壓水堆核電廠核級(jí)板材超聲檢測標(biāo)準(zhǔn)淺析

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（深圳中廣核工程設(shè)計(jì)有限公司，深圳 518124）

壓水堆核電廠一回路的設(shè)備中，如蒸汽發(fā)生器、穩(wěn)壓器等壓力容器的筒體大多采用板材卷制后焊接的制造工藝。這類筒體是一回路和二回路的承壓邊界，屬于核一級(jí)部件。鑒于這類板材絕大部分在國外采購的現(xiàn)狀，在具體實(shí)施過程中，存在不同標(biāo)準(zhǔn)體系下如何正確地使用標(biāo)準(zhǔn)，合理地制定驗(yàn)收準(zhǔn)則的問題。

目前，關(guān)于這類板材的超聲波檢驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)主要有法國標(biāo)準(zhǔn)RCCM［1]（壓水堆核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則）、ASME［2]核電廠規(guī)范第Ⅲ卷核設(shè)施部件建造規(guī)則，國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)GB/T2970厚鋼板超聲波檢驗(yàn)方法。

1 概述

鑒于三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來自于不同的工業(yè)體系，超聲波檢驗(yàn)方法大多引用歐洲或美國的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。在編制核級(jí)板材的采購技術(shù)條件時(shí)，一般做法是在這些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的基礎(chǔ)上增加補(bǔ)充規(guī)定。主要引用的基礎(chǔ)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)如下：

EN 10160《厚度大于等于6 mm鋼板的超聲波檢測》；

ASME SA－577/SA－577M《鋼板超聲波斜射波檢驗(yàn)》；

ASME SA－578/SA－578M《特殊用途普通鋼板與復(fù)合鋼板超聲直射波檢驗(yàn)》。

RCCM是建立在法國工業(yè)體系上的標(biāo)準(zhǔn)，引用了歐標(biāo)EN 10160作為核級(jí)板材的超聲檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，考慮到核工業(yè)的特殊性，RCCM MC2400在此基礎(chǔ)上修訂和補(bǔ)充了一些規(guī)定，使其適用核電工業(yè)的要求。GB/T 2970是國內(nèi)較為常用的適用于鍋爐、壓力容器、橋梁等方面鋼板超聲波檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。ASME標(biāo)準(zhǔn)國內(nèi)使用較多，在此不再贅述。另外，對(duì)于厚度小于6 mm的鋼板，工程上稱之為薄板，薄板的超聲波檢驗(yàn)使用板波法［3]。

2 分析比較

2.1 探頭

三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)探頭的頻率、尺寸和探頭類型進(jìn)行了規(guī)定。

EN10160規(guī)定探頭的頻率在2～5 MHz，探頭整體尺寸在10～25 mm的范圍，探頭的型式取決于鋼板厚度，鋼板的名義厚度或任意不連續(xù)區(qū)域的深度為6 mm≤e＜60 mm時(shí)，探頭型式為雙晶探頭；60 mm≤e＜200 mm時(shí)，探頭型式為單晶或雙晶探頭。

例外情況，當(dāng)滿足以下條款中的任意一條時(shí)，可以選用超出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定頻率、尺寸的探頭：① 當(dāng)采用自動(dòng)檢測或半自動(dòng)檢測的方法時(shí)。② 為了滿足本標(biāo)準(zhǔn)的要求，被檢測鋼板的聲學(xué)性能衰減顯著時(shí)。

ASME規(guī)定在直射波檢驗(yàn)時(shí)，推薦采用2.5 MHz的檢測頻率，探頭晶片尺寸為25或30 mm直徑或長度為25 mm的正方形探頭。推薦采用2.25 MHz的檢測頻率，當(dāng)被檢鋼板厚度小于20 mm，可采用5 MHz的頻率。斜射波檢驗(yàn)時(shí)，探頭的有效長度和寬度規(guī)定最小12.5 mm，最大為25 mm，探頭角度應(yīng)為45°，檢驗(yàn)頻率應(yīng)能探測出所要校準(zhǔn)刻槽的最高頻率，且信噪比大于3。

