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為了保證核電站一回路運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性，需要定期對(duì)各類設(shè)備和管道焊縫實(shí)施無(wú)損檢測(cè)。部分設(shè)備靠近反應(yīng)堆堆芯，在役檢查期間檢測(cè)人員很難從外表面接近，一般從反應(yīng)堆的壓力容器內(nèi)部實(shí)施遠(yuǎn)程自動(dòng)超聲檢測(cè)，而對(duì)于一些管徑小、曲率大的管道焊縫，其內(nèi)表面未經(jīng)打磨，存在焊縫余高，導(dǎo)致接觸式超聲檢測(cè)實(shí)施難度較大，因此，目前通常采用水浸超聲檢測(cè)方法對(duì)其實(shí)施檢測(cè)。

 

中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)股份有限公司的技術(shù)人員以AP1000型核反應(yīng)堆壓力容器安注管安全端焊縫為研究對(duì)象，通過(guò)改變探頭與基準(zhǔn)試塊之間的水層厚度來(lái)驗(yàn)證水層厚度偏差對(duì)檢測(cè)靈敏度的影響，發(fā)現(xiàn)與接觸式超聲相比，水浸自動(dòng)超聲檢測(cè)對(duì)機(jī)械裝置的安裝精度要求更高；水層厚度的改變會(huì)對(duì)檢測(cè)靈敏度產(chǎn)生一定的影響，但是在允許的機(jī)械誤差范圍內(nèi)，這種影響是可接受的。

 

檢測(cè)對(duì)象

 

反應(yīng)堆壓力容器安注管安全端焊縫包括異種金屬焊縫和同種金屬焊縫。對(duì)于AP1000反應(yīng)堆型，安注管安全端內(nèi)徑為173mm，異種金屬焊縫壁厚為31.8mm，同種金屬焊縫壁厚為23mm。檢測(cè)區(qū)域包括焊縫及焊縫兩側(cè)6.4mm寬的母材區(qū)域，以及距焊縫內(nèi)壁1/3壁厚的區(qū)域。安注管安全端焊縫結(jié)構(gòu)及檢測(cè)區(qū)域如圖1所示。

 

 

圖1 安注管安全端焊縫結(jié)構(gòu)及檢測(cè)區(qū)域示意

 

水浸超聲檢測(cè)法

 

水浸超聲檢測(cè)法特點(diǎn)

 

水浸超聲檢測(cè)法將探頭浸在水中，隔著一定厚度的水層對(duì)充滿水的管道或容器內(nèi)壁進(jìn)行檢測(cè)。水浸超聲檢測(cè)法適用于有焊縫余高和表面粗糙的工件，其探頭耦合穩(wěn)定，不容易磨損，檢測(cè)結(jié)果可重復(fù)性好，有利于提高檢測(cè)速度。在合適的水層厚度下，水浸超聲檢測(cè)的回波關(guān)系如圖2所示，一般使缺陷回波出現(xiàn)在一次界面波和底波之間，使二次界面回波出現(xiàn)在底波之后。

 

 

圖2 水浸超聲檢測(cè)法的回波關(guān)系示意

 

掃查裝置

 

掃查裝置由主體結(jié)構(gòu)、軸向運(yùn)動(dòng)組件、周向運(yùn)動(dòng)組件、探頭托盤(pán)以及前后支撐結(jié)構(gòu)等組成，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中，將掃查裝置與剛性長(zhǎng)桿連接，由起重機(jī)吊裝到被檢對(duì)象區(qū)域，通過(guò)人工操作長(zhǎng)桿的方式進(jìn)行微調(diào)，將設(shè)備精確安裝到所需位置。

 

 

圖3 掃查裝置結(jié)構(gòu)示意

 

探頭參數(shù)

 

安注管焊縫材料為粗晶奧氏體不銹鋼，采用縱波對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)能明顯減少不銹鋼各向異性的影響，獲得更好的聲束穿透性能。研究表明，對(duì)于不銹鋼材料，采用45°縱波斜探頭檢測(cè)時(shí)聲能衰減較小，信噪比較高；當(dāng)焊縫厚度較小時(shí)，也可采用折射角為60°～70°的縱波探頭來(lái)檢測(cè)。對(duì)于水浸超聲探頭，可通過(guò)探頭托盤(pán)上的楔塊帶動(dòng)0°探頭偏轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)聲束的斜入射，根據(jù)超聲波的折射定律，可由聲束在鋼中的折射角推算出聲束在水中的入射角，即楔塊的角度。

 

表1 探頭的主要參數(shù)

 

 

水層厚度偏差對(duì)檢測(cè)靈敏度的影響試驗(yàn)

