反应堆压力容器接管安全端焊缝相控阵超声检验技术研究

柯涛　丁松　余其涛　杨金莉　卢威

【摘 要】介绍了安全端焊缝的相控阵超声检验技术方案，阐述了研究过程中相控阵探头的关键参数设计，相控阵超声检验探头布置方式、数据分析方法、以及与常规超声技术对比分析。结合检验技术要求，采用理论分析、数值模拟以及试验比对等多种手段相结合的方式，结果表明：通过仿真及试验验证设计的相控阵探头，可以有效替代多种常规检测探头，设计的相控阵检测技术的检测及定量能力优于常规探头，并能有效减少现场检验时间。

【关键词】反应堆压力容器；异种金属焊缝；超声相控阵；核电厂

中图分类号： TG441.7 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）14-0053-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.14.023

Ultrasonic Phased Array Technique Research for Safe-end Weld of Nuclear Reactor Pressure Vessel

KE Tao DING Song YU Qi-tao YANG Jin-li LU Wei

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

【Abstract】This article introduces technical scheme of ultrasonic phased array testing for safe-end weld of nuclear reaction pressure vessel，key technology and layout of probe，data analysis method and technology analysis compared with conventional ultrasonic method are also stated in this paper.According to requirement of testing technology，theoretical analysis，numerical simulation and contrast test are combined used in this paper.The results show that ultrasonic phased array probes which were proved by the numerical simulation and contrast test can instead of multiple conventional ultrasonic probe，meanwhile，the detection and sizing of designed ultrasonic phased array probe for the defect are superior to conventional ultrasonic probe，and inspection time in nuclear power plant can be effectively reduced.

【Key words】Reactor pressure vessel；Dissimilar metal weld；Ultrasonic phased array；Nuclear power plant

0 前言

安全端焊缝是多种不同材料构成的异种金属焊缝，采用多层多道焊焊接工艺。因此该位置冶金、金相组织结构复杂，存在较粗大的柱状晶；焊接过程中比较容易产生制造缺陷，这种制造过程中的缺陷，在长期高温、高压、辐照的在役条件下，可能成为疲劳、晶间腐蚀等问题的源发地[1-3]。因此为保障安全端材料不受电化学因素的作用和防止一回路介质的腐蚀，在压力容器接管侧内壁还堆焊有奥氏体钢堆焊层，由于该基体（铁素体）、预堆边（Inconel合金或不锈钢）和堆焊层（不锈钢）三者之间热膨胀系数不一致，因此在安全端预堆边焊位置发生早期失效的可能性远大于容器其余位置。[4]所以定期对接管安全端焊缝进行超声检验显得十分必要，能够及时发现焊缝中产生的危险性缺陷，并对其进行准确定量，为缺陷的分析和評定提供准确数据，使其得到尽快处理，从而维护和保障核电设施的安全。

随着我国核电事业的发展，核电站核反应堆数量不断增加，承担的反应堆压力容器超声检验任务愈加频繁，业主对检验质量，检验效率和检验工期的要求也越来越高。目前国内对于接管安全端焊缝的检验广泛采用TRL技术。此技术采用多角度，多种聚焦深度的双晶探头进行分层检查，周向和轴向探头数量多达几十个。在电站大修检验中，接管安全端的检验工作从前期的探头标定、设备调试到后续的上堆正式检查所需的工作量约占压力容器检验总工作量的20%左右。

因此，笔者在研制开发高效可靠的新扫查装置的同时，在已有较成熟的常规超声检验技术基础上，开展接管安全端焊缝相控阵超声检验应用技术方面的分析和研究，设计出先进、可靠、快捷的可应用于核电现场反应堆压力容器接管安全端焊缝相控阵超声检验技术，发挥相控阵检测技术的优势，提高反应堆压力容器接管安全端焊缝超声检验的工作效率，缩短检验作业时间，减少核电大修窗口时间，减少人员所受的辐射剂量，将具有很大的市场需求和经济价值。

