聶 凱，付千發(fā)，蔡家藩

(中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)股份有限公司浙江分公司，海鹽 314300)

爆破閥是第三代核電技術(shù)AP1000轉(zhuǎn)讓及國產(chǎn)化的關(guān)鍵設(shè)備，其工作原理為利用電信號(hào)引爆炸藥，產(chǎn)生巨大的能量，快速?zèng)_擊以剪斷下部的剪切蓋，使閥門打開。爆破閥下部的剪切蓋是爆破閥工作的重要組成部分，在核電機(jī)組運(yùn)行期間，要依靠密閉的剪切蓋來保證爆破閥關(guān)閉時(shí)的密封性，確保含硼的水不會(huì)發(fā)生泄漏，其屬于一回路壓力邊界的一部分。

爆破閥剪切蓋與爆破閥本體的連接部分是一段11 mm厚的筒體不銹鋼鍛件，在長(zhǎng)期高溫、高壓、輻照的在役條件下，筒體鍛件的內(nèi)外表面易產(chǎn)生裂紋等危險(xiǎn)性缺陷，給機(jī)組的安全運(yùn)行帶來危害。因此在機(jī)組停堆大修期間，要對(duì)其實(shí)施無損檢測(cè)。筆者在機(jī)組大修前開展了技術(shù)研究，在無需對(duì)爆破閥進(jìn)行解體的條件下，選定了相控陣超聲和超聲表面波檢測(cè)相結(jié)合的檢測(cè)工藝，用于剪切蓋鍛件內(nèi)外表面的檢測(cè)。通過試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，該工藝取得了較好的檢測(cè)效果。

1 檢測(cè)工藝及探頭設(shè)計(jì)

1.1 檢測(cè)對(duì)象

檢測(cè)對(duì)象為AP1000核電機(jī)組爆破閥剪切蓋鍛件，材料為奧氏體型鎳基耐蝕合金，檢測(cè)區(qū)域?yàn)榧羟猩w與本體連接部分的筒體鍛件，內(nèi)外表面(整圈)的6.35 mm區(qū)域，檢測(cè)區(qū)域如圖1所示。

圖1 檢測(cè)區(qū)域示意

1.2 執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)產(chǎn)品制造與驗(yàn)收的技術(shù)規(guī)范，爆破閥剪切蓋鍛件根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASME NB-2500-2004要求，采用直射波或斜射波進(jìn)行超聲波檢測(cè)，直射波驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)滿足ASME NB-2542-2004和ASME SA-745-2004的QL-1級(jí)要求;斜射波驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)滿足ASME NB-2542-2004和ASME SA-745-2004的QA-1級(jí)要求。

1.3 檢測(cè)難點(diǎn)及思路分析

① 結(jié)構(gòu)復(fù)雜。既要檢測(cè)內(nèi)表面，又要檢測(cè)外表面，剪切蓋厚度僅為40 mm，可供探頭移動(dòng)的范圍不大。② 檢測(cè)要求較高。要求能檢測(cè)出各位置的裂紋類缺陷，且對(duì)缺陷的定量要有足夠的精確度。③ 奧氏體特性對(duì)超聲波的影響。超聲波在奧氏體粗晶組織晶界上的散射衰減會(huì)引起林狀回波，使信噪比下降；奧氏體組織的各向異性，會(huì)使超聲波的聲速和傳播方向發(fā)生改變，造成誤判[1]。④ 檢測(cè)環(huán)境復(fù)雜。檢測(cè)對(duì)象位于核電廠一回路邊界，周圍環(huán)境輻射劑量高且位置空間復(fù)雜，需要高效快捷地完成檢測(cè)。

基于上述原因，考慮爆破閥剪切蓋鍛件的內(nèi)外表面應(yīng)該采用不同的超聲檢測(cè)方法，其中內(nèi)表面應(yīng)使用多個(gè)角度的相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)，防止對(duì)某些取向或遠(yuǎn)離聲束軸線位置的裂紋造成漏檢，該技術(shù)也能比較直觀地顯示缺陷。對(duì)于剪切蓋鍛件外表面的檢測(cè)，考慮到滲透檢測(cè)效率低，且不易清洗的缺點(diǎn)，需要一種更高效的檢測(cè)方法，而超聲表面波在傳播的路徑上遇到一個(gè)細(xì)小的缺陷(如氣孔、裂紋等)時(shí)，在金屬與空氣相接觸的界面上就會(huì)發(fā)生反射，分析反射波即可得到缺陷的信號(hào)[2]，故其可作為檢測(cè)剪切蓋鍛件外表面缺陷的可靠方法。

1.4 超聲檢測(cè)探頭的設(shè)計(jì)

超聲檢測(cè)系統(tǒng)的核心是探頭，其性能的好壞直接影響超聲檢測(cè)系統(tǒng)的性能與缺陷檢測(cè)的結(jié)果[3]。爆破閥剪切蓋鍛件的內(nèi)外表面產(chǎn)生的缺陷主要是沿圓弧方向的裂紋，因此應(yīng)選擇對(duì)裂紋敏感的橫波探頭和表面波探頭。通過比較統(tǒng)一規(guī)則反射體對(duì)不同孔徑和頻率的探頭的反射信號(hào)，確定了使用5 MHz的線性陣列相控陣探頭，其尺寸設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 相控陣超聲探頭的設(shè)計(jì)尺寸示意

