AP1000核電站主蒸汽管道支管座焊接接頭的射線檢測

郭玉炳

(中國核工業(yè)第五建設有限公司，上海 201512)

0 引言

AP1000是由美國西屋公司設計的第三代先進壓水堆核電站，采用雙環(huán)路布局，標稱凈電力輸出值為1 110 MWe。主要安全系統(tǒng)采用非能動設計，布置在安全殼內，安全殼為雙層結構，外層為預應力混凝土，內層為鋼板結構[1-3]。其蒸汽發(fā)生器系統(tǒng)是核電站一、二回路的樞紐，它的主要作用是將一回路冷卻劑中的熱量傳遞給二回路給水，使之產生蒸汽來驅動汽輪發(fā)電機組發(fā)電。由于一回路冷卻劑流經堆芯帶有放射性，因此蒸汽發(fā)生器也是一回路壓力邊界的一部分，用于防止放射性物質外泄。故在正常運行時，二回路不受一回路放射性冷卻劑的污染，是不帶放射性的。

AP1000壓水堆核電站主蒸汽管道的核安全等級為二級，是核電站中從蒸汽發(fā)生器出口到主蒸汽隔離閥之間的管道。其中，從安全殼貫穿件到主蒸汽隔離閥之間的管道上，集中布置有主蒸汽安全閥入口管線、主蒸汽凝結水疏水管線、大氣釋放閥入口管線的分支管[4]。出于對主蒸汽隔離閥前的主蒸汽管道的重要性和安全性考慮，AP1000核電站首次使用嵌入式支管座(Sweepolet)[4]替代焊接支管座(Weldolet)用于分支管的連接。嵌入式支管座是主蒸汽管道的重要組成部分，需要承受較大熱沖擊和熱瞬態(tài)，疲勞強度大，這對焊接質量和射線檢測均有非常高的要求。

本文以DN200(8 in)嵌入式支管座為例，分析其焊接要求及射線檢測工藝要點；通過對嵌入式支管座的應用范圍、結構特點及焊接接頭特點的闡述，并結合該類焊接接頭焊接過程中極易產生缺陷的分析，對射線檢測工藝的重難點進行論述；通過射線檢測工藝參數(shù)優(yōu)選，導源工裝的設計，制定有效的射線檢測工藝，在工程實際中進行應用和驗證。

1 嵌入式支管座結構及焊接特點

1.1 嵌入式支管座應用范圍

在主蒸汽管線上，從安全殼貫穿件到主蒸汽隔離閥之間的管道上，集中布置有主蒸汽安全閥入口管線(6個/單環(huán)路)、主蒸汽凝結水疏水管線(1個/單環(huán)路)、大氣釋放閥入口管線(1個/單環(huán)路)的分支管，具體布置形式如圖1所示。這些支管由于受到標準管件異徑三通的尺寸規(guī)格限制，在很多情況下必須采用管道開孔的方法來實現(xiàn)不同管徑主管和支管之間的連接。一般采用焊接支管座，以彌補由于主管開孔引起的強度下降。而在核級管道的設計中，依據ASME BPVC Ⅲ NC分卷要求，對大于DN100的支管焊接接頭必須進行射線檢測。AP1000核電站設計采用整體鍛造成型的嵌入式支管座，大幅度提升了支管的結構可靠性。

圖1 主蒸汽管道支管座布置示意Fig.1 Schematic diagram of arrangement of main steam piping sweepolets

1.2 嵌入式支管座的結構特點

嵌入式支管座為馬鞍型，采用鍛造工藝制作，制作按MSS SP-97—2012標準執(zhí)行。

鍛制嵌入式對焊支管座具有受力均勻、應力集中系數(shù)小、承載能力高、將原角接接頭轉變?yōu)閷雍附咏宇^等特點[5]。其與主蒸汽管道相互交接處為對接焊接接頭，并具有優(yōu)良的抗疲勞性能。其焊接接頭呈橢圓形，并且對檢測有效性亦有較高的要求。

AP1000核電主蒸汽管道上使用的嵌入式支管座的規(guī)格有3種，分別為DN150，DN200，DN300，具體如圖2和表1所示。

圖2 嵌入式支管座結構示意Fig.2 Schematic structural diagram of sweepolet

表1 嵌入式支管座結構尺寸Tab.1 Structural dimensions of sweepolet

嵌入式支管座一般需要依據設計要求進行定制加工，本文以DN200為例進行說明，其具體規(guī)格尺寸見圖3。此類支管為主蒸汽安全閥的入口管線，對核電站安全運行起重要作用。

