重水堆堆型超聲波檢測技術(shù)應用

重水堆堆型超聲波檢測技術(shù)應用

秦山三級（重水爐）核電站工程是“五年級”國家重點建設項目，占地面積2.728公頃，設計壽命40年（年），該項目的主要技術(shù)采用加拿大技術(shù)。CANDU6是具有成熟運行經(jīng)驗的堆型,它安全可靠、技術(shù)先進,是國內(nèi)唯一重水堆核電機組。1998年6月一號反應堆廠房底板澆灌第一罐砼,宣布工程建設正式開始。役前檢查項目由核工業(yè)無損檢測中心承擔。重水堆核電站要求在建造、安裝的同時進行役前檢查,系統(tǒng)水壓試驗后再抽查10%。役前檢查主要任務是對反應堆廠房(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)、應急堆芯冷卻系統(tǒng)和回收系統(tǒng))和主設備焊縫(包括蒸汽發(fā)生器、穩(wěn)壓器和除氣冷凝器)進行超聲波檢測(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項目要求核島安裝公司對主管道焊縫進行100%射線檢測(RT)和100%液體滲透檢測(PT),對主設備支撐進行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。役前檢查要求進行100%UT,正好彌補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,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等要進行區(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的時間和幅度兩方面的信息。要辨別各個聲程的回波信號性質(zhì),不但要求檢測人員具備扎實的超聲波檢測理論基礎,還要求了解焊縫的材料、結(jié)構(gòu)特點和加工、焊接工藝。對每個達到記錄靈敏度的信號都要求認真分析,麻痹大意就可能造成漏檢,給日后的在役檢查留下隱患,而過評會產(chǎn)生不必要的返修,延誤工程進度。2焊縫的結(jié)構(gòu)CANDU項目核島主管道內(nèi)徑為6～20in.(15.24～50.80cm),標稱壁厚為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。主設備標稱壁厚為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各種回波信號的分析超聲波檢測經(jīng)驗表明,出現(xiàn)在底波與始波信號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,反射波高大致相同,但縱向與橫向稍一移動,信號很快消失。密集氣孔為一簇反射波,其波高隨氣孔的大小而不同,當斜探頭作定點轉(zhuǎn)動時,會出現(xiàn)此起彼落的現(xiàn)象。3.2斜接頭反射波點狀夾渣的回波信號與點狀氣孔相似,但有方向性,斜探頭從不同方向探測,反射波高不同。條狀夾渣的回波信號多呈鋸齒狀,波寬而帶有多個波峰,探頭橫向移動時,各個波峰的高度隨之發(fā)生變化。3.3反射波幅不同坡口未熔合對斜探頭較敏感,當超聲波垂直入射到其表面時,回波高度大,探頭橫向移動時,波形較穩(wěn)定。從兩側(cè)探測時,反射波幅不同,有時只能從一側(cè)探到。直探頭容易探到層間未熔合,當超聲波垂直入射到其表面時,回波很強,底波明顯降低,甚至消失。特別應注意出現(xiàn)在底波信號位置的回波,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。3.4接頭范圍分析如圖2所示,直探頭探測時,焊縫中心線上回波信號聲程低于兩側(cè)底波信號聲程,探頭縱向移動時,明顯有兩個信號上下跳動。斜探頭探測時,根部未焊透類似端角反射,探頭橫向移動時,波形較穩(wěn)定,對應深度等于母材壁厚。從兩側(cè)探測時,均能得到大致相同的反射波幅。3.5回波信號波幅如圖3所示,直探頭探測時,焊縫中心線上回波信號聲程略低于兩側(cè)底波信號聲程,探頭縱向移動時,回波信號略有起伏,兩側(cè)底波信號波幅略高。斜探頭探測時,回波信號波幅不高,對應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,咬邊信號出現(xiàn)在根部信號的前面,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)因根部信號移動范圍較大而無法發(fā)現(xiàn)。3.7機械麻黃,造成機械研磨一圈如圖5所示,在加工坡口預制鏜孔時,由于操作失誤或加工不當,經(jīng)常在鏜孔附近造成內(nèi)壁機械劃痕。這種劃痕有時只有一小段,有時是半圈,甚至是一整圈。一般只能從一側(cè)探到,另一側(cè)因鏜孔信號移動范圍較大而無法發(fā)現(xiàn)。3.8回波信號分析在繪制DAC曲線時,發(fā)現(xiàn)在CANDU項目所有參考試塊上3/4橫孔和1橫孔回波信號之間都有一干擾信號,該信號對應深度約等于壁厚,反射點位于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。研究認為,聲束擴散角內(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擴散角范圍內(nèi),這兩部分回波疊加后,波幅可達到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出現(xiàn)了特殊情況,筆者選取回波信號當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)一當量為DAC-0.8dB的內(nèi)壁反射信號,經(jīng)滲透、磁粉檢測已排除是內(nèi)壁缺陷的可能。進一步檢測發(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。研究證實波幅較高的內(nèi)壁反射信號是由深度為75mm的缺陷引起的偽信號。底波信號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,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,經(jīng)垂直反射,再沿原路徑返回探頭,示波屏上就會出現(xiàn)變型波L和二次反射橫波S2。示波屏上,一次橫波S1對應深度T,變型波L對應深度T+TcosβSCS/CL,二次橫波S2對應深度T+TcosβS。對于變型波L,用油手拍打焊縫上表面時,會出現(xiàn)明顯的波峰跳動現(xiàn)象。CANDU項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,因為它們有可能是缺陷二次波,應結(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,前后移動探頭看是否能檢測到缺陷一次波,根據(jù)具體情況進行綜合判斷。4檢測結(jié)果及分析至2003年3月,歷時近三年的役前檢查項目基本完成,筆者選取具有代表性的管道焊縫進行統(tǒng)計,超聲波檢測結(jié)果如表1,2所示。1號核島管道焊縫總計檢查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號核島管道焊縫總計檢查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號核島異種金屬焊縫總計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號核島異種金屬焊縫總計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當量>100%DAC的缺陷要根據(jù)ASMEXI-IWB-3500進行評定。實際上為從嚴處理,凡當量>100%DAC的焊縫缺陷都進行了返修,對當量在DAC-3dB～DAC的焊縫缺陷,經(jīng)分析可能為未熔合等危險性的缺陷也都進行了返修。檢測中所發(fā)現(xiàn)的內(nèi)凹、咬邊及內(nèi)壁機械劃痕等回波信號的當量均不大,都當作根部形狀引起的波形顯示進行了記錄,記錄性缺陷主要為單個氣孔、密集氣孔、單個夾渣和條狀夾渣等體積性缺陷。對返修部位進行了跟蹤,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、條狀夾渣及根部裂紋,與檢測結(jié)果吻合。5檢測注意事項埋藏在焊縫中的缺陷,其回波信號聲程小于底波信號聲程,容易辨認;近內(nèi)壁缺陷,其回波信號聲程與底波信號聲程大致相同,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)場檢測中要準確區(qū)分各種缺陷波和偽缺陷波,應采取以下步驟:(1)檢測前,用IOW試塊測繪斜探頭的垂直聲束6dB擴散角,并繪制在透