用于AP1000型核电站核级主设备厚壁焊缝的相控阵超声检验技术研究

杨勇　巩希德　夏中杰

【摘 要】AP1000核电机组是目前国际上先进的第三代核电机组，按照ASME规范要求，核级设备（例如：蒸发发生器等）的焊縫需要进行超声检验，而这类焊缝均有厚壁较厚等特点。目前，在国内均使用常规手动超声方式进行检验，效率相对较低且受人因因素影响较大的问题。近年来相控阵超声技术发展迅速，有着检验效率高、信号直观等优点。目前国内还未开始设备厚壁焊缝相应相控阵超声的验证和应用相关工作。本文通过研究和试验，形成了一套适用于AP1000核级主设备厚壁焊缝的相控阵超声检查方法。

【关键词】AP1000；核级主设备；厚壁焊缝；相控阵超声检验

中图分类号： TM623 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）12-0007-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.12.003

Research on phased array ultrasonic testing technology for thick wall weld of nuclear grade main equipment of AP1000 nuclear power plant

YANG Yong GONG Xi-de XIA Zhong-jie

（China Nuclear Power Operation Technology Corporation， LTD， Wuhan Hubei 430223， China）

【Abstract】AP1000 nuclear power unit is the advanced third generation nuclear power unit in the world. According to the requirements of ASME specification， the weld of nuclear grade equipment （such as evaporation generator， for example） needs ultrasonic inspection， and the thick wall of this kind of weld has the characteristics of thick wall. At present， the conventional manual ultrasonic testing method is used in China， which is relatively inefficient and is influenced by human factors. In recent years， phased array ultrasonic technology has developed rapidly， and has the advantages of high efficiency and intuitive signal. At present， there is no work on the verification and application of phased array ultrasonic for thick wall weld in China. Through research and experiment， a phased array ultrasonic inspection method suitable for thick wall weld of AP1000 nuclear grade main equipment has been formed.

【Key words】AP1000； Nuclear class main equipment； Thick wall welds； Phased array ultrasonic examination

0 引言

根据ASME规范，AP1000型核电站核级主设备筒体焊缝需要进行超声检验，由于焊缝位于核一回路压力边界，一般厚壁都较厚。国内对于现有此类厚壁焊缝的役前和在役检查，除AP1000机组少量特定焊缝采用了自动常规超声检验，其他多数焊缝普遍采用手动常规超声方式进行检验。相控阵超声检验技术由其特殊的超声波发射方式，可同时形成多角度的扇形扫查[1]，以一个相控阵探头同时替代多个常规超声探头，从而能够高效的完成检验任务。

目前，在核电无损检测领域，相控阵超声还处于小范围使用的状态[2-3]，仅在核级管道和部分自主项目上有所应用。国内还未开始设备厚壁焊缝相应相控阵超声的验证和应用相关工作。

1 设备厚壁焊缝相控阵超声检验技术

1.1 检测对象介绍

本文选取AP1000核电机组核级主设备厚壁焊缝中壁厚最厚且内壁带有堆焊层的蒸汽发生器下封头与管板连接焊缝（核安全1级）作为相控阵超声检验技术的研究对象。焊缝基本信息：母材材料为SA508 GR3 CL2，规格尺寸：？覫3979.6mm×（基体金属254mm+堆焊层5.9mm）。

1.2 技术能力验证要求

核级主设备厚壁焊缝不属于特殊验证项目，其超声检验验证要求将参考ASME规范XI卷规定性附录VIII的反应堆压力容器的筒体焊缝要求进行。

1.3 检验难点分析

（1）厚度大造成声束传播路径长，底面超声信号噪声大，影响缺陷分辨和定量数据。

（2）检测对象底面堆焊层会使超声信号进一步衰减，而形成底面缺陷信号弱。

（3）焊缝属于核安全1级，质量要求较高。

（4）焊缝处于核电厂一回路边界，周围环境剂量率高且位置空间复杂，需要高效地完成焊缝的检验过程。

1.4 相控阵超声探头的设计

设备厚壁焊缝一般可能发生的缺陷类型主要是平面型的裂纹、未焊透、未熔合和体积型的夹渣和气孔等[4]。基体材料一般为铁素体钢锻造而成，其晶粒均匀，然而随着壁厚增加，超声衰减变明显，需要通过合理设置相控阵探头的电子聚焦法则来尽可能减小壁厚衰减以及内壁堆焊层的影响。

通过使用不同孔径和频率探头对统一规则反射体超声信号的对比试验[5-6]，最终选用2.25MHz孔径30*20的横波探头作探测，选用4MHz孔径35*20的纵波探头作定量。

