吴海波
中国核电工程有限公司华东分公司 福建福清 350310
摘要：由于核电站堆焊层的材质特殊性，在对堆焊层实施超声检测时应考虑超声仪器选用、探头选用、探头布置、回波分析等多种因素。本文介绍了对核反应堆压力容器堆焊层进行超声检测的检验技术。
关键词：核电站；压力容器；堆焊层；超声检测；
1、前言
压力容器是核电站重要的核设备之一，反应堆压力容器按照提供包容反应堆堆芯、上部堆内构件及下部堆内构件所要求的容积体积，考虑到核电厂的寿期以及运行时冷却剂的循环流动，水对设备的腐蚀，设备的耐腐蚀性与金属的老化，要选用具有高机械强度和在强中子下不易脆化的材料。压力容器本体的材料是调质低合金钢，为了加强压力容器防护能力，压力容器与反应堆冷却剂水接触的内表面有奥氏体不锈钢堆焊层覆盖。
在核电厂运行寿期内，内部堆焊层可能受到诸如应力、温度、辐照、氢吸附、腐蚀、振动和磨损等多种因素的影响，从而引起老化、催化、疲劳以及缺陷的的形成和扩展等材料性能的变化。因此有必要对其进行役前和在役检查，以便及时地发现新产生的缺陷和跟踪已知缺陷的扩展情况，判断和评定他们是否能继续有效运行，从而保证核电厂的安全运行。
核电厂在役大纲规定，对压力容器堆焊层的无损检测主要采用超声和电视目视。本文详细分析了对压力容器堆焊层实施超声检测中的技术要点。
2、被检测对象及区域
被检验对象为反应堆压力容器辐射区堆焊层表面下25mm内区域，高度范围设计值距离容器法兰面3170mm至7570mm；筒体环焊缝和底封头环焊缝为中心的500mm范围内堆焊层表面下25mm内区域。
表1 被检测对象材料与几何尺寸参数
奥氏体不锈钢的堆焊层在凝固过程中没有奥氏体向铁素体转变的相变，室温下仍保留铸态奥氏体晶粒，因此堆焊层的晶粒粗大。堆焊层金属在冷却时，母材方向散热条件好，奥氏体晶粒生长取向基本垂直于母材表面。由于堆焊层的材质晶粒较粗，声学性能各向异性明显。超声波传播过程中散乱反射和衰减严重。
3、超声检测技术分析
由于考虑到辐射防护和容器自身较大，检测实施起来要使用特制的机械载体和远程控制设备，超声检查系统和控制系统统一协作才能完成检查，见图1。这套自动超声技术有很好的重复性，检测数据可以得到永久储存，分析系统可以多角度的剖析采集到的数据。
图1 压力容器堆焊层超声检测系统示意图
在对堆焊层实施超声检测时应考虑超声仪器选用、探头选用、探头布置、回波分析等多种因素。在综合考虑这些因素后，针对每一个检测关键点方可给出具体的检测技术分析。下面对诸因素进行总体介绍分析。
3.1探头选用
在对核反应堆压力容器的超声检测中，探头的选择最为关键。选择超声探头时要根据被检对象的厚度、形状、材质、声束可达性来确定。探头组合得当可以从多方位得到缺陷的数据以及排除为缺陷。反应堆压力容器超声检测中所用的探头如表2所示。
表2超声探头参数
由于堆焊层奥氏体钢晶粒粗大，与母材交界面呈密集柱状晶束，各向异性明显，会阻碍声束的传输并在交界面产生波形转换，变形波会造成多种伪缺陷显示，双晶纵波可以克服堆焊层下的声束衰减，减少变形波的产生。
由于堆焊层下扫描范围处于近表面，缺陷的检出采用70°双晶纵波探头，70°探头角度大，发现缺陷信号时交为强烈，易于发现近表面的缺陷。在对堆焊层下缺陷定量时，则采用45°双晶纵波探头，45°探头在堆焊层下角度扭曲较小，水平线性准确，尖端型号分表率高，便于缺陷自身高度的精确测量。多个角度探头的组合能够定量、定性、定位的找到缺陷去除伪缺陷。
3.2仪器、设备选用
