shù)進(jìn)行聲場(chǎng)模擬和法則驗(yàn)證，信息見(jiàn)表3，其聲場(chǎng)均無(wú)明顯柵波，-6dB焦距深度可覆蓋全厚度區(qū)域。

2 試驗(yàn)方法及試驗(yàn)結(jié)果

2.1 設(shè)備及試塊

采用DYNARAY（64/256PR）或DYNARAY-Lite（64/64PR）相控陣超聲儀器進(jìn)行試驗(yàn)，試塊為帶自然缺陷的異種金屬環(huán)焊縫試塊。其中試塊外徑為916mm，壁厚為90mm。試塊中缺陷為缺陷為平面型缺陷，缺陷類型為內(nèi)表面缺陷、外表面缺陷和埋藏缺陷。試塊中人工缺陷設(shè)計(jì)參數(shù)如表4所示。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

使用I型相控陣探頭（2L2（7×4）-Pp3.5-Ps4.0-W19.5-R3）設(shè)置聚焦法則37FD70、45FD10～70、60FD15、70FD10在參考試塊上制作好TGC曲線，對(duì)試驗(yàn)試塊上的9個(gè)缺陷進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)缺陷后，采用-6dB法進(jìn)行測(cè)長(zhǎng)，端點(diǎn)衍射法進(jìn)行測(cè)高。為了對(duì)比檢查結(jié)果，將相控陣的檢查結(jié)果同常規(guī)自動(dòng)超聲的檢查結(jié)果，以及缺陷的設(shè)計(jì)值進(jìn)行比較。試塊的檢測(cè)結(jié)果如表5所示。試塊內(nèi)表面開(kāi)口缺陷按照探頭產(chǎn)生的表面波均能準(zhǔn)確判斷檢測(cè)結(jié)果如圖1所示。

從檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果可以看出，采用的相控陣檢測(cè)技術(shù)，均可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)表面開(kāi)口平面型缺陷、埋藏缺陷和外表面開(kāi)口缺陷的檢測(cè)，相控陣探頭能夠?qū)崿F(xiàn)聲波對(duì)被檢安全端焊縫的全體積覆蓋。采用超聲相控陣技術(shù)的缺陷高度測(cè)量均方根誤差為2.0mm、長(zhǎng)度均方根誤差為6.7mm，均滿足ASME標(biāo)準(zhǔn)中的高度均方根小于3.2mm、長(zhǎng)度均方根小于19mm的要求[5]；采用常規(guī)自動(dòng)超聲檢查高度測(cè)量均方根誤差為3.0mm、長(zhǎng)度均方根誤差為6.9mm。

3 結(jié)語(yǔ)

本著提高反應(yīng)堆壓力容器接管安全端焊縫超聲檢驗(yàn)工作效率，縮短作業(yè)時(shí)間，減少核電大修關(guān)鍵路徑時(shí)間的原則，針對(duì)核電站反應(yīng)堆壓力容器接管安全端焊縫，提出采用相控陣檢查技術(shù)替代常規(guī)超聲自動(dòng)檢測(cè)。選用二維雙晶面陣探頭。利用聲場(chǎng)仿真和法則驗(yàn)證，模擬了相控陣探頭的覆蓋范圍。對(duì)含自然缺陷的異種金屬環(huán)焊縫試塊進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明：研究的相控陣技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)試塊全體積缺陷的檢測(cè)和定量，定量結(jié)果符合ASME規(guī)范的要求。如果通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化及改進(jìn)，該技術(shù)可以推廣到核電站反應(yīng)堆壓力容器接管安全端焊縫的檢測(cè)中。

【參考文獻(xiàn)】

[1]鄭輝，林樹(shù)青.超聲檢測(cè)[M].北京：中國(guó)勞動(dòng)社會(huì)保障出版社，2008，171-210.

[2]呂天明，劉金宏，李明，陳懷東，袁書(shū)現(xiàn).反應(yīng)堆壓力容器安全端異種金屬焊縫超聲檢查技術(shù)[J].無(wú)損檢測(cè)，2014，04：8-13.

[3]曾玉華，陳霞，王家建，盧威，陳勝宇.核電站反應(yīng)堆壓力容器接管安全端焊縫渦流檢測(cè)[J].無(wú)損檢測(cè)，2014，10：41-43.

[4]陳懷東，肖學(xué)柱，李明，劉金宏.核電站安全端異種金屬焊縫超聲檢查技術(shù)[J].無(wú)損檢測(cè)，2009，11：862-867.

[5]ASME規(guī)范XI卷[S].2004版.