核电站VVP系统管道焊缝超声检测技术研究
摘 要：核电站VVP系统主要是将蒸汽发生器产生的主蒸汽送到汽轮机高压缸中，属于核二级系统，在核电站中的作用举足轻重。机组大修中对VVP系统管道焊缝的检查主要采用射线检测方法，但是该方法受限于时间、隔离、风险大等因素，往往较难开展。厂方希望找出另外一种检测方法代替射线检验，笔者针对VVP系统管道焊缝的结构特点，研究制定了专门的超声检测工艺，通过实际检测并跟射线检测结果对比，验证了该工艺的可行性。
关键词：VVP系统 超声检测 工艺
中图分类号：TM623.7 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）03（b）-0083-03
核电站VVP系统主要是将蒸汽发生器产生的主蒸汽送到汽轮机高压缸中，属于核二级系统。VVP系统管道所输送的工质流量大、参数高（其设计运行压力为8.6MPa，设计温度为316℃），因此对核电厂运行的安全性和经济性影响相当大。VVP系统管道焊缝在长期高温、高压、汽蚀的在役条件下，一些原来存在的小缺陷可能会进一步扩大，也可能产生新的疲劳、裂纹等危险类缺陷，从而影响机组安全。机组停堆大修期间对VVP管道焊缝的检测通常采用射线检测的方法，但是该方法受限于时间、隔离及风险大等因素，实施起来较为困难。厂方希望找出另外一种检测方法代替射线检验，该方法应简单易操作，检测时可以不影响其他工作，最重要的是对缺陷的检出应该不低于射线。笔者针对VVP系统管道焊缝的结构特点，并根据法国RCC-M规范，研究制定了专门的超声检测工艺，通过实际检测并跟射线检测结果对比，验证了该工艺的可行性。
1 检测对象
检测对象为核电厂VVP系统管道焊缝，规格为φ813mm×37mm，材质为TU48C，被检区域包括焊缝及焊缝边缘两侧热影响区，热影响区宽度为焊缝边缘两侧10mm。检验区域照片见图1。
2 检测工艺分析
TU48C钢属于低合金钢，等同于国内的20MnG鋼，该对接焊缝易产生的缺陷种类主要有裂纹、气孔、夹渣、未焊透及未熔合等[1]，制定的超声检测工艺应能保证对焊缝进行全体积扫查，在对上述缺陷不漏检的同时，应能根据信号特征分辨出缺陷种类。工艺中使用的超声波探伤仪、探头及试块等应满足该核电站的适用规范RCC-M，另外检测中的表面条件、扫查速率、温度及记录要求等也应该满足相关要求。
3 检测工艺的确定
3.1 超声波探伤仪
为了容易发现和判别缺陷，通常在选取超声检测仪时选择较高分辨率和较窄始脉冲宽度的仪器[2]。该检测对象厂房里面分布的位置较广，对其检测宜选择轻巧便携、屏幕光亮度好、操作系统简便的仪器。同时为了便于信号的分析和处理，要选择能储存和记录超声波信号的超声波检测仪。另外仪器的参数，如垂直线性和水平线性应能满足法规要求，本工艺采用满足上述要求的国内某公司生产的CTS-4020型超声探伤仪。
3.2 探头
与所有传感器系统一样，超声检测系统的核心是探头的设计。焊缝中的未焊透、未熔合、夹渣、裂纹等缺陷大多与检测面垂直或成一定角度，因此探头一般选择灵敏度更高的横波探头检测。探头频率的高低对检测有较大的影响，频率越高，灵敏度和分辨力越高，对检测有利；但频率越高，衰减越大，又对检测不利。对于具体使用多少频率，RCC-M规范并没有明确指出，国内规范推荐使用2.5～5MHz的频率，通过理论计算得出，对于2.5MHz，超声波的波长为1.3mm；对于5MHz的探头，超声波的波长为0.65mm。根据超声波的衍射（绕射）原理得知，超声检测的灵敏度约为波长的一半，另外考虑到本工艺要对射线检测结果进行对比，需要较高的检测灵敏度，所以考虑使用探头的频率为5MHz。RCC-M指出用两个不同折射角的横波检验时，这两个折射角的标称值原则上至少相差15°，因此本工艺使用的横波探头角度为45°和60°。另外考虑到横波扫查时，母材区域可能存在的分层对检测有影响，因此横波探头扫查前用纵波直探头对其母材进行检测。本工艺还使用了单晶纵波斜探头，用于对非体积型显示的高度进行测量。本工艺超声探头参数见表1。
