重水堆堆型超声波检测技术应用

重水堆堆型超声波检测技术应用

秦山三级（重水炉）核电站工程是“五年级”国家重点建设项目，占地面积2.728公顷，设计寿命40年（年），该项目的主要技术采用加拿大技术。CANDU6是具有成熟运行经验的堆型,它安全可靠、技术先进,是国内唯一重水堆核电机组。1998年6月一号反应堆厂房底板浇灌第一罐砼,宣布工程建设正式开始。役前检查项目由核工业无损检测中心承担。重水堆核电站要求在建造、安装的同时进行役前检查,系统水压试验后再抽查10%。役前检查主要任务是对反应堆厂房(核岛)主管道焊缝(包括主热传输系统、压力和装量控制系统、停堆冷却系统、应急堆芯冷却系统和回收系统)和主设备焊缝(包括蒸汽发生器、稳压器和除气冷凝器)进行超声波检测(UT),共要检查近千条焊缝。1检测方法规范b型超声波检测检测ufCANDU项目要求核岛安装公司对主管道焊缝进行100%射线检测(RT)和100%液体渗透检测(PT),对主设备支撑进行100%PT。由于RT和PT自身存在一定的局限性,焊缝中可能有很多缺陷被漏检。役前检查要求进行100%UT,正好弥补了上述检查方法的不足,但超声波检测的难度和工作量增大,检测人员要面对各种各样的焊接缺陷和伪缺陷的检查及甄别。超声波检测规程要求记录所有≥20%DAC(距离幅度校正)的回波信号,对缺陷采用6dB法测长,>50%DAC的缺陷还要用6dB法测高,对几何显示和干扰信号等要进行区分并记录。使用的A型超声波检测仪虽然精度高、功能全,但也只能提供回波信号的时间和幅度两方面的信息。要辨别各个声程的回波信号性质,不但要求检测人员具备扎实的超声波检测理论基础,还要求了解焊缝的材料、结构特点和加工、焊接工艺。对每个达到记录灵敏度的信号都要求认真分析,麻痹大意就可能造成漏检,给日后的在役检查留下隐患,而过评会产生不必要的返修,延误工程进度。2焊缝的结构CANDU项目核岛主管道内径为6～20in.(15.24～50.80cm),标称壁厚为14.2～32.5mm,采用单面焊双面成形。焊缝坡口形式主要为U型,坡口宽度为20～30mm,倾角为30°左右,钝边高度为2～3mm,根部间隙2～3mm,在焊缝中心线两侧12～16mm范围内有镗孔,如图1所示。焊接完成后,根部具备打磨条件的都要求磨平,外表面焊缝余高磨平。主设备标称壁厚为49～129.5mm,采用双面焊。焊缝坡口形式主要为双U型和I型,内外表面余高均已磨平。焊缝中主要缺陷为气孔、夹渣、未熔合、根部未焊透和咬边等。焊缝内表面如根部、镗孔等经常产生各种波形显示,它们容易与内壁缺陷波和焊缝中缺陷二次波混淆。3各种回波信号的分析超声波检测经验表明,出现在底波与始波信号之间的回波多为缺陷波,主要是气孔、夹渣和未熔合等,其特征分别如下:3.1斜接头移动由于气孔通常不大,其回波高度一般较低,波形尖锐,较稳定,斜探头环绕移动,反射波高大致相同,但纵向与横向稍一移动,信号很快消失。密集气孔为一簇反射波,其波高随气孔的大小而不同,当斜探头作定点转动时,会出现此起彼落的现象。3.2斜接头反射波点状夹渣的回波信号与点状气孔相似,但有方向性,斜探头从不同方向探测,反射波高不同。条状夹渣的回波信号多呈锯齿状,波宽而带有多个波峰,探头横向移动时,各个波峰的高度随之发生变化。3.3反射波幅不同坡口未熔合对斜探头较敏感,当超声波垂直入射到其表面时,回波高度大,探头横向移动时,波形较稳定。从两侧探测时,反射波幅不同,有时只能从一侧探到。直探头容易探到层间未熔合,当超声波垂直入射到其表面时,回波很强,底波明显降低,甚至消失。特别应注意出现在底波信号位置的回波,其中既可能有根部形状、镗孔等的波形显示,也可能有内壁缺陷,如咬边、未焊透等回波信号。3.4接头范围分析如图2所示,直探头探测时,焊缝中心线上回波信号声程低于两侧底波信号声程,探头纵向移动时,明显有两个信号上下跳动。斜探头探测时,根部未焊透类似端角反射,探头横向移动时,波形较稳定,对应深度等于母材壁厚。从两侧探测时,均能得到大致相同的反射波幅。3.5回波信号波幅如图3所示,直探头探测时,焊缝中心线上回波信号声程略低于两侧底波信号声程,探头纵向移动时,回波信号略有起伏,两侧底波信号波幅略高。斜探头探测时,回波信号波幅不高,对应深度略小于母材壁厚。从两侧探,入射声束不交叉。