反应堆压力容器J型坡口焊缝自动超声检测工艺研究和结果分析

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　　【摘 要】压力容器驱动管座和中子测量管座贯穿件J型坡口焊缝由于其结构的特殊性不能采用常规超声方法进行检测。本文针对自动检测系统展开了调试，设计了参考试块进行了灵敏度和数据验证;通过对管座模拟件的检测和结果分析，验证了系统的可靠性和检测方案的合理性;检测系统在产品检验中实际运用，对产生的信号显示进行定位、定量和识别。
　　【关键词】自动超声检测;反应堆压力容器;贯穿件;J型焊缝
　　中图分类号： TH878.2;TL351.6 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）36-0272-004
　　DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.36.129
　　Auto Ultrasonic Testing Research and Indication Analysis for J Type Welding in Reactor Pressure Vessel
　　ZHOU Yi*
　　（Shanghai Electric Nuclear Power Equipment Co.， Ltd.， Shanghai 201306， China）
　　【Abstract】Due to the special structure of J type welding for CRDM and BMI in Reactor Pressure Vessel， it is not feasible to carry out the inspection by the ordinary ultrasonic testing method. This research focus on debugging system and designed the UT blocks to carry on the sensitivity and data verification. The reliability of testing system， along with the rationality of testing scheme， are verified by the testing processing and results analysis for the simulation specimens.  This testing system is actually exercised in product examination， the sign of indications are located， measured and distinguished.
　　【Key words】Auto Ultrasonic testing; Reactor Pressure Vessel; Penetration piece; J type welding
　　0 引言
　　反应堆压力容器是核电站核岛中的关键设备，它主要用来盛装反应堆堆芯，使高温高压的冷却剂保持在一个密封的壳体内，同时起辐射屏蔽作用。位于顶盖的驱动管座和位于下封头的中子测量管座均贯穿了压力容器外壳，管座与外壳金属壁的焊接质量对压力容器的密封性产生重大影响，焊缝处的缺陷一旦形成穿透，将会导致反应堆冷却剂出现泄漏，进而影响了整个核反应堆的安全。
　　驱动管座和中子测量管座管壁厚度较大，涡流检测存在趋肤效应，从内壁进行涡流扫查效果不佳;由于该处结构的特殊性，外壁超声检测存在结构受限;而管座内壁结构平整，超声检测又能穿透一定的深度，能有效覆盖焊缝处的检测。因此，本文采用超声方法通过内壁对管座焊缝检测展开了研究，实现检测方法和检测工艺的确定，针对产品结构设计灵敏度试块保证检测数据的可靠性，最终对工艺评定件和产品进行检测并加以分析。
　　1 检测方法
　　压力容器驱动管座和中子测量管座内壁孔径小，检测位置距离管端较远，常规超声检测无法到达检测区域。内壁检测需要自动超声扫查装置，超声探头安装到运动装置内，利用运动装置替代人工扫查实现轴向伸缩和周向旋转的功能，设置合理的扫查范围和步进参数，达到检测区域的扫查覆盖。J型焊缝与管座结合面平行于管座内壁，焊缝结构特点决定直探头就可以实现该区域的有效检测，为保证检测过程的分辨力，本文采用高频探头。
