核3級HDPE管道系統(tǒng)超聲波檢驗(yàn)設(shè)備的要求及校準(zhǔn)

趙云龍

（上海納川核能新材料技術(shù)有限公司，上海 201306）

0 引言

高密度聚乙烯（High Density Polyethylene，簡稱HDPE）管道、管件及其熔接預(yù)制產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于城市供水以及燃?xì)廨斔凸こ讨?，近年來，隨著國內(nèi)外核電站運(yùn)營時間的累計，海水對管路系統(tǒng)的腐蝕結(jié)垢問題日益突出，各國通過廣泛的調(diào)研，使用HDPE管道及配件替換各類玻璃鋼管、碳鋼襯膠（襯塑）管、碳鋼管、不銹鋼管等材質(zhì)的管路系統(tǒng)逐步得到廣泛的認(rèn)可，尤其在核電站的三回路部分系統(tǒng)中得到了更加廣泛應(yīng)用，防腐蝕及結(jié)果效果也十分明顯。

2005年英國的Sizewell核電站核3級碳鋼輸水管發(fā)現(xiàn)多處貫穿腐蝕，隨后向法國EDF公司提出了改造需求，EDF公司應(yīng)用HDPE管道對原來的襯膠碳鋼管進(jìn)行了替換，改造后管道系統(tǒng)運(yùn)行至今未出現(xiàn)再次腐蝕情況。

美國Duke Energy公司于2009年用HDPE管材替換應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)冷卻水系統(tǒng)的核3級碳鋼管。改造后證明HDPE管材是核電廠腐蝕和結(jié)垢問題的有效且經(jīng)濟(jì)的解決方案。

2017年至2018年期間，經(jīng)國家核安全局批準(zhǔn)，我國大亞灣核電站1、2號機(jī)組循環(huán)水過濾系統(tǒng)（Circulating Water Filtration，簡稱CFI）的不銹鋼管道使用HDPE管材進(jìn)行了替換，2020年10月份開始陸續(xù)將上述2個機(jī)組的不銹鋼反沖洗管排替換為國產(chǎn)HDPE管排，截至目前管排運(yùn)行壓力、流量正常，沖洗效果好，完全滿足使用要求，且防海水腐蝕效果明顯。

隨著HDPE管道、管件及其預(yù)制產(chǎn)品在核電系統(tǒng)的逐步推廣，有效開展HDPE管道系統(tǒng)的無損檢驗(yàn)（Nondestructive Examination，簡稱NDE）工作，已成為各生產(chǎn)廠家核電用HDPE產(chǎn)品的質(zhì)量控制重點(diǎn)。

1 概述

上海納川核能新材料技術(shù)有限公司生產(chǎn)的核3級HDPE管道及配件于2019年完成美國機(jī)械工程師協(xié)會（American Society of Mechanical Engineers，簡稱ASME）NPT授權(quán)證書的認(rèn)證工作，在2020年9月完成了國內(nèi)某核電站反沖洗系統(tǒng)核3級HDPE管排的制造任務(wù)，這也是國內(nèi)首批核3級HDPE管道的國產(chǎn)化項(xiàng)目。

ASME鍋爐和壓力容器規(guī)范（Boiler and Pressure Vessel Code,簡稱BPVC）第Ⅲ卷（簡稱ASME BPVC.Ⅲ-2019）中明確提出，對于HDPE注塑管件以及2英寸以上熱熔接頭的超聲波檢驗(yàn)應(yīng)按照第Ⅴ卷的要求進(jìn)行[1]。進(jìn)行超聲波檢驗(yàn)的目的是為了發(fā)現(xiàn)材料或熱熔接頭中影響其使用的缺陷或特性，從而對其應(yīng)用于特定目的的適用性進(jìn)行評價。

超聲波檢驗(yàn)過程中存在一系列影響檢驗(yàn)質(zhì)量的因素。這些因素可歸納為人員、設(shè)備器材、技術(shù)文件、操作過程和環(huán)境幾方面。檢驗(yàn)設(shè)備器材的可靠性是影響檢驗(yàn)工作質(zhì)量最重要的影響因素之一，超聲波檢驗(yàn)設(shè)備器材主要包括儀器、探頭、機(jī)械掃查裝置、數(shù)據(jù)采集軟件系統(tǒng)等，為保證檢驗(yàn)結(jié)果的正確可靠，必須保證所使用的設(shè)備器材符合檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求[2]。

