中國先進(jìn)壓水堆核電站控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)耐壓殼下部焊縫的自動(dòng)超聲檢測(cè)

余　哲,李　明,陳懷東,孫加偉,王偉強(qiáng),湯建幫

(中廣核檢測(cè)技術(shù)有限公司， 蘇州 215021)

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中國先進(jìn)壓水堆核電站控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)耐壓殼下部焊縫的自動(dòng)超聲檢測(cè)

余哲,李明,陳懷東,孫加偉,王偉強(qiáng),湯建幫

(中廣核檢測(cè)技術(shù)有限公司， 蘇州 215021)

介紹了三代機(jī)組CEPR(中國先進(jìn)壓水堆)核電站控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(CRDM)耐壓殼焊縫的結(jié)構(gòu)，針對(duì)被檢焊縫的材料組織特性，提出了控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)耐壓殼下部焊縫自動(dòng)超聲檢測(cè)工藝要求，并進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)。結(jié)果表明：自動(dòng)超聲檢測(cè)能夠有效地檢測(cè)出焊縫中高度大于3 mm的缺陷。

核電站；CRDM焊縫；奧氏體不銹鋼；自動(dòng)超聲檢測(cè)

核電站控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(CRDM)是關(guān)系到反應(yīng)堆正常運(yùn)行和安全可靠的關(guān)鍵設(shè)備之一，其由承壓殼體、電磁部件、運(yùn)動(dòng)部件、驅(qū)動(dòng)桿和步長(zhǎng)位置指示器組成。其中承壓殼體異種金屬焊縫為CRDM中的敏感部位。由于該部位長(zhǎng)期處于高溫、高壓、高輻射的環(huán)境中，容易產(chǎn)生腐蝕、裂紋等缺陷，因此核電站在役檢查規(guī)范和機(jī)組檢查大綱中，對(duì)控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)殼體異種金屬焊縫的無損檢測(cè)都進(jìn)行了強(qiáng)制性要求。筆者通過對(duì)CRDM焊縫材料的研究,結(jié)合聲場(chǎng)仿真技術(shù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析,得出自動(dòng)超聲檢測(cè)能夠有效檢出焊縫中高度大于3 mm缺陷的結(jié)論。

1　檢測(cè)對(duì)象

1.1檢測(cè)對(duì)象結(jié)構(gòu)

CEPR(中國先進(jìn)壓水堆)機(jī)組CRDM與接管座采用法蘭連接方式，并在耐壓殼下部引入對(duì)接焊縫。按照檢查大綱的要求，役前檢查應(yīng)從CRDM耐壓殼外部對(duì)其下部焊縫進(jìn)行自動(dòng)超聲檢測(cè)，被檢對(duì)象結(jié)構(gòu)示意見圖1,2。

圖1　CRDM整體結(jié)構(gòu)示意

圖2　CRDM焊縫坡口示意

如圖1所示，CRDM由兩段不同直徑殼體組成，中部及下部殼體規(guī)格為:外徑φ147 mm，長(zhǎng)811 mm。CRDM耐壓殼與接管座通過法蘭連接方式固定，整根CRDM耐壓殼有四條焊縫，其中被檢焊縫為固定法蘭與馬氏體不銹鋼殼體之間的異種金屬焊縫，位于CRDM耐壓殼的下部，焊縫厚度為13.6 mm，見圖2。超聲檢測(cè)區(qū)域?yàn)楹缚p中心線兩側(cè)各20 mm 的區(qū)域，檢查深度范圍是殼體內(nèi)表面[1]。

1.2檢測(cè)對(duì)象材料組織特性

CEPR機(jī)組控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)密封殼下部異種金屬焊縫的兩側(cè)母材分別為X3CrNiMo13.4和Z6 CN Nb18.11，焊縫填充金屬為鎳基ER NiCr-3焊條。對(duì)CRDM焊縫、熔合線、熱影響區(qū)以及母材部位分別進(jìn)行金相分析，結(jié)果如圖3所示,并依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)晶粒度進(jìn)行了評(píng)定，結(jié)果如下：

