核電廠除氧器的超聲波成像檢測(cè)

趙 飛，孫林林，徐 聰，藍(lán) 錦，劉廣勝

(安徽強(qiáng)華電力發(fā)展有限公司，安徽 合肥 230000)

核電廠除氧器是為核電廠二回路提供合格水源的重要裝備，循環(huán)水流經(jīng)蒸汽發(fā)生器，蒸汽管道，汽輪機(jī)，循環(huán)泵等重要設(shè)備[1]。除氧器焊縫的質(zhì)量是核電廠長(zhǎng)期安全運(yùn)行的基礎(chǔ)，需要具有足夠的安全冗余。除氧器焊縫可能會(huì)產(chǎn)生氣孔、夾渣、裂紋、未焊透等焊接缺陷[2]，為了檢測(cè)焊接質(zhì)量，設(shè)計(jì)文件及安裝技術(shù)規(guī)范書中均要求對(duì)現(xiàn)場(chǎng)焊接焊縫進(jìn)行100%射線檢測(cè)。

射線檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是的底片以實(shí)物存儲(chǔ)，可以供多人觀看焊接結(jié)果，缺點(diǎn)是電離輻射傷害大，檢測(cè)效率低，損耗大，對(duì)厚壁焊縫中的微小型面狀缺陷、細(xì)小裂紋等容易漏檢。超聲衍射時(shí)差法檢測(cè)技術(shù)(以下簡(jiǎn)稱TOFD)和超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)(以下簡(jiǎn)稱PAUT)具有檢測(cè)效率快，檢出率高，損耗小，無電離輻射等優(yōu)點(diǎn)[3]，克服了X射線檢測(cè)的弊端，代替X射線檢測(cè)具有實(shí)際意義[4]?！冻袎涸O(shè)備無損檢測(cè)》(NB/T47013—2015)第10部分對(duì)承壓設(shè)備中TOFD的應(yīng)用進(jìn)行了規(guī)定，《火力發(fā)電廠焊接接頭相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)規(guī)程》(DL/T 1718—2017)對(duì)常規(guī)島及BOP建安中PAUT的應(yīng)用進(jìn)行了規(guī)定，這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)為TOFD和PAUT替代X射線提供了標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)。

1 工件概況

我國西南部某核電廠除氧器直徑為4.5 m，厚28 mm，其焊縫數(shù)量和尺寸都較大。安裝焊縫材質(zhì)為SA-516 GR70，規(guī)格δ=28 mm，焊接方式為手工電弧焊(SMAW)，屬于中、低溫壓力容器用碳鋼板，焊接性能較好。焊縫采用X型坡口，上半部分厚為20 mm，下半部分厚8 mm，上表面焊縫最寬處28 mm，下半部分焊縫寬15 mm。焊縫檢測(cè)區(qū)的寬度應(yīng)為焊縫本身加上焊縫熔合線兩側(cè)各10 mm，焊縫檢測(cè)區(qū)域的厚度應(yīng)為工件厚度加上焊縫余高。

2 試驗(yàn)方案

按照核電廠除氧器焊縫同參數(shù)制作模擬試樣，在各深度埋藏常見的典型缺陷，使用TOFD、PAUT和X射線照相進(jìn)行檢測(cè)，與缺陷的實(shí)際位置、長(zhǎng)度和高度進(jìn)行比較。

2.1 檢測(cè)設(shè)備

TOFD采用的試驗(yàn)設(shè)備為國內(nèi)某公司的PXUT-910系統(tǒng)。PAUT采用法國某公司的GEKKO相控陣檢測(cè)系統(tǒng)。

TOFD使用7.5 MHz，4 mm晶片的探頭組，楔塊為70°，探頭中心間距(PCS)為102.6 mm。PAUT檢測(cè)探頭為5 MHz，一維線性陣，32塊晶片的探頭組探頭及楔塊的主要參數(shù)如表1所示。

表1 TOFD探頭參數(shù)和PAUT探頭參數(shù)Table 1 TOFD probe parameters and PAUT probe parameters

TOFD檢測(cè)使用CSK-IA/20試塊進(jìn)行系統(tǒng)性能校準(zhǔn)，使用TOFD-B作為對(duì)比試塊，掃查面盲區(qū)高度試塊測(cè)定試塊掃查面盲區(qū)高度,聲束擴(kuò)散角試塊測(cè)定聲束擴(kuò)散角。PAUT采用CSK-IA/20試塊進(jìn)行系統(tǒng)性能校準(zhǔn)，使用CSK-IIA-1/20試塊制作TCG曲線，按47013.3表27設(shè)定曲線，評(píng)定線φ2×40-18 dB，定量線φ2×40-12 dB，判廢線φ2×40-4 dB。

2.2 檢測(cè)覆蓋

TOFD主聲束在焊縫壁厚2/3位置，覆蓋角度5°～90°，能夠覆蓋整個(gè)工件厚度區(qū)域，初始掃查面盲區(qū)高度為6.5 m始底面盲區(qū)高度為1.28 mm，左右各偏置12 mm非平行掃查后底面盲區(qū)高度0.15 mm，

圖2 TOFD覆蓋范圍示意圖Fig.2 Schematic of TOFD coverage

PAUT采用直射波和一次反射體進(jìn)行檢測(cè)，直射波覆蓋厚度范圍為3～28 mm，一次反射波覆蓋厚度范圍為0～28 mm，相控陣探頭聲束覆蓋傳播示意如圖3所示。