本文主要論述通過對設(shè)備器材進(jìn)行有效的規(guī)范與控制，以最大限度的保證對HDPE材料和制件的超聲波檢驗(yàn)?zāi)軌颢@得準(zhǔn)確有效的檢驗(yàn)結(jié)果，從而對被檢對象的質(zhì)量做出正確評價，保證產(chǎn)品的質(zhì)量和使用安全性，也可以為產(chǎn)品制造工藝的改進(jìn)提供有意義的判據(jù)和信息。

2 儀器

2.1 儀器要求

ASME標(biāo)準(zhǔn)第Ⅴ卷規(guī)定，當(dāng)進(jìn)行相控陣超聲檢驗(yàn)時，以下內(nèi)容適用[3]：

（1）使用超聲陣列控制器；

（2）儀器應(yīng)能在1～7MHz的頻率范圍內(nèi)工作，配備2dB或以下的增益步進(jìn)控制，并至少有60dB的最大增益；

（3）儀器應(yīng)具有至少32個脈沖發(fā)生器；

（4）儀器的數(shù)字化頻率應(yīng)至少為探頭中心頻率的5倍；

（5）壓縮設(shè)置不應(yīng)大于驗(yàn)證程序時的設(shè)置。

綜上所述，選用奧林巴斯的MX2型相控陣儀器，如圖1所示，能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2 儀器的線性測試校驗(yàn)

圖1 OmniScan MX2型32:128探傷儀

數(shù)字式儀器在不超過一年的時間間隔，或在第一次使用前，應(yīng)進(jìn)行線性測試檢驗(yàn)，包括屏高線性（Screen Height Linearity），幅度控制線性（Amplitude Control Linearity），水平線性（Horizontal Linearity），利用儀器的A掃模式進(jìn)行線性測試。

屏高線性、幅度控制線性相關(guān)于輸入到儀器接收電路的信號幅度與顯示屏上顯示的幅度成正比關(guān)系的程度，在用波幅評定缺陷尺寸的時候，影響缺陷定量準(zhǔn)確度；水平線性是指輸入到儀器的不同回波的時間間隔與以顯示屏?xí)r基線上回波的間隔成正比的程度，水平線性影響缺陷位置確定的準(zhǔn)確度。

2.2.1 屏高線性

圖2 屏高線性

按圖2所示將斜探頭放在試塊上，從1/2T和3/4T橫孔得到兩個反射信號，使二者波高比為2:1。不移動探頭，調(diào)節(jié)增益，以10%的衰減量使較高的信號從100%滿屏高度（Full Screen Height，簡稱FSH）逐次降低到20%FSH，讀出每次調(diào)整后較低信號的讀數(shù)，其讀數(shù)應(yīng)為較高信號波高的50%，誤差不超過滿屏5%，測試結(jié)果如表1所示。

表1 屏高線性結(jié)果

2.2.2 幅度控制線性

按圖2所示將斜探頭放在試塊上，從1/2T橫孔信號獲得峰值，按照規(guī)定的增益變化量調(diào)節(jié)增益，反射信號應(yīng)處于允許范圍內(nèi)，測試結(jié)果如表2所示。

表2 幅度控制線性結(jié)果

2.2.3 水平線性

將直探頭放在CSK-ⅠA試塊上，對準(zhǔn)25mm厚的大平底面，調(diào)節(jié)儀器使顯示屏上出現(xiàn)6次底波B1～B6，當(dāng)?shù)撞˙1和B6的幅度分別為50% FSH時，使B1回波前沿對準(zhǔn)水平刻度“0”，B6回波前沿對準(zhǔn)水平刻度“100”（設(shè)水平全刻度為100格），如圖3所示。

圖3 水平線性

依次分別將底波B2～B5調(diào)到50%FSH，分別讀取B2～B5回波前沿與水平刻度“20”，“40”，“60”，“80”的偏差L2，L3，L4，L5（以格數(shù)計），取其最大偏差值Lmax，按式（1）計算儀器水平線性誤差[4]。水平線性測試結(jié)果如表3所示。

式中：△L為水平線性誤差；

B為水平滿刻度數(shù)。

表3 水平線性結(jié)果

2.2.4 測試結(jié)果

測試結(jié)果顯示，屏高線性誤差不超過5%滿屏高度（Full Screen Height，簡稱FSH），幅度控制線性不超過5%FSH，水平線性不超過1%，儀器線性測試結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 探頭