圖3 DN200嵌入式支管座結構示意 Fig.3 Schematic diagram of DN200 sweepolet

1.3 嵌入式支管座焊接接頭特點

主蒸汽管道的材料為ASME SA-335 Gr.P11，規(guī)格為：?965.2 mm×44.2 mm。嵌入式支管座的材料為ASME SA-182 Gr.F11 CL.2，厚度為47.52 mm。

焊接方法為：GTAW+SMAW，其中打底部位采用GTAW(手工氬弧焊)，填充蓋面采用SMAW(手工電弧焊)。填充用的焊絲和焊條分別為ER80S-B2(GTAW)和E8018-B2(SMAW)。

DN200嵌入式支管座焊接接頭坡口形式如圖4所示。

圖4 DN200嵌入式支管座焊接接頭坡口示意 Fig.4 Schematic diagram of DN200 sweepolet′s weld joint bevel

DN200嵌入式支管座焊接接頭的結構形式如圖5所示,DN200嵌入式支管座組焊結構如圖6所示。

圖5 DN200嵌入式支管座焊接接頭結構示意 Fig.5 Schematic diagram of DN200 sweepolet′s weld joint

圖6 DN200嵌入式支管座組焊結構示意 Fig.6 Schematic diagram of DN200 sweepolet′s assembly welding structure

1.4 易產生缺陷分析

焊接采用手工氬弧焊打底，手工電弧焊填充和蓋面。低合金鋼的焊接過程中存在淬硬傾向和冷裂傾向[6]，為了防止冷裂紋的產生和減少焊縫中的焊接殘余應力，焊縫最低預熱溫度為150 ℃。由于嵌入式支管座一側的焊接接頭厚度47.52 mm，坡口深度較大，在進行根部打磨時，一般打磨機很難伸到根部，焊工在進行根部打磨時，受到高溫輻射，影響正常操作。在進行主蒸汽嵌入式支管座焊接接頭打底焊接過程中,熔敷金屬易向主蒸汽管道側流淌，易造成焊縫未熔合、內凹等缺陷[7]。

焊接過程中各層道清理不徹底將產生夾雜缺陷，焊接受環(huán)境因素影響和焊條烘干、焊工手法等因素也較容易產生氣孔等缺陷。坡口熔合面，特別是坡口較小且形狀比較復雜的嵌入式支管座一側，極易產生坡口未熔合；層道之間填充時的不當操作，也易產生層間未熔合。受焊接應力和結構影響，打底焊道還容易產生裂紋。焊接過程中的預熱溫度不當、焊接中斷后對焊接接頭消氫處理不當、焊后熱處理不當?shù)染锌赡墚a生裂紋類的危害性缺陷。

綜上所述，嵌入式支管座焊接接頭在焊接過程中較容易出現(xiàn)裂紋、未熔合、夾雜、氣孔、內凹等常見的焊接缺陷，對無損檢測工藝的可靠性和完善性提出了更高的要求。同時，該類焊接接頭是在主蒸汽管道上，起到連接蒸汽安全閥的重要作用，承受著核電站運行時高溫蒸汽，其焊接接頭的完整性是非常重要的。

2 嵌入式支管座焊接接頭射線檢測工藝

2.1 射線檢測技術應用及質量要求

在核電站的建造階段，射線檢測作為一項常用的體積檢測手段并有著廣泛的應用。對該類嵌入式支管座焊接接頭的體積檢測，受限于其特殊的結構，采用其他手段(如超聲檢測)存在一定程度技術限制且難度較大，而采用射線檢測則是較為可靠和有效的檢測手段。

依據ASME BPVC Ⅲ NC分卷的規(guī)定，對于公稱直徑大于100 mm的焊接支管和接管嘴(A類、B類全熔透焊接接頭)必須進行100%RT以及100%PT或100%MT的相應無損檢測，以確保焊接接頭的質量符合相應質量驗收準則的要求。打底焊接完成后須進行100%PT,以確保打底焊的質量。

射線檢測的技術要求執(zhí)行ASME BPVC Ⅴ卷 第二章中的規(guī)定。關于像質計靈敏度的要求，執(zhí)行ASME BPVC Ⅲ NC分卷表NC-5111-1中的規(guī)定。