GB/T 2970按照待檢板材厚度，規(guī)定探頭的頻率，當(dāng)板厚為6 mm≤e≤13 mm，探頭型式為雙晶探頭，頻率為5 MHz；當(dāng)板厚為13 mm＜e≤60 mm，探頭型式為雙晶或單晶，頻率不小于2.0 MHz；當(dāng)板厚大于60 mm，探頭型式為單晶探頭，頻率不小于2.0 MHz。

分析比較，無論采用哪種檢測標(biāo)準(zhǔn)，選用哪種探頭，其目的是保證有效檢出探測區(qū)的缺陷。三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)均給出了探頭尺寸的限值，在滿足標(biāo)準(zhǔn)的前提下，應(yīng)該選擇適宜于被檢件的探頭型式和探頭頻率。EN10160規(guī)定自動(dòng)化和半自動(dòng)化的檢驗(yàn)可以不受標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范限制，隨著工業(yè)化水平的提升，自動(dòng)化檢測是發(fā)展趨勢，這項(xiàng)規(guī)定更適用于實(shí)際操作和先進(jìn)技術(shù)的推廣使用。ASME的規(guī)定相對(duì)寬泛，提供給檢測者更多的選擇空間。GB/T 2970的要求相對(duì)嚴(yán)格，并且對(duì)不同厚度的鋼板規(guī)定了探頭的型式和頻率，符合國內(nèi)的使用習(xí)慣。對(duì)于厚度小的薄板，選用雙晶探頭和5 MHz的頻率，減少了盲區(qū)，提高了檢測精度。

2.2 聲衰減的特殊規(guī)定

在超聲檢測中，由于被檢板材表面的耦合不良，以及板材在軋制過程中易產(chǎn)生分層和折疊等平面性缺陷等因素，會(huì)出現(xiàn)反射波大幅衰減的情況。各標(biāo)準(zhǔn)對(duì)衰減進(jìn)行了限制規(guī)定，EN10160認(rèn)為聲衰減是影響缺陷判斷的重要因素，在RCCM MC2413中補(bǔ)充了聲衰減的測量，見圖1。探測底波衰減大于18 dB的區(qū)域，并在報(bào)告中記錄，評(píng)定該區(qū)域內(nèi)的顯示時(shí)，應(yīng)考慮聲衰減的情況后進(jìn)行修正。

圖1中，1為始脈沖；2為平底孔回波；3為基準(zhǔn)靈敏度水平；4為第一次底面回波；5為第二次底面回波；6為第一次底面回波－18 dB時(shí)的波幅高度；7為第二次底面回波－18 dB時(shí)的波幅高度。

圖1 板材超聲檢測底面回波衰減示意圖

ASME在NB 2532的驗(yàn)收準(zhǔn)則中規(guī)定，對(duì)板材任一區(qū)域存在一個(gè)或幾個(gè)不連續(xù)缺陷，使在同一平面上產(chǎn)生連續(xù)顯示的同時(shí)，出現(xiàn)連續(xù)的底面反射波完全消失，消失區(qū)域75 mm的圓所包圍的范圍不可接受。GB/T 2970沒有對(duì)聲衰減相關(guān)的規(guī)定，但要求對(duì)于底面第一次反射波低于滿刻度的50%的信號(hào)應(yīng)予以記錄。

三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)聲衰減的規(guī)定不同，在ASME規(guī)范中強(qiáng)調(diào)底波完全消失，但同時(shí)伴隨出現(xiàn)連續(xù)的顯示，這樣的描述直觀、形象。EN10160中沒有聲衰減的描述，RCCM標(biāo)準(zhǔn)中補(bǔ)充了相關(guān)規(guī)定，充分說明對(duì)聲衰減的重視，標(biāo)準(zhǔn)不僅規(guī)定了18dB的限值，而且詳細(xì)描述了聲衰減的測量方法。顯然，這種處理方式更具有操作性和參考使用價(jià)值。