 

試驗(yàn)設(shè)備

 

采用DYNARAY型多通道自動(dòng)超聲儀進(jìn)行試驗(yàn)，該設(shè)備含有16個(gè)以上獨(dú)立通道，可較好地匹配探頭，且具有較強(qiáng)的抗干擾能力以及較高的數(shù)模轉(zhuǎn)換率。根據(jù)安注管安全端焊縫的直徑，采用相同尺寸的弧面試塊，試塊中反射體為橫孔，直徑2.4mm，長(zhǎng)60mm，試塊材料為不銹鋼，利用試塊中的橫孔建立基準(zhǔn)靈敏度。

 

試驗(yàn)方案

 

在水浸超聲檢測(cè)中，水層厚度是影響檢測(cè)靈敏度的關(guān)鍵參數(shù)。實(shí)際檢測(cè)時(shí)，工件本身存在不平整，設(shè)備安裝存在誤差，導(dǎo)致水層厚度與建立基準(zhǔn)靈敏度時(shí)的水層厚度有差異。這種差異可能引起檢測(cè)靈敏度的改變。

 

針對(duì)這種情況，首先以理論水層厚度建立靈敏度基準(zhǔn)。探頭工裝結(jié)構(gòu)如圖4所示，探頭與安注管內(nèi)壁之間的垂直距離即為理論水層厚度，調(diào)整試塊位置，使試塊與掃查裝置之間呈現(xiàn)不同程度的偏心，測(cè)量每種狀態(tài)下橫孔信號(hào)幅值與基準(zhǔn)靈敏度之間的差異。

 

 

圖4 探頭工裝結(jié)構(gòu)示意

 

試驗(yàn)結(jié)果

 

01基準(zhǔn)靈敏度

 

將探頭托盤(pán)與試塊的間距調(diào)整到理論值，控制掃查裝置，找到最強(qiáng)反射信號(hào)，將其波幅調(diào)到滿屏幕高度的80％左右，然后依次測(cè)出其他不同深度反射體的最大回波幅值，得出探頭的基準(zhǔn)靈敏度?；鶞?zhǔn)靈敏度下的橫孔反射信號(hào)如圖5所示，各探頭的基準(zhǔn)靈敏度測(cè)試結(jié)果如表2所示。

 

 

圖5 基準(zhǔn)靈敏度下的橫孔反射信號(hào)

 

表2 各探頭的基準(zhǔn)靈敏度測(cè)試結(jié)果

 

 

02改變水層厚度之后的檢測(cè)靈敏度

 

調(diào)整探頭托盤(pán)與試塊的間距至不同的狀態(tài)，分別測(cè)量橫孔反射體的最大回波幅值，不同水層厚度下各反射體的靈敏度與基準(zhǔn)靈敏度偏差如表3所示。

 

表3 不同水層厚度下各反射體的靈敏度與基準(zhǔn)靈敏度偏差

 

 

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在改變水層厚度的情況下，試塊中人工反射體的靈敏度測(cè)試結(jié)果與基準(zhǔn)靈敏度會(huì)存在偏差，探頭角度越大，偏差越大；水層厚度的改變對(duì)軸向探頭的影響比對(duì)周向探頭的影響要大，對(duì)0°直探頭的影響最小。

 

隨著水層厚度偏差增大，測(cè)試結(jié)果與基準(zhǔn)靈敏度的偏差也相應(yīng)增加，在設(shè)備精度允許的±5mm范圍內(nèi)，所有探頭的靈敏度偏差均不超過(guò)2dB。

 

結(jié)論

 

進(jìn)行水浸超聲檢測(cè)時(shí)，水層厚度的改變會(huì)對(duì)檢測(cè)靈敏度產(chǎn)生影響，且隨著水層厚度偏差增大，檢測(cè)時(shí)的靈敏度與基準(zhǔn)靈敏度的偏差也增大，從而對(duì)檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生直接影響。因此，在實(shí)際檢測(cè)中應(yīng)保證水層厚度與標(biāo)定時(shí)的水層厚度一致，這就要求在進(jìn)行水浸超聲檢測(cè)工裝設(shè)計(jì)時(shí)，預(yù)先考慮該情況，嚴(yán)格控制設(shè)備的安裝精度，盡可能保證檢測(cè)時(shí)的靈敏度偏差在要求范圍內(nèi)。

 

作者：張志鵬，歐陽(yáng)標(biāo)，佘家葦，彭恭斌

工作單位：中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)股份有限公司

第一作者：張志鵬，工程師，主要從事核電廠在役檢查的超聲檢測(cè)工作。

來(lái)源：《無(wú)損檢測(cè)》2021年9期