圖3　不同部位的金相分析結(jié)果

(1) 馬氏體鋼母材金相組織為板條馬氏體，晶粒度4～5級(jí)，未見明顯異常組織。

(2) 奧氏體鋼母材金相組織為奧氏體，有孿晶；存在嚴(yán)重的混晶現(xiàn)象，細(xì)晶7～8級(jí)，粗晶1級(jí)。

(3) 熱影響區(qū)晶粒粗大，晶粒度為1～2級(jí)。

(4) 鎳基合金焊縫組織為粗大的鑄態(tài)組織，晶粒度1級(jí);熔合線處組織為柱狀晶，方向與熔合線垂直。

1.3CRDM焊縫模擬缺陷試塊

CRDM模擬缺陷試塊尺寸與實(shí)際產(chǎn)品一致，試樣采用與CEPR核電站機(jī)組控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)下部耐壓殼相同的材料，焊縫上部為馬氏體不銹鋼，焊縫下部為奧氏體不銹鋼，待檢焊縫處耐壓殼內(nèi)外徑分別為φ120 mm和φ147 mm。分別在馬氏體鋼母材區(qū)、焊縫、奧氏體鋼母材區(qū)各加工一組深3 mm×10 mm(高×長(zhǎng))、5 mm×10 mm(高×長(zhǎng))的人工缺陷。CRDM焊縫模擬缺陷試塊外觀示意見圖4。

圖4　CRDM焊縫模擬缺陷試塊外觀

2　CRDM自動(dòng)超聲檢測(cè)工藝

自動(dòng)超聲檢測(cè)項(xiàng)目的開發(fā)，應(yīng)從多角度考慮相關(guān)因素對(duì)檢測(cè)的影響，如被檢部件結(jié)構(gòu)、被檢部件空間位置環(huán)境、機(jī)械設(shè)計(jì)精度、超聲檢測(cè)方法、耦合方式等。就超聲檢測(cè)工藝而言，無論是自動(dòng)還是手動(dòng)超聲檢測(cè)，再或是相控陣、多通道超聲檢測(cè)方法，確定超聲檢測(cè)工藝時(shí)都應(yīng)考慮以下內(nèi)容：超聲儀器的選擇;超聲探頭的類型選擇;檢測(cè)方向的要求;掃查運(yùn)動(dòng)方式;檢測(cè)靈敏度要求;缺陷的檢出率與定量要求等。2.1超聲檢測(cè)設(shè)備選擇

考慮核電站設(shè)備安全的重要性以及檢測(cè)環(huán)境的約束，CRDM焊縫超聲檢測(cè)應(yīng)采用自動(dòng)超聲檢測(cè)技術(shù)。相比于傳統(tǒng)的手動(dòng)超聲檢測(cè)技術(shù)，自動(dòng)超聲檢測(cè)具有以下優(yōu)勢(shì)。

(1) 自動(dòng)超聲檢測(cè)技術(shù)通常以機(jī)械臂為載體帶動(dòng)超聲探頭運(yùn)動(dòng)，相對(duì)于手動(dòng)檢測(cè)而言，掃查軌跡更準(zhǔn)確，大大降低了人為因素導(dǎo)致的漏檢情況的發(fā)生，故檢測(cè)結(jié)果的可靠性大大增加。

(2) 自動(dòng)超聲檢測(cè)機(jī)械裝置的重復(fù)定位精度較高,通常在2～3 mm，多次檢測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果具有較好的重復(fù)性。

(3) 通常自動(dòng)超聲檢測(cè)都帶有一套數(shù)字化超聲采集分析設(shè)備，該設(shè)備具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，能永久存儲(chǔ)檢測(cè)數(shù)據(jù)，并且可利用采集分析軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行二維、三維成像，使采集結(jié)果更加直觀，利于分析，提高缺陷判斷的準(zhǔn)確度[2]。