2.3 靈敏度的調(diào)節(jié)

鋼板檢測以直射波檢測為主，有特別規(guī)定時(shí)，例如ASME規(guī)定公稱厚度不大于50 mm用于制作管件、泵和閥門的鋼板，應(yīng)在鋼板的一面進(jìn)行橫波斜射法超聲檢測。各標(biāo)準(zhǔn)并未明確規(guī)定壓力容器用的板材是否進(jìn)行橫波斜射法檢驗(yàn)，一般按照相關(guān)的設(shè)計(jì)文件和采購雙方的協(xié)議要求執(zhí)行。

直射縱波檢驗(yàn)的靈敏度調(diào)節(jié)方法主要有底波法、參考反射體法。EN 10160規(guī)定采用參考反射體法，ASME根據(jù)NB 2532的檢驗(yàn)準(zhǔn)則，可以判斷為底波法，GB/T 2970采用底波法。

EN 10160根據(jù)不同的質(zhì)量驗(yàn)收等級(jí)選用不同的參考反射體（不同尺寸的平底孔），例如質(zhì)量等級(jí)為S3和E4，選用的參考反射體為5 mm平底孔。當(dāng)選用雙晶直探頭時(shí)，只允許選用5 mm的平底孔，原因是當(dāng)選用8 mm或11 mm平底孔時(shí)，會(huì)導(dǎo)致底波的靈敏度曲線難以評(píng)定。距離波幅曲線由兩條曲線組成，一條是利用不同深度的平底孔分別做出11，8，5 mm孔徑的特征曲線；另外一條是利用階梯試塊，作出一條底波幅值變化的特征曲線。在檢驗(yàn)時(shí)，根據(jù)被檢鋼板的厚度，調(diào)整無缺陷區(qū)底波的高度到底波特征曲線上，作為基準(zhǔn)靈敏度。掃查缺陷時(shí)，缺陷回波高度利用平底孔特征曲線作為判定和驗(yàn)收的參考線。

ASME規(guī)定進(jìn)行一般掃查時(shí)，調(diào)節(jié)儀器使其能從鋼板無缺陷區(qū)域的底波產(chǎn)生相當(dāng)于50%到90%滿波幅的第一次反射信號(hào)。監(jiān)督靈敏度的調(diào)整使與表面粗糙度相適應(yīng)。如果在一般掃查時(shí)發(fā)現(xiàn)有不連續(xù)性缺陷，調(diào)節(jié)儀器使其能從鋼板無缺陷區(qū)域的底波產(chǎn)生相當(dāng)于75%±5%滿幅度的第一次反射信號(hào)。在評(píng)定不連續(xù)性情況時(shí)，應(yīng)保持這一儀器調(diào)整值。

GB/T 2970規(guī)定用壓電探頭時(shí)，靈敏度應(yīng)計(jì)入對(duì)比試樣與被檢鋼板之間的表面耦合聲能損失。用雙晶直探頭時(shí)，在同厚度鋼板上將第一次反射波高度調(diào)整到滿刻度的50%，再提高靈敏度10 dB作為檢驗(yàn)靈敏度。用單晶直探頭檢驗(yàn)時(shí)，按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的平底孔試塊的第一次反射波高等于滿刻度的50%來校準(zhǔn)。

比較分析，三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的靈敏度調(diào)節(jié)差異較大，ASME和GB/T 2970采用底波法，但GB/T 2970選用的底波參考試塊與ASME的大平底試塊是不同的。GB/T 2970在板厚小于60 mm時(shí)，采用的雙晶直探頭檢驗(yàn)對(duì)比試樣同ASME采用的底波法是一致的。但當(dāng)板厚大于60 mm后，采用單晶直探頭，參考反射體為直徑5 mm的平底孔，檢驗(yàn)面到平底孔的距離隨著鋼板的厚度增加，見表1。