圖3 PAUT覆蓋范圍示意圖Fig.3 Schematic of PAUT coverage

2.3 掃查方式

為了檢測(cè)焊縫中不同方向的缺陷和滿足掃查覆蓋面的要求，TOFD采用非平行掃查和偏置非平行掃查[5]，PAUT使用直射法加一次反射法進(jìn)行掃查[6]。

3 工件檢測(cè)與分析

3.1 工件檢測(cè)

在預(yù)定工件不同深度中制作不同樣式的人工缺陷。進(jìn)行TOFD、PAUT檢測(cè)和X射線檢測(cè)，結(jié)果同實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)比。

圖4 TOFD檢測(cè)圖Fig.4 TOFD detection

圖5 PAUT檢測(cè)圖Fig.5 PAUT detection

依據(jù)ASME第Ⅲ卷NE分卷、第Ⅴ卷《無損檢測(cè)》中的關(guān)于除氧器對(duì)接焊縫檢測(cè)及驗(yàn)收的相關(guān)要求，參考第Ⅺ卷中強(qiáng)制性附錄Ⅷ《超聲檢測(cè)系統(tǒng)的性能驗(yàn)證》中對(duì)容器焊縫的性能驗(yàn)證的規(guī)定，驗(yàn)證TOFD和PAUT的檢出能力。主要是基于X射線檢測(cè)結(jié)果、TOFD正面和反面采集的數(shù)據(jù)和PAUT采集到的數(shù)據(jù)，與人工試樣缺陷數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。

3.2 缺陷檢出率分析

檢測(cè)結(jié)果如表2所示，TOFD、PAUT和X射線均能檢測(cè)出工件內(nèi)7處缺陷。在理論上，X射線對(duì)于不同角度的面積型缺陷檢出能力有較大變化，對(duì)細(xì)小裂紋檢出能力不足。TOFD和PAUT對(duì)不同角度的面積型缺陷檢出能力更強(qiáng)。

3.3 缺陷定位分析

將X射線、TOFD和PAUT檢出結(jié)果與人工試樣缺陷數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，缺陷的定位偏差統(tǒng)計(jì)如圖6所示，圖中TOFD正面檢測(cè)位置最大正偏差0.7 mm，最大負(fù)偏差-0.6 mm，TOFD反面檢測(cè)位置最小負(fù)偏差0.0 mm，最大負(fù)偏差-0.7 mm，PAUT測(cè)量位置最大正偏差0.6 mm，最大負(fù)偏差-0.4 mm。TOFD和PAUT均能從儀器和讀圖軟件直接測(cè)量，且均能精確到0.1 mm。由圖6可以看出TOFD和PAUT缺陷定位與人工試樣缺陷數(shù)據(jù)相符。X射線底片檢測(cè)未有精確坐標(biāo)，在測(cè)定長(zhǎng)度時(shí)使用直尺進(jìn)行測(cè)量，缺陷圖像有一定程度放大或變形的情況，缺陷定位準(zhǔn)確度較差，X射線數(shù)據(jù)不能精確到0.1 mm。

表2 各檢測(cè)方法的缺陷檢出率統(tǒng)計(jì)

圖6 缺陷位置測(cè)量偏差比較Fig.6 Deviation comparison of defectlocation measurement

3.4 缺陷長(zhǎng)度測(cè)量分析

采用TOFD從正面和反面檢測(cè)時(shí)，缺陷的測(cè)長(zhǎng)最大正偏差為0.4 mm，最大負(fù)偏差為-0.4 mm。采用PAUT檢測(cè)時(shí)，最大正偏差0.5 mm，最大負(fù)偏差-0.2 mm。TOFD和PAUT均能從儀器和讀圖軟件直接測(cè)量，且均能精確到0.1 mm。同3.3，X射線數(shù)據(jù)不能精確到0.1 mm。

圖7 缺陷長(zhǎng)度測(cè)量偏差比較Fig.7 Deviation comparison of defectlength measurement

3.5 缺陷高度測(cè)量分析

TOFD和PAUT檢測(cè)技術(shù)均采用端點(diǎn)衍射法來測(cè)量缺陷的高度。缺陷測(cè)高偏差統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖8 所示，經(jīng)過換算，TOFD正面、TOFD反面和PAUT從正面測(cè)量數(shù)值如下，與表2中人工試樣缺陷的高度基本吻合。X射線不能從側(cè)面透照，無法測(cè)量高度，因此TOFD和PAUT缺陷測(cè)高優(yōu)于X射線。

圖8 缺陷高度測(cè)量數(shù)據(jù)比較Fig.8 Deviation comparison of defect height measurement

通過X射線、TOFD和PAUT在工件上測(cè)試，比較缺陷檢出率、定位偏差、測(cè)長(zhǎng)偏差和高度數(shù)據(jù)，TOFD和PAUT的缺陷檢出率符合檢測(cè)要求，定位測(cè)量、長(zhǎng)度測(cè)量、高度測(cè)量與人工試樣缺陷數(shù)據(jù)一致，精確度高于X。

4 結(jié)論

(1)TOFD、PAUT和X射線能檢測(cè)出人工試樣中所有缺陷，對(duì)于微小型面狀缺陷、細(xì)小裂紋等缺陷，TOFD和PAUT在理論上檢出率高于X射線。

(2)TOFD和PAUT定位測(cè)量、長(zhǎng)度測(cè)量、高度測(cè)量與人工試樣缺陷數(shù)據(jù)一致，精確度高于X。

(3)綜合比較，可以采用TOFD和PAUT可以代替X射線檢測(cè)。