3.1 探頭要求

當(dāng)進(jìn)行相控陣超聲檢驗(yàn)時，以下內(nèi)容適用[3]：

（1）標(biāo)稱頻率應(yīng)為1～7MHz，除非存在變素，如產(chǎn)品微觀結(jié)構(gòu)需使用其他頻率，以保證適當(dāng)?shù)拇┩改芰透叩姆直媪Γ?/p>

（2）應(yīng)使用縱波模式；

（3）探頭陣元數(shù)量應(yīng)在32～128之間；

（4）可以使用帶斜楔的探頭，以助于超聲耦合。

3.2 探頭楔塊

采用一維線陣相控陣探頭，搭配聚苯乙烯（Rexolite）楔塊，以在被檢件中產(chǎn)生斜射波。探頭頻率應(yīng)根據(jù)被檢產(chǎn)品厚度選擇，厚度范圍與適用的頻率如表4所示[5]。

表4 厚度范圍適用的探頭頻率

3.3 校準(zhǔn)聲速和延遲

聲速校準(zhǔn)的目的是測量被檢材料中超聲波的真實(shí)聲速，以相控陣超聲檢測為例，利用HDPE試塊上的φ2長橫孔進(jìn)行聲速校準(zhǔn)和延遲校準(zhǔn)，HDPE材料縱波聲速通常為2460m/s。在TOFD檢驗(yàn)中還需校準(zhǔn)探頭中心距離。

4 管道掃查器、編碼器

4.1 掃查器

鏈?zhǔn)綊卟槠骺梢詾橥鈴皆?5～960mm的管道提供手動管道檢測解決方案。這款掃查器通過鏈?zhǔn)铰?lián)結(jié)部件，而不是磁輪組裝在一起，非常適用于HDPE材料的焊縫的衍射時差（TOFD）或相控陣（PA）超聲波檢驗(yàn)。

圖4 鏈?zhǔn)綊卟槠?/p>

4.2 編碼器

采用鏈?zhǔn)綊卟槠鲌?zhí)行自動或半自動掃查時，探頭將在移動軸上進(jìn)行位置編碼（通常為周向單軸編碼），以提供相對于參考起始點(diǎn)的位置信息，因此編碼器必須經(jīng)過校準(zhǔn)。

4.2.1 編碼器分辨率

移動編碼器至已知距離的初始標(biāo)記點(diǎn)A處，設(shè)定當(dāng)前位置，再將編碼器移動到第二個標(biāo)記點(diǎn)B處，輸入B-A之間的距離，此時編碼器校準(zhǔn)完畢，儀器上將顯示編碼器分辨率和掃查分辨率，校準(zhǔn)結(jié)果如表5所示。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定編碼器掃查分辨率不應(yīng)大于2.0mm,分辨率為12.8步/mm。

4.2.2 編碼器精度

編碼器經(jīng)過校準(zhǔn)后，能提供相對于參考起始位置的準(zhǔn)確信息。但在校準(zhǔn)間隔不超過一個月或使用前，還需要核查編碼器精度。

表5 編碼器校準(zhǔn)結(jié)果

實(shí)際檢驗(yàn)前應(yīng)根據(jù)掃查計劃中熔接接頭分段掃查長度進(jìn)行核查，但核查時編碼器移動距離至少500mm，要求距離精確度為掃查總長度的1%或10mm中的較小值，實(shí)際核查結(jié)果如表6所示。

表6 編碼器核查

5 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)參數(shù)

5.1 脈沖寬度

脈沖寬度（Pulse Width簡稱PW）是指用于激勵換能器元件的高壓方波脈沖的持續(xù)時間。檢驗(yàn)時脈沖寬度應(yīng)根據(jù)式（2）進(jìn)行校準(zhǔn)，其中fc為探頭中心頻率。

5.2 掃查速度與采集速率

為了避免數(shù)據(jù)采集過程中出現(xiàn)丟幀，必須要考慮編碼器掃查分辨率及探頭移動的速度，即儀器的數(shù)據(jù)采集速率必須大于等于掃查速度除以編碼器分辨率的商，如式（3）所示[6]。

采集速率可在儀器的參數(shù)設(shè)置確定，通常在儀器設(shè)置采集速率列表中，選擇自動最大得到所允許的最大采集速率。

采集速率被確定后，就可以基于所需的編碼器掃查分辨率，計算出最大掃查速度。否則在掃查速度過高的情況下會出現(xiàn)如圖5中的數(shù)據(jù)圖像丟幀情況。