2.2 射線檢測的難點分析

由本文第1.3節(jié)和1.4節(jié)的論述可知，主蒸汽管道嵌入式支管座焊接接頭對射線檢測工藝的可靠性有著較高的要求，同時還需要滿足施工進度的要求。射線檢測工藝的制定，需要對該類焊接接頭的幾何結構進行全面地分析，以尋求既能符合技術要求，又具有操作便捷性的方法，從而確保該類焊接接頭質量控制的有效性和可靠性。

嵌入式支管座以馬鞍型并呈90°錐型[8]安裝于主蒸汽管道上，依據ASME規(guī)范對該類焊接接頭進行射線檢測，必須滿足核二級部件像質計靈敏度要求，同時每張射線底片的評定區(qū)內還需要滿足黑度范圍限值和均勻變化的要求。這些技術要求，對整個射線檢測工藝參數(shù)的優(yōu)選提出更高的要求。

嵌入式支管座焊接接頭呈特殊的走向，射線檢測透照布置時的對焦對射線檢測的成像質量有重要的影響，直接決定了是否能有效地檢出焊接接頭內可能存在的各類缺陷。規(guī)范的布片要求也是十分重要的，其直接影響底片評定時的超標顯示與焊接接頭實物的對應關系，也能為返修提供準確的缺陷位置信息。

2.3 射線源的選用

射線源采用Ir192伽馬源，源焦點尺寸為?3 mm×2 mm。伽馬源具有穿透能力較大、曝光場大、曝光頭布置靈活等優(yōu)點，選用較小焦點尺寸的放射源，可以克服幾何不清晰度(Ug)限值和提高成像清晰度，但需同時兼顧源活度大小，保證工作效率。

2.4 透照方式選擇及主要工藝參數(shù)優(yōu)選

依據設計要求，射線檢測技術按ASME BPVC Ⅴ卷 第二章的要求執(zhí)行。在選擇透照方式時應優(yōu)先選擇單壁透照[9]，當無法進行單壁透照時才考慮雙壁透照方式。通過對主蒸汽管道嵌入式支管座焊接接頭結構形式的分析，其接頭形式為全熔透對接焊接接頭，且支管座有開孔，具備管道內實施單壁透照的可行性。

同時，考慮嵌入式支管座焊接接頭透照厚度薄壁一側為44.2 mm,厚壁一側為47.52 mm，預估內側余高2 mm，外側余高3 mm，單壁透照厚度已達52.52 mm。從幾何結構分析，采用Ir192放射源在管道內部進行透照布置，亦存在一定范圍內合適的焦距對該類焊接接頭進行全周向透照的可行性。在考慮優(yōu)選焦距時，還需要考慮ASME規(guī)范對幾何不清晰度(Ug)限值的要求，即對透照布置中最小焦距的要求。同時，還應考慮射線束的入射應盡可能地垂直于被檢焊接接頭。

在考慮射線檢測透照片位數(shù)量時，以嵌入式插管座與主蒸汽管道相貫線的實測焊縫長度為實際被檢焊縫長度，同時考慮ASME規(guī)范對底片黑度均勻度控制的要求，選取合適的透照片數(shù)，保證焊縫及熱影響區(qū)均被有效檢測，同時還應考慮足夠的搭接范圍。為可靠地評估射線檢測的像質靈敏度，每次透照時，須依據透照的片位號，在每個透照部位各放置一個線型像質計(IQI)。

ASME BPVC Ⅴ卷 第二章 T-274關于幾何不清晰度的規(guī)定如下：

Ug=F·d/D

(1)

式中,Ug為幾何不清晰度;F為源焦點投影面上的最大尺寸，mm;d為源側至膠片的距離,mm;D為源至被檢工件表面的距離,mm。

ASME規(guī)范對幾何不清晰度的限值如表2所示。

表2 ASME規(guī)范對幾何不清晰度的限值

據上，源焦點尺寸為?3 mm×2 mm，單壁透照厚度52.52 mm。鑒于嵌入式支管座焊接接頭的重要性，此處Ug最大限值按0.51 mm考慮。由公式(1)可知，滿足Ug限值的焦點至被檢表面的最小距離約為372 mm，此處焦距按450 mm為優(yōu)選參數(shù)，該焦距為實施透照的最小焦距。另外，亦可依據ASTM E94-04或ASME SE-94中的圖4，可通過諾模圖快速對Ug值進行評估。