2.2超聲探頭選擇超聲探頭有發(fā)射和接收超聲信號(hào)的作用，其參數(shù)的選擇會(huì)對(duì)檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生重要的影響。針對(duì)CRDM耐壓殼異種金屬焊縫的超聲檢測(cè)特點(diǎn)，探頭的選擇應(yīng)考慮被檢對(duì)象結(jié)構(gòu)(外形尺寸、坡口形式、厚度掃查面可達(dá)性)、材料類型、聲學(xué)特性等相關(guān)因素的影響。

(1) 探頭類型的選擇。聲波的衰減與波型有關(guān)，縱波探頭聲波的衰減要比橫波探頭小一個(gè)數(shù)量級(jí)，因此通常在粗晶材料的超聲檢測(cè)中使用縱波探頭，如：鎳基合金的異種金屬焊縫、不銹鋼材料的焊縫。其次，CRDM耐壓殼1/2焊縫處僅為13.6 mm,厚度較小，考慮到探頭近場(chǎng)區(qū)的影響，對(duì)于厚度較小的焊縫，應(yīng)采用雙晶聚焦探頭。該類型探頭不僅可以大大減小近場(chǎng)區(qū)的范圍，而且可使特定區(qū)域的波束截面積變小，減小晶粒散射的作用面積，從而提高特定區(qū)域的靈敏度。

(2) 探頭角度的選取主要從被檢區(qū)域覆蓋、檢測(cè)信噪比、焊縫坡口形式以及常見缺陷擴(kuò)展方向等幾方面綜合考慮。原則上探頭聲束入射角度與缺陷擴(kuò)展方向夾角越大越好。通常選擇幾個(gè)不同的探頭角度組合使用，常用角度有33°,45°,60°,70°。

(3) 探頭常用頻率為1 MHz～5 MHz間，最佳頻率的選擇往往由晶粒尺寸和波長(zhǎng)決定，頻率高時(shí)，波長(zhǎng)短，聲束指向性好，擴(kuò)散角小，能量集中，因而發(fā)現(xiàn)小缺陷的能力強(qiáng)，分辯力好，缺陷定位準(zhǔn)確。但高頻率超聲波在材料中衰減大，穿透能力差;頻率低時(shí)，則相反。

(4) 探頭晶片的選擇需要根據(jù)檢測(cè)靈敏度的要求和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施情況綜合考慮，對(duì)于CRDM待檢1/2焊縫，CRDM耐壓殼的外徑尺寸為147.3 mm，在保證探頭最遠(yuǎn)距離處的檢測(cè)靈敏度情況下，探頭晶片應(yīng)越小越好，小晶片不僅能使整個(gè)探頭的外殼縮小，而且也能改善探頭與掃查曲面的耦合。

綜合以上因素，初步選定探頭分別為2 MHz 45°、3 MHz 60°、3 MHz 33°的雙晶縱波聚焦探頭。

使用CIVA軟件對(duì)選定探頭進(jìn)行仿真。探頭的聲場(chǎng)仿真分析結(jié)果如圖5所示。仿真數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明:2 MHz 45°FD12Ax、3 MHz 60°FD12Ax、2 MHz 45°FD12Tg、3 MHz 33°FD12Tg探頭的極大聲壓值(-6 dB)深度分別在2.8～14.2 mm、1.6～13.8 mm、2.4～14.8 mm、5.2～17 mm之間。上述探頭在-6 dB聲壓范圍內(nèi)可以覆蓋被檢區(qū)域全厚度范圍。