表1 GB/T 2970單晶直探頭對(duì)比試塊 mm

ASME要求的靈敏度調(diào)節(jié)易于操作，方法簡單，用底波作為參考線評(píng)定缺陷；GB/T 2970的規(guī)定相對(duì)復(fù)雜，在缺陷測定時(shí)，同時(shí)考慮缺陷反射波和底面波；EN10160的特點(diǎn)是對(duì)缺陷和底波衰減分別予以評(píng)定［4]，同時(shí)利用兩條特征曲線，在給定厚度的情況下，底波構(gòu)成的曲線能夠動(dòng)態(tài)的監(jiān)視底波的變化情況。一般情況下，造成底波大幅下降的兩個(gè)原因，一種可能是表面耦合情況不良，另一種可能是出現(xiàn)了分層、折疊等缺陷。但無論哪種情況，這種方法都能夠保證及時(shí)發(fā)現(xiàn)底波下降的區(qū)域，及時(shí)采取補(bǔ)償?shù)却胧?。另外一條由平底孔構(gòu)成的曲線，作為評(píng)定和驗(yàn)收，判斷缺陷是否超過限值。在實(shí)際操作中，這是一種行之有效且值得推薦的探傷方法。

2.4 板邊緣的掃查和劃分

板邊緣區(qū)是超聲檢測中重點(diǎn)關(guān)注的區(qū)域，三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)板邊緣區(qū)均有相應(yīng)的規(guī)定。鋼板邊緣區(qū)的劃分直接影響到鋼板的掃查計(jì)劃和驗(yàn)收準(zhǔn)則。

EN10160規(guī)定鋼板的四個(gè)板邊緣區(qū)進(jìn)行100%的掃查，板邊緣區(qū)的劃分，鋼板的厚度為6 mm≤e＜50 mm時(shí)，板邊緣寬度為50 mm；鋼板的厚度為50 mm≤e＜100 mm時(shí)，板邊緣寬度為75 mm；鋼板的厚度為100 mm≤e＜200 mm時(shí)，板邊緣寬度為100 mm。

ASME規(guī)定掃查應(yīng)沿標(biāo)稱中心距225 mm的正交格子線，或按制造廠的方案，沿垂直于鋼板主軸線的標(biāo)稱中心距為100 mm的平行線，或是沿平行于鋼板主軸線中心距75 mm或更小的平行線掃查，掃查線應(yīng)從鋼板的中心或某個(gè)頂角量起，并在掃描面上距離鋼板所有邊緣不到50 mm處補(bǔ)加一條掃查線。

GB/T 2970規(guī)定探頭垂直于鋼板壓延方向、間距不大于100 mm的平行線進(jìn)行掃查，在鋼板周圍50 mm（板厚大于100 mm時(shí)，取板厚的一半）及坡口預(yù)訂線兩側(cè)各25 mm內(nèi)沿周邊進(jìn)行掃查。

EN 10160按厚度規(guī)定邊緣區(qū)，厚度越大，板邊緣區(qū)就越大；ASME簡化處理，統(tǒng)一規(guī)定50mm；GB/T 2970以100mm的鋼板厚度為界限。例如鋼板厚度80mm，根據(jù)三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定板邊緣區(qū)分別為：75，50，50mm，顯然 EN 10160的區(qū)域最大，相比其它兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)更為嚴(yán)格。GB/T 2970規(guī)定剖口預(yù)訂線的位置，是實(shí)際執(zhí)行中的難點(diǎn)，在鋼板的采購階段，設(shè)備制造單位一般很難提供坡口預(yù)訂線的詳細(xì)位置，原因可能是設(shè)備制造單位缺乏預(yù)先的工藝設(shè)計(jì)和制造經(jīng)驗(yàn)，其結(jié)果是造成鋼板的供貨方無法執(zhí)行此項(xiàng)要求。因此，鋼板采購單位應(yīng)在采購板材前，預(yù)先考慮鋼板的坡口位置，向鋼板的供貨方提供準(zhǔn)確的焊接坡口預(yù)定線，避免后續(xù)無法按照標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，導(dǎo)致不必要的不符合項(xiàng)。