嵌入式支管座焊接接頭射線檢測透照示意見圖7。

圖7 嵌入式支管座焊接接頭射線檢測透照示意 Fig.7 Schematic diagram of radiography testing of sweepolet′s welded joint

2.5 透照工裝設計

對嵌入式支管座焊接接頭采用源在內的單壁透照射線檢測時，可以大幅度地提高檢測效率、降低操作人員的輻射安全風險，布片工作在管道外壁實施亦大幅降低了操作難度。但是，該透照工藝非常關鍵的一點，是要將放射源曝光頭按優(yōu)選的焦距送達指定的位置，方能保證透照影像的質量，并滿足ASME BPVC Ⅴ卷 第二章的相關要求，特別是對像質靈敏度和黑度的要求。對該類焊接接頭射線檢測時，源焦點偏離中心點或者未達到規(guī)定的最小焦距，會嚴重影響射線底片的成像質量，甚至導致大量的廢片。鑒于此，設計制作一套導源和固定曝光頭的工裝十分重要。嵌入式支管座焊接接頭射線檢測專用工裝如圖8所示。

圖8 嵌入式支管座焊接接頭射線檢測專用工裝示意 Fig.8 Schematic diagram of special tooling for radiography testing of sweepolet′s welded joint

使用嵌入式支管座焊接接頭射線檢測專用工裝開展射線檢測，如圖9所示。

圖9 嵌入式支管座焊接接頭專用射線檢測工裝透照示意 Fig.9 Schematic diagram of special tooling for radiography testing of sweepolet′s welded joint

曝光定位工裝可依據源導管情況做適當調整，但須注意，伸入支管座內部的距離應不能遮擋放射源對焊接接頭進行透照。使用專用工裝時，要保證γ源輸源管曲率半徑大于300 mm，以防止卡源的輻射安全事故。

2.6 布片方法

依據APP-GW-P0-008中第3.12節(jié)的要求，射線檢測采用雙片技術透照。為了保證底片評定時缺陷的準確定位，射線檢測時必須嚴格按照一定的規(guī)則進行布片，確保底片評定時定位的缺陷與焊接接頭的實際位置一一對應，便于對超標缺陷的返修定位。

主蒸汽管道嵌入式支管座焊接接頭的布片方法為：以管道介質流向上游側為起點，順時針布片，序號1～16，共計16套(見圖10)。每張片位的透照有效長度為80 mm。鑒于實際焊接接頭的焊縫寬度較大且焊縫延伸方向帶有一定的弧度，膠片選用180 mm×100 mm，主要考慮有充分的搭接范圍和完全覆蓋被檢區(qū)域(含熱影響區(qū))，保證不漏檢和有效地降低廢片率。

圖10 嵌入式支管座焊接接頭射線檢測布片示意 Fig.10 Schematic diagram of radiography testing film arrangement for sweepolet′s welded joint

實際檢測時，應將奇、偶數(shù)片位分別布片，采用兩次曝光，完成對該類焊接接頭的全部檢測。每個透照部位均應放置線型像質計，作為評估射線底片質量的重要手段和依據。

2.7 黑度及像質靈敏度要求

射線底片評定區(qū)范圍內的黑度應控制在2.0～4.0 之間，雙片評定時單張底片最低黑度為1.3，并且應使評定區(qū)的黑度范圍控制在需見線型像質計絲徑臨近母材處黑度的-15%～+30%以內。

射線底片的靈敏度至少滿足表3中的要求，此處應達到表3中絲型像質計(IQI)放置于膠片一側的絲徑或絲號的要求。

表3 嵌入式支管座焊接接頭像質靈敏度要求

2.8 濾光板及增感屏的選用

濾光板采用鉛制，厚度0.5 mm。增感屏采用前置，前屏、中屏及后屏厚度均為0.15 mm。為有效防止背散射對成像質量的影響，采用厚度2 mm的鉛做背散射防護。背散射的防護效果評估，采用“B”鉛字進行驗證。