圖5　不同探頭聲場(chǎng)分布示意

2.3探頭掃查方向及其掃查方式自動(dòng)超聲檢測(cè)時(shí)，探頭應(yīng)盡可能從不同的方向進(jìn)行掃查，根據(jù)RCC-M 《壓水堆核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)格》標(biāo)準(zhǔn)要求，規(guī)定應(yīng)至少從4個(gè)方向進(jìn)行檢查，即探頭聲束垂直于焊縫方向(y+、y-)，探頭聲束平行于焊縫方向(x+、x-),具體掃查方式見圖6。

圖6　超聲掃查方式示意

3　檢測(cè)結(jié)果與分析

使用多通道超聲設(shè)備與上述探頭對(duì)CRDM焊縫模擬缺陷試塊進(jìn)行超聲數(shù)據(jù)采集，參照RSE-M 《壓水堆核電廠核島機(jī)械設(shè)備在役檢查規(guī)則》標(biāo)準(zhǔn)A4221.4節(jié)中所述:所有回波幅值大于或等于基準(zhǔn)靈敏度25%(φ2 mm橫孔-12 dB)的顯示都應(yīng)記錄。對(duì)超過記錄閾值的信號(hào)進(jìn)行長(zhǎng)度測(cè)量和幅值記錄，并逐一進(jìn)行分析。

3.145°探頭軸向掃查數(shù)據(jù)分析

通過對(duì)45°探頭軸向掃查數(shù)據(jù)分析，試塊中預(yù)制的6個(gè)周向缺陷均被有效檢出。其中缺陷的檢出能力從小到大依次為馬氏體鋼母材、奧氏體鋼母材、焊縫。缺陷長(zhǎng)度測(cè)量誤差在-1～+2 mm之間，缺陷的高度無法準(zhǔn)確測(cè)量。圖7為其人工缺陷超聲檢測(cè)結(jié)果示意，圖8為N7缺陷信號(hào)高度測(cè)量示意。表1為45°探頭軸向掃查數(shù)據(jù)匯總。

圖7　45°探頭軸向掃查人工缺陷超聲檢測(cè)結(jié)果示意

圖8　N7缺陷信號(hào)高度測(cè)量示意

缺陷編號(hào)周向缺陷的特征探頭45°FD12y+深/mm長(zhǎng)/mm材料幅值/dB長(zhǎng)度/mm高度/mm檢測(cè)靈敏度N1310-1011-?2mm橫孔-12dBN7510馬氏體鋼-393.3?2mm橫孔-12dBN3310-4.512-?2mm橫孔-12dBN9510奧氏體鋼-1113.1?2mm橫孔-12dBN5310-0.510-?2mm橫孔-12dBN11510鎳基合金焊縫+110-?2mm橫孔-12dB

3.260°探頭軸向掃查數(shù)據(jù)分析通過對(duì)60°探頭軸向掃查數(shù)據(jù)分析，試塊中預(yù)制的6個(gè)周向缺陷均被有效檢出。其中馬氏體鋼母材、鎳基合金焊縫、奧氏體鋼母材缺陷的檢出能力基本相當(dāng)。缺陷長(zhǎng)度測(cè)量誤差在0～2 mm之間，缺陷的高度測(cè)量誤差在-0.6～+1.3 mm之間。圖9為其人工缺陷超聲檢測(cè)結(jié)果示意，圖10為N7缺陷信號(hào)高度測(cè)量結(jié)果示意。表2為60°探頭軸向掃查數(shù)據(jù)匯總。

表2　60°探頭軸向掃查數(shù)據(jù)匯總

圖9　60°探頭軸向掃查焊縫人工缺陷超聲檢測(cè)結(jié)果示意

圖10　N7缺陷信號(hào)高度測(cè)量示意

3.345°探頭周向掃查數(shù)據(jù)分析

通過對(duì)45°探頭周向掃查數(shù)據(jù)分析，試塊中預(yù)制的6個(gè)軸向缺陷均被有效檢出。其中焊縫缺陷的檢出能力最低，馬氏體鋼母材、奧氏體鋼母材缺陷的檢出能力相當(dāng)。缺陷長(zhǎng)度測(cè)量誤差在0～3 mm之間，缺陷的高度測(cè)量誤差在-0.6～-0.1 mm之間。圖11為其人工缺陷超聲檢測(cè)結(jié)果示意，圖12為N10缺陷信號(hào)高度測(cè)量示意。表3為45°探頭周向掃查數(shù)據(jù)匯總。