对压力容器堆焊层超声检测，采用多通道超声波检测系统，该检测系统由超声检测仪（TOMOSCAN-Ⅲ）、超声数据采集/分析软件（TOMOVIEW）组成。超声仪具有较强的抗干扰能力，以及较高的数模转换率。超声仪与探头能有较好的匹配，有较大的带宽。采集和分析软件应有较强的功能，它能实时显示A/B/C/D-SCAN、动态显示、多显示组合，并具有辅助定量测量功能。
压力容器堆焊层超声检测的机械设备为SUPREEM/REAS系统，此系统包括一套精密的六关节机械手和一套能实施实时三维显示和跟踪机械手运动的先进软件系统。
电缆选用，使用≤3m电缆进行超声仪线性测试以及超声探头中心频率测量。检验中使用的超声电缆以应采用与灵敏度标定时长度相同的超声电缆。
3.3超声探头标定
在压力容器堆焊层超声检测过程中，包含基准灵敏度标定和检查过程中的灵敏度校核标定。基准灵敏的标定是在相应的对比试块上进行。在检查过程中，要求对整个超声系统稳定性进行检验，以确定其灵敏度的有效性。超声探头标定应在正式检验前完成，标定时使用水作为耦合剂，所有探头以回波信号峰值为标定基准。
3.4探头布置
为减少占用核反应堆压力容器的总体无损检测时间，并减少多次检查的风险性，在实施超声检测时，采用多探头同时进行检测的方式。因此对于每一个检查对象将尽量把所有探头安装在一起同时扫查。在安排扫查探头时，同时也考虑减小扫查范围，提高检查效率，也方便多探头回波之间的对比观察。
压力容器堆焊层扫查时一个探头托盘固定放置4个探头，田字形分布。进行连续扫查，分段扫查时每个扫描区域之间的覆盖范围为50mm。没次扫查时，机械扫查装置回退50mm，然后开始扫查。
3.5缺陷的检测与定量
缺陷的检测是指以发现缺陷信号为主，也称缺陷的检出。缺陷的定量是指对缺陷的长度和自身高度的测量。在检测探头中，都有指定分别用作检测和定量的探头。根据堆焊层被检出的缺陷的位置和特点，70°双晶纵波探头即作为缺陷的检测探头，主要用于大范围扫查，45°双晶纵波探头主要用于定量测量，同时也可以作为辅助检测探头。
按规范要求，在对压力容器的超声检测中，任何反射波大于或等于25%参考反射波幅值（-12dB）的显示信号都应记录。其中参考反射波是利用直径为2mm的横孔获得。对缺陷的定量一般采用-6dD的方法进行测量。针对自动超声所发现的缺陷特点，考虑到缺陷为面状缺陷。对这种面状缺陷多采用尖端衍射法进行自身高度定量。
4、结束语
核反应堆压力容器堆焊层的超声检测技术是一个比较复杂的检测技术。该技术必须综合考虑不同因素特征制定超声检测技术。检查技术具体体现在具体探头参数的选择、检测方式、探头的布置排列、应用实施、缺陷的检测和定量、信号的采集和分析等方面。在综合考虑这些因素的情况下，形成有效的核反应堆压力容器堆焊层超声波检测技术。采用该检测技术，役前、在役时在对核反应堆压力容器堆焊层的检测中得到了很好的应用。
参考文献
[1] 全国锅炉压力容器无损检测人员资格考核委员会组织编写 《超声波探伤》 中国锅炉压力容器安全杂志社 1995年
[2] 美国ASME规范第V卷，第XI卷 2004年版
论文作者:吴海波
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年16期
论文发表时间:2019/11/7
标签：超声论文; 缺陷论文; 压力容器论文; 定量论文; 核反应堆论文; 奥氏体论文; 双晶论文; 《建筑学研究前沿》2019年16期论文;