　　2 检测设备
　　检测设备由运动控制系统、超声检测系统、耦合剂循环系统、音视频系统和INTRASPECT超声数据采集分析系统五个部分组成。
　　超声检测系统采用多通道，检测之前应对水平线性和垂直线性完成测试。驱动管座采用纵波双晶直探头进行检测，频率为5MHz， 为保证探头分辨力，界面处的声束直径不大于2.5mm;中子测量管采用纵波单晶直探头，频率为5MHz，焊缝结构较小，检测要求更高，界面处的声束直径不大于1.5mm。
　　运动控制系统主体为7160扫查器和MCS控制器，以及自动对位装置。7160扫查装置具有较好的扩展性，通过更换位于扫查装置顶部的探头组件，即可完全覆盖两种焊缝的扫查。组件的線缆通过扫查装置的转接板与超声检测系统相连，较为灵活。
　　7160扫查装置具有X周向旋转轴和垂直运动Y轴，自动对位装置能够提供平行地面的两维运动，两者共同控制确保了检测行进的灵活性。
　　耦合剂循环系统由循环水管、智能控制水泵、过滤器等构成，作用是扫查时耦合剂的供给及回收。
　　音视频系统包括摄像头、照明灯和显示器等设备，对扫查装置和扫查部位进行实时监控。
　　INTRASPECT超声数据采集分析系统由超声数据采集系统、前置放大器、采集分析工作站、INTRASPECT采集软件及分析软件，对超声信号进行采集和分析。
　　3 参考试块 　　ASME标准要求焊缝深度小于25mm时，横孔孔径设置为2.5mm， RCCM标准要求横孔孔径为2.0mm， 综上考虑CRDM管座基准灵敏度设定为位于焊缝和管座交界面的φ2mm横孔以保证检测精度，灵敏度校验试块按照实际产品结构设计，详见图1。φ2mm横孔对检测信号的有效性进行验证，检测信号的位置和幅值均得到核验。另外本文设计了数据校验试块，试块上φ3mm平底孔和φ2mm横孔与管座外壁相切，模拟位于J型焊缝处的缺陷信号，φ2横孔设定基准灵敏度，比较检测过程中的信号幅值偏差;φ3mm平底孔验证采集过程中位置的偏差，由此保证了检测过程中信号幅值和位置的可靠性。详见下图2。
　　图1 驱动管座灵敏度校验试块
　　中子测量管座J型焊缝检测试块基准灵敏度设定为φ3mm平底孔，在焊缝和管座外壁交界面上设计φ3mm、φ2mm两个平底孔，φ2mm平底孔核验探头焦点尺寸是否产生偏差，φ3mm平底孔调节基准灵敏度，核验检测前后的位置、深度。试块设计图如下（图3）。
　　为验证检测方案的合理可行，本文设计了驱动管座和中子测量管座J型焊缝的工艺评定件。驱动管座J型焊缝模拟件1设置了点状缺陷，用于气孔、夹渣等点状缺陷的研究，模拟件2设计了未熔合缺陷，用于面状缺陷的研究。中子测量管座J型焊缝模拟件设置了点状缺陷。
　　图2 驱动管座数据校验试块
　　图3 中子测量管座数据校验试块
　　4 检测工艺
　　4.1 参数设置
　　表1 系统采集参数基本设置
　　连接运动控制系统、超声检测系统、耦合剂循环系统、音视频系统和INTRASPECT超声数据采集分析系统，通过系统数据采集分析软件调试各个系统是否有效运行。进行检验参数的初始设置，通过试验，得出了较为优化的参数配置，如表1和表2所示。
　　表2 探頭参数基本设置
　　4.2 数据采集
　　（1）采集之前对探头灵敏度和探头延迟进行调节。探头延迟调节要求为将第一次底面回波深度调节至校准试块标称厚度（即管座管壁厚度）。驱动管座检测以距对比试块内径深度16mm处Φ2mm横孔的回波高度达到满屏的80%作为参考灵敏度;中子测量管检测以距对比试块内径深度11.3mm处Φ3mm平底孔回波高度达到满屏的80%作为参考灵敏度。
　　（2）为保证扫查覆盖率和数据采样率，本研究对数据采集间距和最大扫查速度进行了调试，确认后按下表参数执行扫查。
　　表3 贯穿件超声检测扫查参数
　　（3）为保证定位标准的一致性，扫查轴向零点设置为贯穿件下端口;周向零点为贯穿件J焊缝最低点。检测覆盖范围设置如下：驱动管座将管座/焊缝界面周向两侧外延各2.5mm范围内的区域应进行100%检验，轴向检测范围为J形焊缝最高点往上12mm到J形焊缝最低点往下12mm。。驱动管座将管座/焊缝界面周向两侧外延各2.5mm范围内的区域应进行100%检验，轴向检测范围为J形焊缝最高点往上12mm到J形焊缝最低点往下12mm。
　　4.3 数据验证