3.6底部磨幅较低,波幅较低如图4所示,咬边信号出现在根部信号的前面,波幅较低。若根部已磨平,则两侧都能发现;若根部未打磨,则只能从一侧探到,另一侧因根部信号移动范围较大而无法发现。3.7机械麻黄,造成机械研磨一圈如图5所示,在加工坡口预制镗孔时,由于操作失误或加工不当,经常在镗孔附近造成内壁机械划痕。这种划痕有时只有一小段,有时是半圈,甚至是一整圈。一般只能从一侧探到,另一侧因镗孔信号移动范围较大而无法发现。3.8回波信号分析在绘制DAC曲线时,发现在CANDU项目所有参考试块上3/4横孔和1横孔回波信号之间都有一干扰信号,该信号对应深度约等于壁厚,反射点位于3/4孔正下方,波幅一般在DAC-6dB附近,且随孔深/壁厚比的增加而增大。研究认为,声束扩散角内>45°的声束直接入射到缺陷表面,经底面反射后被探头接收;<45°的声束经底面间接入射到缺陷表面,反射后被探头接收。在6dB扩散角范围内,这两部分回波叠加后,波幅可达到DAC曲线,甚至超过DAC曲线6dB以上,如图6所示。检测蒸汽发生器下封头接管焊缝时出现了特殊情况,笔者选取回波信号当量最大的一例作一介绍。某接管壁厚为81mm,焊缝内外表面均已磨平,其中内表面已加工成光滑圆柱面。在距焊缝中心线10mm处发现一当量为DAC-0.8dB的内壁反射信号,经渗透、磁粉检测已排除是内壁缺陷的可能。进一步检测发现在同一位置有一深度为75mm的缺陷,其波幅只有DAC-5.8dB。研究证实波幅较高的内壁反射信号是由深度为75mm的缺陷引起的伪信号。底波信号位置后面的回波多为伪缺陷波,主要是根部或镗孔变型波和二次横波等的波形显示。3.9焊缝表面检测如图7,8所示,超声波入射到根部或镗孔表面,表面形状使横波入射角αS小于第三临界角αⅢ时,焊缝中既有反射横波,也有反射纵波,通常示波屏上只有一次反射横波S1。当内表面形状使反射波恰好垂直入射到焊缝表面或某些特殊位置时,经垂直反射,再沿原路径返回探头,示波屏上就会出现变型波L和二次反射横波S2。示波屏上,一次横波S1对应深度T,变型波L对应深度T+TcosβSCS/CL,二次横波S2对应深度T+TcosβS。对于变型波L,用油手拍打焊缝上表面时,会出现明显的波峰跳动现象。CANDU项目管道焊缝中这种显示较常见,主要波形如图9所示。对于单独出现在变型波L1或二次横波S2位置的回波要特别留意,因为它们有可能是缺陷二次波,应结合超声波入射到内表面的位置,用油手拍打焊缝表面看波峰是否跳动,前后移动探头看是否能检测到缺陷一次波,根据具体情况进行综合判断。4检测结果及分析至2003年3月,历时近三年的役前检查项目基本完成,笔者选取具有代表性的管道焊缝进行统计,超声波检测结果如表1,2所示。1号核岛管道焊缝总计检查308条,其中56条返修,返修率为18.18%,84条焊缝含有记录性缺陷,缺陷率为27.27%。2号核岛管道焊缝总计检查308条,其中47条返修,返修率为15.25%,70条焊缝含有记录性缺陷,缺陷率为22.72%。1号核岛异种金属焊缝总计24条,其中14条返修,返修率为58.33%,12条焊缝含有记录性缺陷,缺陷率为50%。2号核岛异种金属焊缝总计24条,其中16条返修,返修率为66.66%,8条焊缝含有记录性缺陷,缺陷率为33.33%。CANDU堆役前检查超声波检测出的缺陷信号当量>100%DAC的缺陷要根据ASMEXI-IWB-3500进行评定。实际上为从严处理,凡当量>100%DAC的焊缝缺陷都进行了返修,对当量在DAC-3dB～DAC的焊缝缺陷,经分析可能为未熔合等危险性的缺陷也都进行了返修。检测中所发现的内凹、咬边及内壁机械划痕等回波信号的当量均不大,都当作根部形状引起的波形显示进行了记录,记录性缺陷主要为单个气孔、密集气孔、单个夹渣和条状夹渣等体积性缺陷。对返修部位进行了跟踪,返修过程中采用液体渗透方法判断缺陷的有无及缺陷是否返修干净。每次返修都发现了缺陷,缺陷性质主要是坡口未熔合、层间未熔合、条状夹渣及根部裂纹,与检测结果吻合。5检测注意事项埋藏在焊缝中的缺陷,其回波信号声程小于底波信号声程,容易辨认;近内壁缺陷,其回波信号声程与底波信号声程大致相同,不易分辨;根部或镗孔处产生的显示波形较多,易与缺陷二次波混淆。在现场检测中要准确区分各种缺陷波和伪缺陷波,应采取以下步骤:(1)检测前,用IOW试块测绘斜探头的垂直声束6dB扩散角,并绘制在透