重水堆堆型超聲波檢測技術(shù)應(yīng)用

秦山三級(jí)（重水爐）核電站工程是“五年級(jí)”國家重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目，占地面積2.728公頃，設(shè)計(jì)壽命40年（年），該項(xiàng)目的主要技術(shù)采用加拿大技術(shù)。CANDU6是具有成熟運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的堆型,它安全可靠、技術(shù)先進(jìn),是國內(nèi)唯一重水堆核電機(jī)組。1998年6月一號(hào)反應(yīng)堆廠房底板澆灌第一罐砼,宣布工程建設(shè)正式開始。役前檢查項(xiàng)目由核工業(yè)無損檢測中心承擔(dān)。重水堆核電站要求在建造、安裝的同時(shí)進(jìn)行役前檢查,系統(tǒng)水壓試驗(yàn)后再抽查10%。役前檢查主要任務(wù)是對反應(yīng)堆廠房(核島)主管道焊縫(包括主熱傳輸系統(tǒng)、壓力和裝量控制系統(tǒng)、停堆冷卻系統(tǒng)、應(yīng)急堆芯冷卻系統(tǒng)和回收系統(tǒng))和主設(shè)備焊縫(包括蒸汽發(fā)生器、穩(wěn)壓器和除氣冷凝器)進(jìn)行超聲波檢測(UT),共要檢查近千條焊縫。1檢測方法規(guī)范b型超聲波檢測檢測ufCANDU項(xiàng)目要求核島安裝公司對主管道焊縫進(jìn)行100%射線檢測(RT)和100%液體滲透檢測(PT),對主設(shè)備支撐進(jìn)行100%PT。由于RT和PT自身存在一定的局限性,焊縫中可能有很多缺陷被漏檢。役前檢查要求進(jìn)行100%UT,正好彌補(bǔ)了上述檢查方法的不足,但超聲波檢測的難度和工作量增大,檢測人員要面對各種各樣的焊接缺陷和偽缺陷的檢查及甄別。超聲波檢測規(guī)程要求記錄所有≥20%DAC(距離幅度校正)的回波信號(hào),對缺陷采用6dB法測長,>50%DAC的缺陷還要用6dB法測高,對幾何顯示和干擾信號(hào)等要進(jìn)行區(qū)分并記錄。使用的A型超聲波檢測儀雖然精度高、功能全,但也只能提供回波信號(hào)的時(shí)間和幅度兩方面的信息。要辨別各個(gè)聲程的回波信號(hào)性質(zhì),不但要求檢測人員具備扎實(shí)的超聲波檢測理論基礎(chǔ),還要求了解焊縫的材料、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和加工、焊接工藝。對每個(gè)達(dá)到記錄靈敏度的信號(hào)都要求認(rèn)真分析,麻痹大意就可能造成漏檢,給日后的在役檢查留下隱患,而過評會(huì)產(chǎn)生不必要的返修,延誤工程進(jìn)度。2焊縫的結(jié)構(gòu)CANDU項(xiàng)目核島主管道內(nèi)徑為6～20in.(15.24～50.80cm),標(biāo)稱壁厚為14.2～32.5mm,采用單面焊雙面成形。焊縫坡口形式主要為U型,坡口寬度為20～30mm,傾角為30°左右,鈍邊高度為2～3mm,根部間隙2～3mm,在焊縫中心線兩側(cè)12～16mm范圍內(nèi)有鏜孔,如圖1所示。焊接完成后,根部具備打磨條件的都要求磨平,外表面焊縫余高磨平。主設(shè)備標(biāo)稱壁厚為49～129.5mm,采用雙面焊。焊縫坡口形式主要為雙U型和I型,內(nèi)外表面余高均已磨平。焊縫中主要缺陷為氣孔、夾渣、未熔合、根部未焊透和咬邊等。焊縫內(nèi)表面如根部、鏜孔等經(jīng)常產(chǎn)生各種波形顯示,它們?nèi)菀着c內(nèi)壁缺陷波和焊縫中缺陷二次波混淆。3各種回波信號(hào)的分析超聲波檢測經(jīng)驗(yàn)表明,出現(xiàn)在底波與始波信號(hào)之間的回波多為缺陷波,主要是氣孔、夾渣和未熔合等,其特征分別如下:3.1斜接頭移動(dòng)由于氣孔通常不大,其回波高度一般較低,波形尖銳,較穩(wěn)定,斜探頭環(huán)繞移動(dòng),反射波高大致相同,但縱向與橫向稍一移動(dòng),信號(hào)很快消失。