圖5 掃查速度影響采集速率的示例

5.3 平均

為當(dāng)前組選擇一個平均值（n=1、2、4、8、16）。信號平均是比較簡單的信號處理，平均功能有助于減少回波信號上的噪聲，平均值1表明沒有使用平均功能。檢驗(yàn)工藝驗(yàn)證后，在實(shí)際檢驗(yàn)中將平均值選為4，依據(jù)式（4），平均后能將信噪比提高2倍。

5.4 點(diǎn)數(shù)和壓縮因數(shù)

點(diǎn)數(shù)用于設(shè)置所要存儲的A掃描點(diǎn)的數(shù)量。這個參數(shù)可以被設(shè)置為自動模式，根據(jù)檢測范圍，自動調(diào)整點(diǎn)數(shù)和壓縮因數(shù)，以確保將點(diǎn)數(shù)控制在320～640之間。

壓縮是根據(jù)位置和最大振幅減少采樣數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)量，A掃描的壓縮比為4:1的示例如圖6所示，壓縮在不影響缺陷檢測的情況下減小文件大小，壓縮因數(shù)直接與A掃描范圍和點(diǎn)數(shù)相關(guān)[7]。

因此，點(diǎn)數(shù)和壓縮因數(shù)，直接與數(shù)據(jù)文件大小相關(guān)。

5.5 數(shù)字化頻率

數(shù)字化頻率是射頻掃描采用所需時間間隔的倒數(shù)，數(shù)字化頻率決定了特定傳輸時間范圍內(nèi)樣本的數(shù)量，如圖7所示，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定儀器的數(shù)字化頻率應(yīng)至少為探頭中心頻率的5倍。要將振幅誤差降至1%以下，數(shù)字化頻率通常應(yīng)大于等于探頭中心頻率的10倍。

6 靈敏度校準(zhǔn)與核查

6.1 靈敏度校準(zhǔn)

將探頭放置在標(biāo)準(zhǔn)試塊表面，探頭中心應(yīng)位于試塊表面中心線上，選擇孔深與電熔接頭管件厚度接近的長橫孔進(jìn)行檢驗(yàn)，調(diào)節(jié)檢驗(yàn)設(shè)備的參數(shù)，直至獲得的圖像有足夠的分辨力和靈敏度，并可以鑒別每一個長橫孔反射體。

圖6 A掃描的壓縮比為4:1的示例

圖7 射頻信號數(shù)字化頻率示例

6.2 靈敏度核查

如果核查時使用的最深反射體的距離范圍點(diǎn)偏移超過距離讀數(shù)的10%或掃描全長的5%（取較大值），應(yīng)修正距離范圍并在檢驗(yàn)記錄中注明。上一次有效校準(zhǔn)或校準(zhǔn)核查以來的所以記錄的顯示應(yīng)重新檢驗(yàn)，其量值應(yīng)在數(shù)據(jù)表修改或重新記錄。

如果校準(zhǔn)時使用的最深反射體的靈敏度設(shè)置變化在4dB以內(nèi)，應(yīng)在執(zhí)行數(shù)據(jù)分析時補(bǔ)償差異，并在檢驗(yàn)記錄中注明校正。如果靈敏度設(shè)置變化超過4 dB，則應(yīng)重新檢驗(yàn)。

7 結(jié)語

（1）檢驗(yàn)設(shè)備器材的可靠性是影響檢驗(yàn)工作質(zhì)量最重要的因素，為保證檢驗(yàn)結(jié)果正確可靠，必須保證所用設(shè)備與器材符合檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求；

（2）對檢驗(yàn)所使用的設(shè)備器材定期進(jìn)行測試校準(zhǔn)，保證在有效期內(nèi)使用，保證檢驗(yàn)結(jié)果具有可靠性；

（3）檢驗(yàn)設(shè)備器材滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最低要求有時是不夠的，對于檢驗(yàn)特定產(chǎn)品所使用的設(shè)備器材，還需要滿足特殊要求；

（4）不同的檢驗(yàn)設(shè)備器材，即使是同型號的，可能會存在一些性能差異，所以相關(guān)檢驗(yàn)參數(shù)校準(zhǔn)操作的程序化、規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化，可以保證檢驗(yàn)相同產(chǎn)品時檢驗(yàn)結(jié)果具有一致性、可再現(xiàn)性；

（5）隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，圖像處理、自動控制等技術(shù)在無損檢驗(yàn)技術(shù)上獲得廣泛應(yīng)用，高靈敏度、高可靠性、高效率的無損檢驗(yàn)設(shè)備器材和檢驗(yàn)方法是未來發(fā)展的趨勢。