ITER 超導(dǎo)導(dǎo)體鎧甲焊縫的滲透檢測

劉小川，武 玉，劉華軍

（中科院等離子體物理研究所，合肥 230031）

PF線圈為國際熱核實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆（ITER）中的極向場線圈，在整個(gè)裝置的運(yùn)行中起著至關(guān)重要的作用，因此對其品質(zhì)提出了最嚴(yán)格的要求。為了保證PF導(dǎo)體焊縫的質(zhì)量，對其進(jìn)行無損檢測是必不可少的步驟。目前用于PF鎧甲焊縫上的無損檢測技術(shù)主要是射線檢測技術(shù)及滲透檢測技術(shù)，兩種技術(shù)的結(jié)合可以保證焊縫內(nèi)外表面的缺陷不漏檢。滲透檢測技術(shù)主要檢測PF導(dǎo)體焊縫的表面及近表面的開口缺陷，從而排除表面開口缺陷在導(dǎo)體成型受力中產(chǎn)生延展造成裂紋，影響PF線圈的極向磁場。

1 PF鎧甲焊接工藝及檢測區(qū)域

PF鎧甲是外方內(nèi)圓的結(jié)構(gòu)，材質(zhì)為316L 不銹鋼。其焊接方法為氬弧自動多層焊，四邊角手工氬弧焊，焊縫形式為單面施焊雙面成型。外表面焊縫經(jīng)打磨處理后無焊縫余高，內(nèi)表面余高不大于0.15 mm，焊縫寬度為10mm。

依據(jù)ASME標(biāo)準(zhǔn)第V 卷第6 章“液體滲透檢測”的規(guī)定，PF鎧甲對接焊縫滲透檢測的區(qū)域?yàn)楹缚p及兩側(cè)各25mm 的距離，如圖1所示。

2 檢測技術(shù)要求

根據(jù)ITER 國際核聚變PF 導(dǎo)體的技術(shù)規(guī)范，PF導(dǎo)體焊縫液體滲透檢測驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)為：

①不允許有任何線性顯示。②單個(gè)圓形顯示不大于1mm；在同一條線上，4個(gè)或者4個(gè)以上的圓形顯示相距不大于1.5mm。

圖1 PF鎧甲對接焊縫滲透檢測區(qū)域

3 滲透檢測方法

采用的溶劑去除型滲透檢測法具有較高的檢測靈敏度，能檢測出非常細(xì)小的開口缺陷，檢測靈敏度高，檢測速度快［1］。滲透劑采用顆粒度較小的WU－T 系列，高靈敏度，鹵素與硫含量進(jìn)行了嚴(yán)格的控制，滲透迅速，顯像清晰均勻細(xì)膩，對比強(qiáng)烈，能更好地反映出缺陷走向和形狀［3］。

4 滲透檢測工藝程序

4.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

需準(zhǔn)備靈敏度試塊，保證有足夠的檢測靈敏度；WU－T 系列的滲透劑、清洗劑、顯像劑；溫度計(jì)，時(shí)鐘，放大鏡，平面鏡，記錄本，照相機(jī)，日光燈，不脫毛抹布，手套及口罩。

4.2 靈敏度檢驗(yàn)

采用鍍鉻對比試塊對滲透檢測材料的性能及操作工藝進(jìn)行檢驗(yàn)［3］；不銹鋼鍍鉻試塊等級應(yīng)達(dá)到3級（高級），能清晰發(fā)現(xiàn)試塊上第3 區(qū)的人工裂紋［4］。

4.3 檢測步驟

預(yù)清洗，干燥，施加滲透劑，去除滲透表面多余的滲透劑，干燥，施加顯像劑，觀察評定后處理。

4.4 檢驗(yàn)實(shí)施

檢驗(yàn)實(shí)施時(shí)注意事項(xiàng)：

（1）實(shí)施滲透檢測適宜的溫度范圍為10～40℃［4］。如果在實(shí)際檢測中，溫度不在以上范圍，則應(yīng)通過對比試驗(yàn)確保實(shí)際溫度下進(jìn)行滲透檢測的有效性。

（2）噴砂、打磨工藝可能導(dǎo)致表面開口缺陷被封閉掩蓋，可采用浸蝕的方法進(jìn)行處理。

（3）采用噴涂法施加滲透液［5］，避免過多的滲透液堆積在導(dǎo)體焊縫表面造成滲漏，污染下層導(dǎo)體表面，同時(shí)也增加了清洗難度。

（4）在清洗的時(shí)候避免過清洗。

（5）顯像觀察時(shí)應(yīng)用放大鏡及反光鏡，放大鏡用于觀察識別缺陷［6］，反光鏡主要用于觀察導(dǎo)體焊縫的下表面，避免因觀察不全造成缺陷漏檢。

5 檢測結(jié)果與分析

通過顯像觀察，缺陷呈現(xiàn)月牙型，位于焊縫邊緣。并對缺陷進(jìn)行了金相分析，進(jìn)一步確定了缺陷的性質(zhì)。圖2為金相分析后放大的缺陷形貌。

圖2 缺陷放大40倍時(shí)的形貌

圖3 缺陷放大100倍時(shí)局部形貌

經(jīng)過金相分析確定缺陷為裂紋，造成焊縫表面產(chǎn)生裂紋的因素很多，針對PF 導(dǎo)體的生產(chǎn)環(huán)境及成型過程，造成焊縫表面出現(xiàn)裂紋的情況最有可能為以下兩點(diǎn)：

（1）焊接過程中產(chǎn)生的熱裂紋。一般熔敷金屬在冷卻結(jié)晶的過程中，晶間存在大量薄膜狀低熔點(diǎn)共晶物，又在結(jié)晶拉應(yīng)力的共同作用下，極易產(chǎn)生熱裂紋［7］，可用液態(tài)薄膜理論來解釋其原理［8］。在焊接完成后進(jìn)行第一次滲透檢測并沒有發(fā)現(xiàn)任何缺陷，說明裂紋掩埋在焊縫中，而導(dǎo)體經(jīng)過收纜繞制，因受到力的作用，造成裂紋的延伸和開口，從而在第二次滲透檢測中被檢出。

（2）外來夾雜物引起［9］。在PF 導(dǎo)體成型繞制的過程中，需要經(jīng)過若干程序，因此對周圍環(huán)境無法達(dá)到有效清潔度的控制。極有可能在成型過程中外來夾雜物被壓進(jìn)導(dǎo)體。在繞制完成后脫落，造成了壓痕，然后受力擴(kuò)展，延展成裂紋。無論是焊接過程中產(chǎn)生的熱裂紋還是夾雜物引起的，此類缺陷都非常危險(xiǎn)［10］。因此超導(dǎo)中心一方面加強(qiáng)了焊接技術(shù)的培訓(xùn)，另一方面也對生產(chǎn)環(huán)境提出了更高的要求。

6 結(jié)語

滲透檢測技術(shù)在PF鎧甲對接焊縫檢測中至關(guān)重要，它對焊縫表面缺陷有著較高的檢出率，彌補(bǔ)了射線檢測的不足，保證了PF 鎧甲對接焊縫的質(zhì)量。檢測中檢出的微小缺陷經(jīng)過打磨后并不影響焊縫的質(zhì)量，從而保證了資源的有效利用。

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