相控陣探頭設(shè)計(jì)的晶片數(shù)量為12 個(gè)，各晶片間距為0.5 mm，楔塊的型號(hào)為N55S，楔塊角度為36°，楔塊是由低衰減值的聚苯乙烯制成，聲速在2 200 m·s-1左右[4]。超聲表面波探頭采用與斜探頭相似的楔塊，當(dāng)橫波折射角為90°時(shí)，即產(chǎn)生超聲表面波，試驗(yàn)采用頻率為2.5 MHz，直徑為10 mm的表面波探頭，其波長(zhǎng)短，具有較高的靈敏度。

2 檢測(cè)設(shè)備與試驗(yàn)

2.1 超聲波探傷儀

采用Omniscan MX2型便攜式相控陣超聲探傷儀；采用廣東汕頭超聲電子股份有限公司的A型脈沖手動(dòng)超聲儀，型號(hào)為CTS-9006PLUS。

2.2 參考試塊

參考試塊主要用于基準(zhǔn)靈敏度的標(biāo)定，采用的參考試塊如圖3所示。

圖3 參考試塊的結(jié)構(gòu)示意

圖4 驗(yàn)證試塊外觀及結(jié)構(gòu)示意

2.3 驗(yàn)證試塊

為了進(jìn)一步驗(yàn)證工藝的缺陷檢測(cè)能力，設(shè)計(jì)制作了如圖4所示的驗(yàn)證試塊。試塊是采用與被檢工件同爐同批次的不銹鋼材料制造的，并且試塊的外形和尺寸與被檢件完全一致，消除了超聲波檢測(cè)因材質(zhì)和衰減差異產(chǎn)生的靈敏度誤差。試塊為圓環(huán)碗狀結(jié)構(gòu)。在圓環(huán)內(nèi)外側(cè)的不同位置共設(shè)有6個(gè)橫截面為矩形的圓弧槽，用其模擬爆破閥剪切蓋不同部位的裂紋缺陷。6個(gè)圓弧槽的尺寸均為10 mm×0.2 mm×0.3 mm(長(zhǎng)×寬×深)?？滩鄣恼w分布位置及局部位置如圖5，6所示。

圖5 刻槽的整體分布位置示意

圖6 刻槽的局部位置示意

2.4 試驗(yàn)實(shí)施

在相控陣超聲檢測(cè)實(shí)施前，要進(jìn)行探頭角度延遲補(bǔ)償[5]和靈敏度的標(biāo)定。將相控陣探頭放在驗(yàn)證試塊的外表面進(jìn)行軸向掃查(見圖7)；將表面波探頭放在驗(yàn)證試塊外表面進(jìn)行軸向掃查和徑向掃查(見圖8)。掃查過程中，探頭的掃查速度小于150 mm·s-1，且保證至少15 %的覆蓋率。記錄驗(yàn)證試塊上的缺陷信息，與設(shè)計(jì)的缺陷信息進(jìn)行對(duì)比，首先應(yīng)該滿足ASME(美國機(jī)械工程師協(xié)會(huì))不能漏檢的要求，其次長(zhǎng)度測(cè)量的結(jié)果要滿足均方根誤差不超過19 mm。

圖7 相控陣超聲探頭掃查示意

圖8 超聲表面波探頭掃查示意

2.5 試驗(yàn)結(jié)果

按照上述工藝對(duì)驗(yàn)證試塊進(jìn)行檢測(cè)后，各位置的共6個(gè)刻槽均被檢測(cè)出來，檢測(cè)結(jié)果如表1所示，使用-12 dB法記錄缺陷的長(zhǎng)度。各缺陷檢測(cè)信號(hào)如圖914所示。

表1 檢測(cè)結(jié)果匯總

圖9 1號(hào)槽檢測(cè)信號(hào)

圖10 2號(hào)槽檢測(cè)信號(hào)

圖11 3號(hào)槽檢測(cè)信號(hào)

圖12 4號(hào)槽檢測(cè)信號(hào)

圖13 5號(hào)槽檢測(cè)信號(hào)

圖14 6號(hào)槽檢測(cè)信號(hào)

從檢測(cè)結(jié)果可知,6個(gè)刻槽全部被檢測(cè)出來，且缺陷信號(hào)均具有很高的信噪比；相控陣掃查界面利于檢測(cè)人員快速、直觀地分辨缺陷，能快速和清晰地辨別缺陷信號(hào)與結(jié)構(gòu)信號(hào)；缺陷的長(zhǎng)度測(cè)量誤差滿足ASME均方根誤差不超過19 mm的驗(yàn)收準(zhǔn)則要求，即當(dāng)前檢測(cè)工藝滿足檢測(cè)要求。

3 結(jié)語

根據(jù)爆破閥剪切蓋鍛件結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，確定了相控陣超聲和超聲表面波檢測(cè)相結(jié)合的檢測(cè)工藝，包括探傷儀的選擇，探頭的選擇，試塊的設(shè)計(jì)等，使得爆破閥剪切蓋鍛件內(nèi)外表面的質(zhì)量檢測(cè)無死角，確保檢測(cè)的100 %可達(dá)性。對(duì)驗(yàn)證試塊的檢測(cè)以及現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用表明，該工藝基本能滿足質(zhì)量檢測(cè)的要求。

在AP1000核電機(jī)組停堆大修中，采用該工藝對(duì)爆破閥剪切蓋鍛件實(shí)施檢測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)操作方便快捷，檢測(cè)結(jié)果可靠。目前該技術(shù)已應(yīng)用在國內(nèi)多個(gè)同類型的核電機(jī)組中，取得了良好效果。