圖11　45°探頭周向掃查人工缺陷超聲檢測(cè)結(jié)果示意

圖12　N10缺陷信號(hào)高度測(cè)量示意

3.433°探頭周向掃查數(shù)據(jù)分析通過對(duì)33°探頭周向掃查數(shù)據(jù)分析，試塊中預(yù)制的6個(gè)軸向缺陷均被有效檢出。其中焊縫缺陷的檢出能力最低，馬氏體鋼母材、奧氏體鋼母材缺陷的檢出能力相當(dāng)。缺陷長(zhǎng)度測(cè)量誤差在0～4 mm之間，缺陷的高度測(cè)量誤差在-1.6～-1.1 mm之間。圖13為其人工缺陷超聲檢測(cè)結(jié)果示意，圖14為N10缺陷信號(hào)高度測(cè)量示意。表4為其周向掃查數(shù)據(jù)匯總表。

表3　45°探頭周向掃查數(shù)據(jù)匯總

表4　33°探頭周向掃查數(shù)據(jù)匯總

圖13　33°探頭周向掃查人工缺陷超聲檢測(cè)結(jié)果示意

圖14　N10缺陷信號(hào)高度測(cè)量示意

4　結(jié)論

(1) CRDM異種金屬焊縫不同區(qū)域晶粒的取向以及晶粒的大小均存在差別,超聲檢測(cè)靈敏度大小依次為奧氏體鋼母材>馬氏體鋼>焊縫。

(2) 對(duì)于CRDM異種金屬焊縫的檢測(cè)盡可能采用大角度探頭進(jìn)行檢測(cè),軸向檢測(cè)60°探頭比45°探頭效果好,周向檢測(cè)45°探頭比33°探頭效果好。

(3) 在RCC-M標(biāo)準(zhǔn)要求的靈敏度下，對(duì)于軸向、周向缺陷的檢測(cè)能力高，對(duì)于高度大于3 mm的缺陷，高度的定量檢測(cè)結(jié)果較為準(zhǔn)確。

[1]RSE-MIn-service inspection rules for the mechanical components of PWR nuclear islands[S].

[2]鄭暉,林樹青. 超聲檢測(cè)[M]. 北京:中國勞動(dòng)社會(huì)保障出版社, 2008.

Automatic Ultrasonic Testing for Pressure Housings Weld of the Control Rod Drive Mechanism in CEPR Nuclear Power Plant

YU Zhe, LI Ming, CHEN Huai-dong, SUN Jia-wei, WANG Wei-qiang, TANG Jian-bang

(CGNPC Inspection Technology Co., Ltd., Suzhou 215021, China)

This paper introduces the structure of the control rod drive mechanism pressure housings welds (CRDM) of the third generation CEPR unit. In view of the material and microstructure of the weld, the requirement of the lower weld of the control rod drive mechanism for ultrasonic testing technology was put forward and experiment to verify the technology was designed. The results showed that the ultrasonic testing method could detect a defect of its height being equal to or greater than 3 mm.

Nuclear power plant; CRDM weld; Austenitic stainless steel; Automatic ultrasonic inspection

2015-10-13

余哲(1982-)，男，本科，工程師，主要從事自動(dòng)化超聲檢驗(yàn)技術(shù)開發(fā)，核電站役前/在役無損檢測(cè)技術(shù)服務(wù)工作。

余哲,E-mail: yuzheaxlf@126.com。

10.11973/wsjc201607003

TG115.28

A

1000-6656(2016)07-0011-06