密集氣孔為一簇反射波,其波高隨氣孔的大小而不同,當(dāng)斜探頭作定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),會(huì)出現(xiàn)此起彼落的現(xiàn)象。3.2斜接頭反射波點(diǎn)狀?yuàn)A渣的回波信號(hào)與點(diǎn)狀氣孔相似,但有方向性,斜探頭從不同方向探測,反射波高不同。條狀?yuàn)A渣的回波信號(hào)多呈鋸齒狀,波寬而帶有多個(gè)波峰,探頭橫向移動(dòng)時(shí),各個(gè)波峰的高度隨之發(fā)生變化。3.3反射波幅不同坡口未熔合對斜探頭較敏感,當(dāng)超聲波垂直入射到其表面時(shí),回波高度大,探頭橫向移動(dòng)時(shí),波形較穩(wěn)定。從兩側(cè)探測時(shí),反射波幅不同,有時(shí)只能從一側(cè)探到。直探頭容易探到層間未熔合,當(dāng)超聲波垂直入射到其表面時(shí),回波很強(qiáng),底波明顯降低,甚至消失。特別應(yīng)注意出現(xiàn)在底波信號(hào)位置的回波,其中既可能有根部形狀、鏜孔等的波形顯示,也可能有內(nèi)壁缺陷,如咬邊、未焊透等回波信號(hào)。3.4接頭范圍分析如圖2所示,直探頭探測時(shí),焊縫中心線上回波信號(hào)聲程低于兩側(cè)底波信號(hào)聲程,探頭縱向移動(dòng)時(shí),明顯有兩個(gè)信號(hào)上下跳動(dòng)。斜探頭探測時(shí),根部未焊透類似端角反射,探頭橫向移動(dòng)時(shí),波形較穩(wěn)定,對應(yīng)深度等于母材壁厚。從兩側(cè)探測時(shí),均能得到大致相同的反射波幅。3.5回波信號(hào)波幅如圖3所示,直探頭探測時(shí),焊縫中心線上回波信號(hào)聲程略低于兩側(cè)底波信號(hào)聲程,探頭縱向移動(dòng)時(shí),回波信號(hào)略有起伏,兩側(cè)底波信號(hào)波幅略高。斜探頭探測時(shí),回波信號(hào)波幅不高,對應(yīng)深度略小于母材壁厚。從兩側(cè)探,入射聲束不交叉。3.6底部磨幅較低,波幅較低如圖4所示,咬邊信號(hào)出現(xiàn)在根部信號(hào)的前面,波幅較低。若根部已磨平,則兩側(cè)都能發(fā)現(xiàn);若根部未打磨,則只能從一側(cè)探到,另一側(cè)因根部信號(hào)移動(dòng)范圍較大而無法發(fā)現(xiàn)。3.7機(jī)械麻黃,造成機(jī)械研磨一圈如圖5所示,在加工坡口預(yù)制鏜孔時(shí),由于操作失誤或加工不當(dāng),經(jīng)常在鏜孔附近造成內(nèi)壁機(jī)械劃痕。這種劃痕有時(shí)只有一小段,有時(shí)是半圈,甚至是一整圈。一般只能從一側(cè)探到,另一側(cè)因鏜孔信號(hào)移動(dòng)范圍較大而無法發(fā)現(xiàn)。3.8回波信號(hào)分析在繪制DAC曲線時(shí),發(fā)現(xiàn)在CANDU項(xiàng)目所有參考試塊上3/4橫孔和1橫孔回波信號(hào)之間都有一干擾信號(hào),該信號(hào)對應(yīng)深度約等于壁厚,反射點(diǎn)位于3/4孔正下方,波幅一般在DAC-6dB附近,且隨孔深/壁厚比的增加而增大。研究認(rèn)為,聲束擴(kuò)散角內(nèi)>45°的聲束直接入射到缺陷表面,經(jīng)底面反射后被探頭接收;<45°的聲束經(jīng)底面間接入射到缺陷表面,反射后被探頭接收。在6dB擴(kuò)散角范圍內(nèi),這兩部分回波疊加后,波幅可達(dá)到DAC曲線,甚至超過DAC曲線6dB以上,如圖6所示。檢測蒸汽發(fā)生器下封頭接管焊縫時(shí)出現(xiàn)了特殊情況,筆者選取回波信號(hào)當(dāng)量最大的一例作一介紹。某接管壁厚為81mm,焊縫內(nèi)外表面均已磨平,其中內(nèi)表面已加工成光滑圓柱面。