2.5 質(zhì)量等級(jí)和驗(yàn)收

EN10160對(duì)鋼板的驗(yàn)收分為三個(gè)部分，板材區(qū)域、板邊緣區(qū)域和待焊接區(qū)域，在每個(gè)區(qū)域按照從低到高的原則劃分為四個(gè)質(zhì)量等級(jí)。簡要摘錄見表2，3。E3等級(jí)允許的缺陷個(gè)數(shù)限定在平底孔曲線8與11mm區(qū)間的范圍。E4等級(jí)允許的缺陷個(gè)數(shù)限定在平底孔曲線5mm與8mm區(qū)間的范圍。

表2 鋼板區(qū)域雙晶直探頭質(zhì)量等級(jí)和驗(yàn)收

表3 邊緣區(qū)質(zhì)量等級(jí)和驗(yàn)收準(zhǔn)則

ASME的驗(yàn)收沒有按區(qū)域劃分，驗(yàn)收要求如下：

（1）在板材的任一區(qū)域中，存在一個(gè)或幾個(gè)缺陷，使在同一平面上產(chǎn)生連續(xù)顯示的同時(shí)出現(xiàn)連續(xù)的底面反射波完全消失，且消失的區(qū)域不能被直徑75mm或一半板厚的圓（取大者）所包圍，則為不可接受。

（2）對(duì)于小于（1）中規(guī)定的兩個(gè)或兩個(gè)以上的缺陷。若缺陷間的最小距離小于較大缺陷的最大直徑，或者缺陷的分布面積大于（1）中所述的圓的面積，這些缺陷也為不可接受。

GB/T 2970規(guī)定板材區(qū)域按質(zhì)量等級(jí)分為四級(jí)，見表4。板邊緣區(qū)（板厚大于100mm時(shí)，取板厚一半）可檢驗(yàn)區(qū)域內(nèi)及坡口預(yù)定線兩側(cè)各25mm內(nèi)，單個(gè)缺陷的指示長度不得大于或等于50mm。

表4 GB/T 2970鋼板質(zhì)量等級(jí)和驗(yàn)收準(zhǔn)則

2.6 不同區(qū)域驗(yàn)收的討論

由于三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的檢測方法的不同，造成驗(yàn)收準(zhǔn)則差異很大。對(duì)板邊緣區(qū)的劃分，EN10160和GB/T 2970將板材劃分為三個(gè)區(qū)域（板邊緣區(qū)、非邊緣區(qū)、待焊接剖口預(yù)定線區(qū)），規(guī)定了每個(gè)區(qū)域的驗(yàn)收準(zhǔn)則，板邊緣區(qū)和坡口預(yù)定線兩側(cè)區(qū)域的驗(yàn)收比板材區(qū)域嚴(yán)格。在實(shí)際工程中，采購方更愿意選用這種方式，一方面有利于采購方控制板材的質(zhì)量，另一方面有利于保證后續(xù)的焊接質(zhì)量。一般情況下，對(duì)于焊縫的檢驗(yàn)，熱影響區(qū)按照焊縫的質(zhì)量等級(jí)驗(yàn)收，而焊縫的驗(yàn)收準(zhǔn)則往往高于板材。為了規(guī)避鋼板待焊接區(qū)域按照焊縫的質(zhì)量等級(jí)驗(yàn)收，造成該區(qū)域驗(yàn)收不合格的風(fēng)險(xiǎn)，提高該區(qū)域的驗(yàn)收等級(jí)是一種有效地的控制手段。在制定采購技術(shù)文件時(shí)，甚至可以規(guī)定待焊接的區(qū)域按焊縫標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)收。但是，如果這樣規(guī)定，會(huì)帶來另外一個(gè)衍生的問題，因?yàn)楹缚p的檢驗(yàn)方法與板材的檢驗(yàn)方法不同，焊縫的檢驗(yàn)方法不僅包括縱波直射法，還包括橫波斜射法，另外，二者的檢驗(yàn)靈敏度（參考反射體）也不同。因此，不能單純地提高驗(yàn)收等級(jí)，而是應(yīng)劃定區(qū)域的性質(zhì)，再按相應(yīng)的焊縫或板邊緣區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。建議在鋼板的采購合同中補(bǔ)充規(guī)定，如果對(duì)整個(gè)板材執(zhí)行橫波斜射法檢驗(yàn)，那么對(duì)板邊緣區(qū)可以要求橫波斜射法檢驗(yàn)。如果采購時(shí)沒有要求，可免除橫波斜射法檢驗(yàn)。另外值得注意的是，GB/T 2970雖然對(duì)板材的三個(gè)區(qū)域采用不同的驗(yàn)收準(zhǔn)則，但采用的驗(yàn)收準(zhǔn)則與板材區(qū)域是一致的，唯一的不同是提高了板邊緣區(qū)和焊接坡口預(yù)定線的待焊接區(qū)域的驗(yàn)收等級(jí)；EN 10160對(duì)板邊緣區(qū)規(guī)定了五個(gè)等級(jí)（E0－4），不僅劃分了等級(jí)，而且對(duì)板邊緣區(qū)的缺陷重新進(jìn)行了定義，不僅評(píng)定缺陷的面積，同時(shí)評(píng)定缺陷的指示長度。按照缺陷的長度確定質(zhì)量等級(jí)，見表3和圖2。這種規(guī)定更為嚴(yán)格，合理。在編制采購技術(shù)要求時(shí)，為編制者提供了更大的選擇空間，大大增強(qiáng)了板邊緣區(qū)質(zhì)量的可控性。圖2中，1為鋼板邊緣區(qū)寬度；2為掃查線；3為d≤L2，則S＝S1＋S2；4為鋼板扎制方向；5為鋼板邊緣；6為被檢測的鋼板；7為指示寬度；8為指示長度。

