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(哈電集團(tuán)(秦皇島)重型裝備有限公司,秦皇島 066206)
AP1000核電機(jī)組采用的是先進(jìn)的第三代核電技術(shù),其是在二代核電的成熟技術(shù)上,采用“非能動(dòng)理念”最大限度地利用壓縮空氣膨脹、重力及自然循環(huán)等自然驅(qū)動(dòng)力的非能動(dòng)安全系統(tǒng)。蒸汽發(fā)生器作為保障核電廠安全的重要設(shè)備,其將反應(yīng)堆的熱能傳遞給二回路介質(zhì)以產(chǎn)生蒸汽,并且隔絕一回路與二回路,確保放射性物質(zhì)停留在一回路內(nèi)而不溢出[1]。AP1000蒸汽發(fā)生器出口接管與主泵泵殼、進(jìn)口接管與安全端均采用焊接方式連接,進(jìn)出口接管由低合金鋼SA-508 Gr.3Cl.2并內(nèi)襯不銹鋼堆焊層制造而成,主泵泵殼由雙相不銹鋼鑄造而成,進(jìn)口接管安全端由SA-182 Gr.F316LN不銹鋼鍛造而成,焊縫兩側(cè)材料的焊接性能差異巨大。在進(jìn)出口接管的低合金鋼端面堆焊有厚度不小于38.1 mm的超厚鎳基合金預(yù)堆邊,然后由超厚鎳基合金預(yù)堆邊與安全端、主泵泵殼完成焊縫焊接。因此,鎳基合金預(yù)堆邊的焊接質(zhì)量將成為蒸汽發(fā)生器與安全端、主泵泵殼可靠連接的重要因素。
AP1000蒸汽發(fā)生器超厚鎳基合金預(yù)堆邊采用Tig焊(非熔化極氣體保護(hù)電弧焊)堆焊而成,焊絲直徑為1.0 mm,焊接時(shí)由于鎳基合金堆焊金屬在凝固過(guò)程中,并沒(méi)有奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變的相變過(guò)程,最終組織結(jié)構(gòu)為奧氏體。相對(duì)于鐵素體(低合金鋼),奧氏體具有晶粒粗大、各向異性嚴(yán)重,超聲波檢測(cè)聲衰減大、信噪比低的特點(diǎn)[2]。堆焊金屬在冷卻凝固過(guò)程中,由于垂直于母材表面方向的散熱條件比較好,有利于晶粒的增長(zhǎng),故而最終形成的奧氏體相晶?;敬怪庇谀覆谋砻鎇3],這對(duì)采用斜探頭檢測(cè)層下裂紋非常不利。同時(shí),AP1000蒸汽發(fā)生器進(jìn)出口接管預(yù)堆邊的設(shè)計(jì)厚度不小于38.1 mm(見(jiàn)圖1),考慮到加工余量,其堆焊層厚度一般為40 mm,這增加了超聲波檢測(cè)的難度,尤其是堆焊層下裂紋的檢測(cè)[4]。
圖1 預(yù)堆邊結(jié)構(gòu)示意
AP1000蒸汽發(fā)生器設(shè)計(jì)文件中,對(duì)進(jìn)出口接管預(yù)堆邊焊后和熱處理后的超聲波檢測(cè)有較為具體的規(guī)定:在預(yù)堆邊的端部采用直探頭進(jìn)行超聲檢測(cè),參考反射體為直徑3.2 mm的平底孔;采用斜探頭從4個(gè)方向?qū)︻A(yù)堆邊進(jìn)行超聲檢測(cè),參考反射體為直徑1.6 mm的橫孔。此外,對(duì)于出口接管預(yù)堆邊還應(yīng)在內(nèi)外表面使用45°斜探頭從軸向方向上補(bǔ)充超聲檢測(cè)。
依據(jù)設(shè)計(jì)文件的檢測(cè)技術(shù)要求設(shè)計(jì)超聲波檢測(cè)試塊1(見(jiàn)圖2),試塊采用與產(chǎn)品預(yù)堆邊相同的焊接工藝規(guī)程進(jìn)行堆焊。試塊上設(shè)置一系列直徑為3.2 mm的平底孔以及一系列直徑為1.6 mm的橫孔。同時(shí),考慮到堆焊方向?qū)β晫W(xué)性能的影響,在平行焊接方向和垂直焊接方向上分別設(shè)置校驗(yàn)用橫孔,校準(zhǔn)試塊的堆焊層厚度略厚于被檢產(chǎn)品的堆焊層厚度,同時(shí)為了保證不同深度缺陷檢測(cè)的準(zhǔn)確性,試塊上平底孔和橫孔應(yīng)在整個(gè)堆焊厚度方向上均勻分布。
圖2 預(yù)堆邊檢測(cè)試塊結(jié)構(gòu)示意(試塊1堆焊層厚度為40 mm)
由于超聲波在粗晶預(yù)堆邊中的衰減大,故應(yīng)選用對(duì)粗晶材料具有較好聲學(xué)特性的縱波探頭,國(guó)內(nèi)外的專家早已驗(yàn)證:寬頻帶窄脈沖雙晶聚焦縱波探頭在粗晶材料上具有較好的信噪比,帶寬達(dá)到70%以上[5-7],探頭聚焦區(qū)域應(yīng)位于堆焊層與母材的交界面上。0°探頭選用GE公司的聚焦深度(FD)為12 mm和30 mm的兩種探頭。對(duì)斜射波檢測(cè),由于關(guān)注堆焊層下裂紋的情況,而堆焊層厚度太厚,超聲波穿透困難,故而選擇大晶片尺寸、雙晶聚焦探頭,以獲得高的穿透能力。RTD公司在制造粗晶材料超聲波檢測(cè)用雙晶探頭上具有豐富的經(jīng)驗(yàn),但其生產(chǎn)的聚焦聲程(FS)為75 mm的雙晶縱波探頭依然無(wú)法檢測(cè)堆焊層界面的反射體回波,此外,由于聚焦深度過(guò)大,反而帶來(lái)了近表面的反射體也無(wú)法發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題。UCC探頭是RTD公司針對(duì)堆焊層下裂紋檢測(cè)而專門設(shè)計(jì)和制造的探頭,其為縱波雙晶點(diǎn)聚焦70°探頭,探頭晶片的幾何形狀為球狀,通過(guò)控制偏移角和探頭頻率,在較薄厚度堆焊層的檢測(cè)上可以獲得較好的信噪比。