2 设备厚壁焊缝相控阵超声试验

2.1 相控阵仪器和探头

采用Olympus生产商生产的型号为Omniscan MX2便携式相控阵超声仪以及配套的软件并搭载1.4节中的探头。

2.2 试块

2.2.1 参考试块

参考试块主要用于基准灵敏度标定。本次试验采用蒸汽发生器管板与底封头焊缝试块，示意图如下图。

2.2.2 验证试块

验证采用带有真实裂纹的试块，用于验证探测探头的发现缺陷和缺陷定量精度能力。本次试验采用了大直径厚壁、内壁带堆焊层的裂纹试块（低合金钢材质），选取了了4个深度位置具有代表性的裂纹。

裂纹试块的具体信息如下：

带有焊缝，内直径3951mm，厚度为基体金属235mm+堆焊层7mm和基体金属200mm+堆焊层6mm两种试块；

试验选取位于焊缝的裂纹。各裂纹设计尺寸见下表。

裂纹示意图见下图3。

2.3 试验过程

试验使用相控阵超声手动方式在参考试块上进行标定，最终将在裂纹试块上进行手动检验并记录相关缺陷信息，与裂纹缺陷尺寸设计值对比并得出是否能够满足ASME相关的验证要求。

2.4 试验结果

试验结果将分为探测结果和定量结果两个部分分别进行描述和分析。

2.4.1 探测结果

探测测试主要目的是验证探测探头在当前灵敏度下是否能够全部有效的检验出上述的裂纹缺陷，本次探测使用-12dB法记录缺陷的起始与终止位置，结果汇总如下：

從上述相控阵探头探测结果可以得出：

（1）试验裂纹全部都能够探测出来，当前探测探头参数满足探测检验要求；

（2）试验裂纹的相控阵信号中具有很高的信噪比，扇形扫查界面能够供检验人员快速、直观地分辨缺陷。

2.4.2 定量结果

定量测试主要目的是验证定量探头是否能够全部准确地测量出上述的裂纹缺陷尺寸信息，以评判是否满足ASME规范中验证相关要求。本次裂纹缺陷的定量使用端点衍射法测量缺陷高度，使用-12dB法记录缺陷的长度，结果汇总如下：

从上述相控阵探头定量结果可以得出：

（1）对于缺陷自身高度的测量，相控阵的特有扇扫界面非常容易辨别平面型缺陷的上下端点，定量和定性分析容易。

（2）扇扫界面可一次性显示缺陷周围的图像信息，对于缺陷和伪缺陷或是结构信号的辨别快速而清晰。

2.5 试验结果分析

将本次试验结果进行统计分析，探测和定量结果分析表见下表4。

根据上述探测和定量结果分析表：

a）内外表面、近表面及中部埋藏等4个裂纹均被检测出，且缺陷的位置误差在-2.3～10.9mm范围内，满足缺陷探测验收准则。

b）对于缺陷的自身高度尺寸测量，误差在-2.4～1mm以内，满足缺陷定量验收准则（a）的要求。

c）对于缺陷的长度尺寸测量，误差范围在1.7～6.1mm以内，满足缺陷定量验收准则（b）的要求。

d）统计缺陷的定量测量结果，通过计算，线性回归线斜率为0.88；缺陷自身高度平均偏差为1.3mm；相关系数为0.99；上述数据满足缺陷定量验收准则（c）的要求。

上述相控阵试验分析结果完全能够满足厚壁焊缝的相关检验要求。

3 现场应用

厚壁焊缝相控阵超声检验技术目前已成功的应用于蒸发器二次侧自主检查项目中，现场实施方便快捷，缺陷的探头和定量结果与设备出厂检查结果相吻合，取得了良好效果。

4 结论

针对核级主设备厚壁焊缝，相控阵超声检验技术测试试验结果表明该技术完全满足相关的检测需求和能力验证要求。

在部分方面甚至优于目前的常规手动超声检测技术，具体如下：

（1）探测和定量分析方面。相控阵检验技术有其独特的扇形扫查，能够快速、直观地分辨缺陷，同时可以减少人为因素造成的漏检。

（2）相同检验质量下的检验时间花费方面。对于核级主设备厚壁焊缝超声检验，相控阵检验技术所用探头少，可以减少人员需求和有效缩短检验总体时间。

目前，试验的相控阵技术为手动方式，未来可进行超声自动扫查试验研究，将可进一步减小人因因素的影响，提高缺陷的重复率和准确率，保障核电运行的安全性。

【参考文献】

[1]李衍.焊缝超声相控阵扇形扫查的覆盖范围，无损探伤，2011，35（4）：6-11.

[2]何晓春.超声相控阵检测技术在无损检测中的应用，船舶标准化与质量，2014（5）：29-31.

[3]刘云.相控阵超声检测技术核电应用前景展望，科技视界，2018，06，251-253.

[4]门正兴.核电用SA508-3钢大型锻件的内部裂纹缺陷分析及工艺优化，锻压技术，2017，08，1-6.

[5]况迎辉.超声相控阵探头的模型研究与参数优化，传感技术学报，2010，23（12）；1732-1735.

[6]刘正凡.对接焊缝中超声相控阵的检测，广东化工，2008，35（12），103-108.