圖2 EN 10160鋼板缺陷示意圖

3 結(jié)語

通過以上分析比較以及工程實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)反饋，在對(duì)核級(jí)板材制定超聲波檢驗(yàn)時(shí)，可以增加和考慮以下幾點(diǎn)：

（1）充分考慮鋼板檢測的自動(dòng)化的現(xiàn)狀，當(dāng)采用自動(dòng)檢測或半自動(dòng)檢測的方法時(shí)，在保證檢驗(yàn)靈敏度的前提下，可以選用超出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定頻率和尺寸的探頭。

（2）重視在鋼板檢測中的聲衰減，可以借鑒RCCM MC2413對(duì)衰減的測量規(guī)定，探測底波衰減大于18 dB的區(qū)域，避免上述區(qū)域影響缺陷的檢測和評(píng)定。在評(píng)定該區(qū)域內(nèi)的顯示時(shí)，應(yīng)考慮聲衰減后修正。

（3）靈敏度的調(diào)節(jié)，建議采用兩條特征曲線，一條參考反射體的特征曲線，一條底波幅值變化曲線。對(duì)發(fā)現(xiàn)底波下降的區(qū)域，及時(shí)采取補(bǔ)償?shù)却胧?/p>

（4）板邊緣區(qū)的劃分，預(yù)先劃分板材區(qū)域，對(duì)非邊緣區(qū)、邊緣區(qū)制定不同的質(zhì)量等級(jí)和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

（5）對(duì)于坡口預(yù)定線的待焊區(qū)域，確定該區(qū)域的范圍，驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)可按照焊縫的質(zhì)量等級(jí)評(píng)定。

［1]RCC－M（2000＋2002addendum） Design and construction rules for mechanical components of PWR nuclear islands［S].

［2]ASME 2004 Boiler ＆pressure vessel code［S].

［3]鄭暉，林樹青.全國特種設(shè)備無損檢測人員資格考核統(tǒng)編教材超聲檢測［M].北京：中國勞動(dòng)社會(huì)保障出版社，2008：216.

［4]許青陽.EN10160標(biāo)準(zhǔn)在鋼板超聲波檢測中的應(yīng)用［J].無損檢測，2010，32（10）：799－806.