1 反应堆压力容器接管安全端焊缝相控阵超声检验技术

1.1 相控阵探头设计

考虑以原有成熟的常规超声检测技术为基础，保留常规0°双晶探头，其他探头统一采用二维双晶纵波（TRL）相控阵探头来替代常规TRL探头：

采用1个TRL二维相控阵纵波探头（Ⅰ型），替代常规技术中37°、45°深焦和60°、70°浅焦探头。

采用1个TRL二维相控阵纵波探头（Ⅱ型），替代常规技术中45°浅焦探头。

相控阵技术方案见表1。探头扫查方式同常规超声方法的扫查方式，扫查分为轴向扫查和周向扫查两种方式，具体的扫查方式和扫查参数见表2。

按拟定的设计思路，笔者设计了两种型式的相控阵探头，探头具体参数如下：

I型相控阵探头2L2（7×4）-Pp3.5-Ps4.0-W19.5-R3

II型相控阵探头4L2（1×3）-Pp9.0-Ps2.5-W17R5

1.2 相控阵探头声场仿真和法则验证

根据技术方案确定的参数进行声场模拟和法则验证，信息见表3，其声场均无明显栅波，-6dB焦距深度可覆盖全厚度区域。

2 试验方法及试验结果

2.1 设备及试块

采用DYNARAY（64/256PR）或DYNARAY-Lite（64/64PR）相控阵超声仪器进行试验，试块为带自然缺陷的异种金属环焊缝试块。其中试块外径为916mm，壁厚为90mm。试块中缺陷为缺陷为平面型缺陷，缺陷类型为内表面缺陷、外表面缺陷和埋藏缺陷。试块中人工缺陷设计参数如表4所示。

2.2 试验结果

使用I型相控阵探头（2L2（7×4）-Pp3.5-Ps4.0-W19.5-R3）设置聚焦法则37FD70、45FD10～70、60FD15、70FD10在参考试块上制作好TGC曲线，对试验试块上的9个缺陷进行自动检测。当发现缺陷后，采用-6dB法进行测长，端点衍射法进行测高。为了对比检查结果，将相控阵的检查结果同常规自动超声的检查结果，以及缺陷的设计值进行比较。试块的检测结果如表5所示。试块内表面开口缺陷按照探头产生的表面波均能准确判断检测结果如图1所示。

从检测试验结果可以看出，采用的相控阵检测技术，均可以实现内表面开口平面型缺陷、埋藏缺陷和外表面开口缺陷的检测，相控阵探头能够实现声波对被检安全端焊缝的全体积覆盖。采用超声相控阵技术的缺陷高度测量均方根误差为2.0mm、长度均方根误差为6.7mm，均满足ASME标准中的高度均方根小于3.2mm、长度均方根小于19mm的要求[5]；采用常规自动超声检查高度测量均方根误差为3.0mm、长度均方根误差为6.9mm。

3 结语

本着提高反应堆压力容器接管安全端焊缝超声检验工作效率，缩短作业时间，减少核电大修关键路径时间的原则，针对核电站反应堆压力容器接管安全端焊缝，提出采用相控阵检查技术替代常规超声自动检测。选用二维双晶面阵探头。利用声场仿真和法则验证，模拟了相控阵探头的覆盖范围。对含自然缺陷的异种金属环焊缝试块进行试验，结果表明：研究的相控陣技术可以实现试块全体积缺陷的检测和定量，定量结果符合ASME规范的要求。如果通过进一步优化及改进，该技术可以推广到核电站反应堆压力容器接管安全端焊缝的检测中。

【参考文献】

[1]郑辉，林树青.超声检测[M].北京：中国劳动社会保障出版社，2008，171-210.

[2]吕天明，刘金宏，李明，陈怀东，袁书现.反应堆压力容器安全端异种金属焊缝超声检查技术[J].无损检测，2014，04：8-13.

[3]曾玉华，陈霞，王家建，卢威，陈胜宇.核电站反应堆压力容器接管安全端焊缝涡流检测[J].无损检测，2014，10：41-43.

[4]陈怀东，肖学柱，李明，刘金宏.核电站安全端异种金属焊缝超声检查技术[J].无损检测，2009，11：862-867.

[5]ASME规范XI卷[S].2004版.