3.3 参考试块
根据被检对象规格制定了合适的参考试块，主要用于基准灵敏度的设置，试块的材质、外形、厚度等与VVP系统管道相同。根据RCC-M规范要求，本参考试块的人工反射体为φ2mm的横通孔，各横通孔的距离为10mm。参考试块刻伤图纸见图2所示。
3.4 耦合剂
所用的耦合剂对受检部件不能有腐蚀作用，工作结束后易清除。本工艺选用国内某公司生产的CG-08型核工业专用耦合剂。
4 检测步骤
4.1 表面准备
VVP系统管道外表面有油漆，氧化皮等，不符合超声检测的要求，因此检测前要对焊缝两边进行打磨处理，使其表面粗糙度小于6.3um。另外打磨要有足够的范围。根据计算，打磨范围至少为两侧200mm，才能保证各角度探头全体积扫查。
4.2 时机线性校准
仪器的时机线性直接影响到缺陷定位的准确度，因此基准灵敏度标定前要进行时机线性的校准，方法是纵波直探头用国内标准试块CSK-IA的20mm和25mm的大平底进行校准，用闸门分别框住两个大平地波，仪器可自动进行时机线性校准。斜探头也是基于上述原理，不同的是用R50mm和R100mm的圆弧面进行校准。
4.3 基准灵敏度设置
基准灵敏度的设置采用距离-幅度曲线方法，在上述参考试块上，将探头放在响应最强反射体上方回波最大的部位，将波幅调到屏幕高度的80%左右，不改变灵敏度下依次测出其它不同深度反射体的最大回波幅度，连接这些不同点的曲线形成距离-幅度曲线，此时灵敏度为基准灵敏度。
4.4 扫查
用超声探头在焊缝两侧进行轴向和周向扫查，按照规范要求扫查速度不能超过150mm/s，当探头移动时，每个步距至少有20%探头（压电晶体）面积重叠。另外扫查时至少应在基准灵敏度基础上增益6dB。
4.5 记录
对于超过记录阈值的缺陷显示应予以分析，记录显示的位置、幅值、尺寸、类型、深度等信息，以便跟射线检测结果进行对比。
5 现场实际应用
在某核电厂停堆大修期间，按照上述制定的检测工艺对5条VVP系统管道焊缝进行了检测。检验结果如下：在A焊缝上发现3处体积型显示；在B焊缝上发现一处体积型（气孔）显示；在C焊缝上发现两处平面型显示，其他两条焊缝未发现可记录显示。上述缺陷显示的波形均十分明显，完全能够被分辨。具体显示图像见图3～图8。
6 与射线结果对比
在该核电机组停堆大修中，同样对这5条VVP系统管道焊缝进行了射线检测，将射线检测结果与超声检测结果进行了对比，见表2和表3，结果发现：A和B焊缝射线检测出的气孔、夹渣等超声都能检测出来，虽然超声显示的幅值很低，但仍然很明显的被分辨出来，在C焊缝上两个平面型显示，射线检测没有被测出来，考虑这是由于射线检测透照角度造成的[3]。其他两条焊缝射线检测也没有发现显示。
7 结语
通过对低合金钢对接焊缝容易产生的缺陷类型分析及被检对象的结构特点，确定了核电站VVP系统管道焊缝的超声检测工艺，包括探头波形、探头频率、角度、试块等。通过现场实际应用和跟射线检测结果对比，结果表明，采用的工艺能够满足质量检测的要求。但是还应指出，超声检测对表面要求条件高，而且焊缝周边可能会有结构阻挡造成扫查不可达，所以针对VVP系统管道一类的焊缝检测，选取超声检测还是射线检测，除了考虑质量要求外，笔者建议还要综合考虑部件是否可以打磨、可达性、工程进度及经济性等综合因素，以便做出最正确的选择。
参考文献
[1]郑晖，林树青.超声检测[M].2版.北京：中国劳动和社会保障出版社，2008.
[2]徐彩云.薄板焊缝超声波探伤探头的选择[J].现代冶金，2013，41（4）：46-48.
[3]强天鹏.射线检测[M].2版.北京：中国劳动和社会保障出版社，2007.