　　每次数据采集前后应进行有效性验证。（1）驱动管座根据图2所示试块进行验证，Φ3mm平底孔的位置与试块图纸名义值的偏差在轴向±1mm，周向±1°范围内;Φ2mm横孔的最大回波幅度校验值的偏差在±2dB范围内。（2）中子测量管座焦点尺寸偏差采用-6dB法测定图3对比试块上距内径11.3mm深处Ф2mm的平底孔尺寸，要求测量结果在Ф2±0.5mm范围内;位置和信号幅值校准以图3的Φ3mm平底孔为基准，位置偏差控制在轴向±1mm，周向±1°范围内，幅值偏差控制在最大回波幅度的±2dB范围内。
　　5 结果与讨论
　　5.1 工艺评定结果分析
　　图4为驱动管座模拟件1的C扫图，图中蓝色部分为焊缝区域，J型焊缝呈马鞍型，C扫平面展开呈S型带状区域，其他区域为管子外壁信号的C扫显示。如图所示，扫查结果表明模拟件内部数据存在5个圆形显示，信号的位置、幅值信息见表4。数据采集完成后对工艺评定件缺陷处进行了解剖分析，并对缺陷尺寸和位置信息进行了尺寸测量，结果见表4的实测值。比照超声检测值和实际测量值，两者仅存在细微偏差，结果保持了较好的一致性。
　　图5为驱动管座模拟件2的C扫图，如图所示，焊缝区域出现了面状密集显示，说明整圈焊缝结合不紧密，整个区域出现了幅值较大的反射信号，检测完成后对模拟件2#进行了解剖处理，结果也表明了整圈焊缝存在未熔合。
　　图6为中子测量管座模拟件超声检测的C扫图，显示信号的位置、尺寸信息见表5，从表中可知超声检测结果和实际测量值数据几乎吻合。
　　图4 驱动管座J型焊缝模拟件1
　　图5 驱动管座J型焊缝模拟件2
　　图6 中子测量管座J型焊缝模拟件
　　5.2 产品检测结果分析
　　模拟件试验得到的一系列数据通过与实际检测数据的比较，只有极小偏差，保持了结果的一致性，同时验证了检测工艺的合理性。利用上述试验调整得到的检测参数，对两台压力容器的产品管座J型焊缝进行检测，驱动管座和中子测量管座分别得到了130和100组焊缝的检测数据，在采集的过程中值得注意的是由于管座位置在封头上的排布存在差异，J型焊缝的形状位置特征参数也有不同，为确保采集数据的完整性，采集开始前需要观测反射波的信号变化来确定检测范围。结果数据量较大，下面仅挑选具有代表性的数据展开分析。以驱动管座为例。
　　图7 驱动管座J型焊缝产品信号图
　　表6 驱动管座J型焊缝产品缺陷超声检测结果
　　两台压力容器驱动管座共130根，如表6所示，显示结果表明存在4处疑似信号。信号的长宽比均小于或接近2，形状特征均为圆形显示，对应的是气孔，夹渣等点状缺陷，而且缺陷的幅值，大小均远远满足验收标准的要求;不存在未熔合，未焊透，裂纹等缺陷对应的线性显示，而线性显示易扩展，易导致材料失效。以上结果间接证明了焊接工艺的可靠性。
　　值得注意的是表中1#，2#，3#缺陷为前一台压力容器管座J型焊缝的检测结果，结果表明焊缝均疑似气孔夹渣等点状缺陷类别的信号。尤其是气孔信号，很可能由如下原因引起：（1）表面清理不干净。（2）焊条焊剂未完全烘干（3）焊接线能量过小，导致熔池冷却速度大，不利于气体逸出。检测结束后将结果反馈给焊接部门，做好下台设备手工焊接的技术交底，注意如上几点检测事项，结果表明下台设备仅有1#一处信号显示，焊接质量显著改善。
　　对中子测量管座J型焊缝进行了检测， 100处焊缝无一处记录显示。
　　6 结束语
　　本研究主要针对驱动管座和中子测量管座J型焊缝的检测进行了试块设计，检测方案的制定，模拟件试验信号分析，产品检测结果信号分析等一系列工作。设计出了能代表产品特征的灵敏度试块和数据验证试块，为监测系统采集前后的稳定性，设置了数据验证的要求。利用试块调节出较为优化的检测工艺参数。模拟产品对该两类焊缝均设计出含有自然缺陷的模拟件，模拟件检测结果与实际尺寸测量结果保持了很好的一致性。产品检测结果表明J型焊缝较易出现气孔、夹渣等圆形显示，因此，焊接工艺要重点防控这类缺陷的产生。整套检测系统具有较好的可调节性，通过对7160部分组件的更换可完成核电项目各种堆型压力容器贯穿件焊缝的扫查，为后续AP1000、CAP1400、华龙一号等堆型贯穿件的检测提供可靠的检测技术支持。
　　【参考文献】
　　[1]徐可北，周俊华.涡流检测.北京：机械工业出版社，2004.
　　[2]郑晖，林树青.超声检测.北京：中国劳动社会保障出版社，2008.
　　[3]RCC-M压水堆核电站核岛机械设备设计与建造法则，2003.
　　[4]NPC-4410-GG-901反应堆压力容器设备规格书，2012.
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