在距焊縫中心線10mm處發(fā)現(xiàn)一當(dāng)量為DAC-0.8dB的內(nèi)壁反射信號(hào),經(jīng)滲透、磁粉檢測已排除是內(nèi)壁缺陷的可能。進(jìn)一步檢測發(fā)現(xiàn)在同一位置有一深度為75mm的缺陷,其波幅只有DAC-5.8dB。研究證實(shí)波幅較高的內(nèi)壁反射信號(hào)是由深度為75mm的缺陷引起的偽信號(hào)。底波信號(hào)位置后面的回波多為偽缺陷波,主要是根部或鏜孔變型波和二次橫波等的波形顯示。3.9焊縫表面檢測如圖7,8所示,超聲波入射到根部或鏜孔表面,表面形狀使橫波入射角αS小于第三臨界角αⅢ時(shí),焊縫中既有反射橫波,也有反射縱波,通常示波屏上只有一次反射橫波S1。當(dāng)內(nèi)表面形狀使反射波恰好垂直入射到焊縫表面或某些特殊位置時(shí),經(jīng)垂直反射,再沿原路徑返回探頭,示波屏上就會(huì)出現(xiàn)變型波L和二次反射橫波S2。示波屏上,一次橫波S1對應(yīng)深度T,變型波L對應(yīng)深度T+TcosβSCS/CL,二次橫波S2對應(yīng)深度T+TcosβS。對于變型波L,用油手拍打焊縫上表面時(shí),會(huì)出現(xiàn)明顯的波峰跳動(dòng)現(xiàn)象。CANDU項(xiàng)目管道焊縫中這種顯示較常見,主要波形如圖9所示。對于單獨(dú)出現(xiàn)在變型波L1或二次橫波S2位置的回波要特別留意,因?yàn)樗鼈冇锌赡苁侨毕荻尾?應(yīng)結(jié)合超聲波入射到內(nèi)表面的位置,用油手拍打焊縫表面看波峰是否跳動(dòng),前后移動(dòng)探頭看是否能檢測到缺陷一次波,根據(jù)具體情況進(jìn)行綜合判斷。4檢測結(jié)果及分析至2003年3月,歷時(shí)近三年的役前檢查項(xiàng)目基本完成,筆者選取具有代表性的管道焊縫進(jìn)行統(tǒng)計(jì),超聲波檢測結(jié)果如表1,2所示。1號(hào)核島管道焊縫總計(jì)檢查308條,其中56條返修,返修率為18.18%,84條焊縫含有記錄性缺陷,缺陷率為27.27%。2號(hào)核島管道焊縫總計(jì)檢查308條,其中47條返修,返修率為15.25%,70條焊縫含有記錄性缺陷,缺陷率為22.72%。1號(hào)核島異種金屬焊縫總計(jì)24條,其中14條返修,返修率為58.33%,12條焊縫含有記錄性缺陷,缺陷率為50%。2號(hào)核島異種金屬焊縫總計(jì)24條,其中16條返修,返修率為66.66%,8條焊縫含有記錄性缺陷,缺陷率為33.33%。CANDU堆役前檢查超聲波檢測出的缺陷信號(hào)當(dāng)量>100%DAC的缺陷要根據(jù)ASMEXI-IWB-3500進(jìn)行評定。實(shí)際上為從嚴(yán)處理,凡當(dāng)量>100%DAC的焊縫缺陷都進(jìn)行了返修,對當(dāng)量在DAC-3dB～DAC的焊縫缺陷,經(jīng)分析可能為未熔合等危險(xiǎn)性的缺陷也都進(jìn)行了返修。檢測中所發(fā)現(xiàn)的內(nèi)凹、咬邊及內(nèi)壁機(jī)械劃痕等回波信號(hào)的當(dāng)量均不大,都當(dāng)作根部形狀引起的波形顯示進(jìn)行了記錄,記錄性缺陷主要為單個(gè)氣孔、密集氣孔、單個(gè)夾渣和條狀?yuàn)A渣等體積性缺陷。對返修部位進(jìn)行了跟蹤,返修過程中采用液體滲透方法判斷缺陷的有無及缺陷是否返修干凈。每次返修都發(fā)現(xiàn)了缺陷,缺陷性質(zhì)主要是坡口未熔合、層間未熔合、條狀?yuàn)A渣及根部裂紋,與檢測結(jié)果吻合。5檢測注意事項(xiàng)埋藏在焊縫中的缺陷,其回波信號(hào)聲程小于底波信號(hào)聲程,容易辨認(rèn);近內(nèi)壁缺陷,其回波信號(hào)聲程與底波信號(hào)聲程大致相同,不易分辨;根部或鏜孔處產(chǎn)生的顯示波形較多,易與缺陷二次波混淆。在現(xiàn)場檢測中要準(zhǔn)確區(qū)分各種缺陷波和偽缺陷波,應(yīng)采取以下步驟:(1)檢測前,用IOW試塊測繪斜探頭的垂直聲束6dB擴(kuò)散角,并繪制在透