2.9 膠片選用及暗室處理

射線照相膠片選用ASTM E1815中規(guī)定的等級Ⅰ，具體牌號可選用柯達MX125、愛克發(fā) D4或C4。暗室處理為手工沖洗，具體工藝參數(shù)為：顯/定影溫度(20±1) ℃，顯影時間5～8 min，停顯時間30～60 s，定影時間10～16 min，水洗時間不少于30 min，底片采用自動烘干。

2.10 曝光參數(shù)

為保證焊接接頭缺陷的有效檢出以及射線底片滿足像質靈敏度、黑度的要求，推薦曝光量為1 600 Ci·min。

3 嵌入式支管座焊接接頭質量驗收

AP1000核電站主蒸汽管道的嵌入式支管座焊接接頭，其質量驗收標準按ASME BPVC Ⅲ NC分卷 NC5320節(jié)執(zhí)行，即射線底片評定時，底片上存在如下類型或超出規(guī)定限值的均應拒收。

(1)任何形式的裂紋、未熔合或未焊透。

(2)顯示長度大于t/3(t為焊接接頭較薄一側的厚度)的條線顯示。

(3)內部焊根的狀態(tài)在射線底片上的黑度無突變時是可接受的；但如果這種焊根狀態(tài)的任一側上，底片上的條狀顯示達到上述(2)的規(guī)定時。

(4)在12t長度內的任一組的鏈型顯示的累計長度大于t，且相鄰顯示的最小距離不超過6L(L為最大的顯示長度)。

(5)圓形顯示超過ASME第Ⅲ卷強制性附錄Ⅵ規(guī)定可接受范圍的。

4 檢測實例

4.1 黑度及像質計靈敏度

SGS-PL-L006A-F005焊口射線底片黑度實測值見表4，所有射線底片的像質靈敏度和黑度均符合ASME規(guī)范的相關要求。

表4 SGS-PL-L006A-F005焊口射線底片黑度實測值

4.2 射線底片顯示

該類焊接接頭射線檢測底片缺陷檢出情況如表5所示。

表5 SGS-PL-L006A-F005焊口射線底片檢出缺陷情況

5 補充超聲檢測的探討

通過上述分析可知，AP1000主蒸汽管道嵌入式支管座焊接接頭的射線檢測完全滿足ASME規(guī)范的技術要求，實際檢測過程中亦取得良好的檢測效果，對該類焊接接頭的質量提供了可靠的保障。但從實際檢測中發(fā)現(xiàn)的缺陷情況、焊接過程中容易產生的危險性缺陷(如裂紋、未熔合等)以及該類焊接接頭的結構特點等綜合分析，同時考慮該類焊接接頭為主蒸汽管道和主蒸汽安全閥入口管線的連接焊接接頭，對保障核電站的安全運行有重要作用，特此提出在進行射線檢測的同時，采用超聲檢測作為補充，能更加全面和完整地對該類焊接接頭質量進行控制。

如圖11所示，建議在主蒸汽管道外壁采用①和②橫波斜探頭(45°)一次反射波技術，在嵌入式支管座內壁分別采用?6～8 mm的0°縱波直探頭和10°～15°小角度縱波直探頭進行補充檢測。其中，探頭①和②主要檢測主蒸汽管道一側坡口熔合是否完好，以及焊接接頭裂紋等危害性缺陷；探頭③和④主要檢測嵌入式支管座一側坡口面的熔合情況。

圖11 嵌入式支管座焊接接頭超聲檢測示意 Fig.11 Schematic diagram of ultrasonic testing of sweepolet′s welded joint

在使用超聲檢測作為補充檢查時，應與射線檢測對焊接接頭的質量驗收進行區(qū)分，即當超聲檢測時有記錄性回波顯示存在，應參照相關的超聲檢測標準進行驗收。對于超標部位應予以返修，確保焊接接頭質量，為核安全提供堅實保障。

6 結語

本文詳細介紹了AP1000壓水堆核電站主蒸汽管道嵌入式支管座焊接接頭的特點和極易產生的缺陷，并結合ASME規(guī)范的技術要求，對其射線檢測工藝參數(shù)優(yōu)化提出了切實可行的措施和方法，在保證實施效率的情況下，大幅度提高射線檢測工藝執(zhí)行的可靠性和準確性。鑒于嵌入式支管座焊接接頭質量的重要性，建議增加超聲檢測作為補充，以便更全面地對該類焊接接頭質量進行控制，為核電站的長期安全和穩(wěn)定運行提供保障。