分別采用0°探頭及點(diǎn)聚焦70°探頭對(duì)試塊1進(jìn)行檢測(cè),結(jié)果如表1所示(“-”表示信噪比低于6 dB,無(wú)法識(shí)別)。由表1可知,70°探頭只能檢測(cè)到深度為5,10,15 mm的人工反射體,無(wú)法滿足檢測(cè)到全部預(yù)堆邊以及堆焊層下裂紋的要求。
表1 0°探頭及點(diǎn)聚焦70°探頭對(duì)試塊1的檢測(cè)結(jié)果
檢測(cè)結(jié)果表明,無(wú)法只采用70°斜探頭一次檢測(cè)整個(gè)預(yù)堆邊。針對(duì)此情況,重新設(shè)計(jì)了焊接方案和檢測(cè)工藝,在焊接過(guò)程中對(duì)預(yù)堆邊實(shí)施分層檢測(cè)。針對(duì)堆焊層下裂紋,重新設(shè)計(jì)并制作了試塊2(見(jiàn)圖3),在預(yù)堆邊堆焊至厚度約為12 mm時(shí),對(duì)其進(jìn)行檢測(cè),確保堆焊層下無(wú)裂紋。
分層檢測(cè)時(shí),分別在預(yù)堆邊堆焊至10,20,30 mm以及在最終堆焊完成后進(jìn)行檢測(cè)。每次檢測(cè)時(shí),均采用直探頭及4個(gè)方向的70°斜射波進(jìn)行檢測(cè),保證垂直于表面缺陷的檢出率。分別采用0°探頭及點(diǎn)聚焦70°探頭對(duì)試塊2進(jìn)行檢測(cè),結(jié)果如圖4所示。
圖3 預(yù)堆邊檢測(cè)試塊結(jié)構(gòu)示意(試塊2堆焊層厚度為12 mm)
圖4 0°探頭及點(diǎn)聚焦70°探頭對(duì)試塊2的檢測(cè)結(jié)果
對(duì)于堆焊完成后,采用分層檢測(cè)的方式可實(shí)現(xiàn)全部預(yù)堆邊的質(zhì)量控制,而設(shè)計(jì)圖紙中還要求熱處理后進(jìn)行檢測(cè),熱處理后的檢測(cè)同樣面臨70°探頭無(wú)法一次完成全厚度預(yù)堆邊檢測(cè)的問(wèn)題。此時(shí),考慮堆焊層下存在再熱裂紋的可能性已排除,并且設(shè)計(jì)要求對(duì)全厚度堆焊層進(jìn)行斜射波檢測(cè),因此可以采用多角度進(jìn)行分層聚焦檢測(cè),采用70°,45°,37°三種角度(聚焦深度分別為8,50,60 mm)的探頭,對(duì)熱處理后的預(yù)堆邊進(jìn)行分層聚焦檢測(cè),并對(duì)試塊1進(jìn)行檢測(cè)。各種角度探頭在試塊1上的檢測(cè)結(jié)果如圖5~7所示。
由圖5~7可以看出,通過(guò)組合不同角度、不同聚焦深度的探頭,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)超厚預(yù)堆邊(40 mm)超聲波檢測(cè)的質(zhì)量控制。
圖5 不同角度斜探頭對(duì)試塊1的垂直于焊接方向的檢測(cè)結(jié)果
圖6 不同角度斜探頭對(duì)試塊1的平行于焊接方向的檢測(cè)結(jié)果
圖7 直探頭對(duì)試塊1的檢測(cè)結(jié)果
為了防止出口接管的鎳基合金預(yù)堆邊中存在干擾后續(xù)接管與泵殼對(duì)接焊縫超聲波檢測(cè)的缺陷,按照設(shè)計(jì)要求,需在接管預(yù)堆邊的內(nèi)外表面,從軸向方向采用45°縱波雙晶斜探頭進(jìn)行超聲檢測(cè)。設(shè)計(jì)的超聲波檢測(cè)試塊如圖8所示。調(diào)節(jié)儀器時(shí),分別采用45°縱波雙晶斜探頭從試塊的內(nèi)外表面檢測(cè)人工
圖8 出口接管預(yù)堆邊內(nèi)外表面檢測(cè)試塊
反射體,制作DAC(距離-幅度)曲線,掃查時(shí)應(yīng)注意內(nèi)外表面曲線的對(duì)應(yīng)。
對(duì)AP1000蒸汽發(fā)生器進(jìn)出口接管超厚鎳基合金預(yù)堆邊進(jìn)行超聲波檢測(cè),采取了分層檢測(cè)(焊后分層堆焊及檢測(cè)、熱處理后不同聚焦探頭分層檢測(cè))的方式,對(duì)斜探頭檢測(cè)制作了平行和垂直于焊接方向的兩種反射體,對(duì)出口接管預(yù)堆邊進(jìn)行了沿接管軸向的檢測(cè)等多方面的檢測(cè)工藝,達(dá)到了對(duì)超厚鎳基合金預(yù)堆邊檢測(cè)的目的,保證了產(chǎn)品的質(zhì)量安全。
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