反应堆压力容器厚壁焊缝的相控阵超声检测.pdf
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1、无损检测2023年第45卷第7 期65试验研究DOI:10.11973/wsjc202307013反应堆压力容器厚壁焊缝的相控阵超声检测叶新,朱序东,汤建帮,余哲,郭宗浩,王韦强,孙加伟(1.中广核检测技术有限公司,苏州2 150 0 4;2.生态环境部华北核与辐射安全监督站,北京10 0 0 0 0)摘要:反应堆压力容器(RPV)的安全性是衡量核电安全的重要指标,而超声检测是RPV役前和在役检测监督的重要手段之一。以RPV厚壁筒体焊缝为对象,开展相控阵超声检测技术探讨,通过理论分析、仿真与试验对超声检测技术的探测和定量能力进行评估和验证,并与常规超声检测工艺进行了对比分析。结果证明,相控阵超
2、声检测技术的探测能力和定量精度均可达到ASME规范中能力验证的要求,并且所采用的工艺能大幅提高检测可靠性、灵活度和效率。关键词:反应堆压力容器;厚壁焊缝;相控阵超声;仿真验证;试验验证中图分类号:TG115.28文献标志码:A文章编号:10 0 0-6 6 56(2 0 2 3)0 7-0 0 6 5-0 5Phased array ultrasonic testing for thick-wall welds of reactor pressure vesselsYE Xin,ZHU Xudong,TANG Jianbang,YU Zhe,GUO Zonghao,WANG Weiqiang,
3、SUN Jiawei(1.CGN Inspection Technology Co.,Ltd.,Suzhou 215004,China;2.Northern Regional Office of Nuclear and Radiation Safety Inspection,MEE,Beijing 100000,China)Abstract:The safety of reactor pressure vessel(RPV)is an important indicator of nuclear power safety.Ultrasonic testing is an important m
4、eans of RPV pre-service and in-service testing.This paper took RPV thick wallcylinder weld as the research object,and developed phased array testing technology.Through theoretical analysis,simulation and experiments,the detection capability of ultrasonic testing technology was evaluated and compared
5、with conventional ultrasonic testing technology.The results showed that the detection capability and quantitativeaccuracy can meet the requirements of ASME code for capability verification,and the detection flexibility andefficiency can be improved.Key words:reactor pressure vessel;thick-wall weld;p
6、hased array ultrasonic;simulation verification;experimental verification核电厂的反应堆压力容器(RPV)属放射性介质的第二道防线,用来包容和固定反应堆堆芯和堆内构件,全寿期均工作在高温、高压、高辐照等极端复杂条件下,是保障核电厂安全运行的重要设备。核电厂在役检查规范和检查大纲中,RPV焊缝的超声检测是强制性要求,其检测结果是评定RPV结构完整性,进而评估核电设备运行寿命的重要依据。目前国内通常采用常规超声检测技术进行RPV焊缝检测,该技术需采用多达上百个探头进行收稿日期:2 0 2 2-11-17作者简介:叶新(19 8
7、6 一),男,高级工程师,主要从事核电厂反应堆压力容器自动超声检查的研究工作通信作者:叶亲新,组合检测。前期准备工作(参数设置、探头标定、探头校准等)和现场实施过程(探头安装、更换等)所需时间达到整条焊缝检测总工作量的3 0%以上,同时大幅度增加了人员受辐照时间和异物引人风险。随着材料、微加工、电子和计算机技术的飞速发展,相控阵(PA)超声检测技术逐渐广泛应用在无损检测领域,PA超声检测技术在缩短作业人员受辐照时间、提高检测效率、提高检测稳定性等方面具有明显的优势,应用前景巨大。文章以RPV筒体对接焊缝为对象,采用理论分析和CIVA仿真技术进行了PA超声检测技术工艺研究,并进行了试验验证,总结
8、了相控阵技术开发和验证方法,以及现场应用的优势。无损检测2023年第45卷第7 期66反应堆压力容器厚壁焊缝的相控阵超声检测叶新,等:1检测对象RPV筒体对接焊缝(见图1中)的基体材料通常为16 MnD5或SA508-3低合金钢,焊接方式为埋弧自动焊,填充形式为多层多道焊,坡口形式为U形坡口,焊缝厚度常为13 0 2 6 0 mm(见图2),同时考虑到耐腐蚀、耐辐照的特殊要求,内壁有约7mm厚的不锈钢堆焊层。如何在减少盲区的同时具备足够的穿透力,实现近表面缺陷和远程缺陷的超声检测能力,是RPV超声检测技术的关键。1图1RPV筒体对接焊缝结构示意515R101.5R30N332.721239.A
9、)图2RPV筒体对接焊缝坡口结构示意2技术分析2.1常规超声检测常规RPV筒体对接焊缝的超声检测工艺通常采用多种探头组合的检测方式,缺陷探测和尺寸定量分别进行。由于其需采用多个常规超声探头进行组合扫查,故其操作灵活度较差、检测工作量大、零散部件易损坏掉落;尤其是在发现不同深度的超标显示时,需要更换不同聚焦深度的定量探头进行分层检测,极大降低了检测工作的安全性、稳定性和效率性。2.2相控阵超声检测与常规超声探头采用一个压电晶片产生超声波不同,相控阵超声检测技术基于惠更斯原理,其探头由多个小的压电晶片按照一定序列组成,通过电子控制,按照预定的规则和时序激发部分或全部晶片,能实现各波阵面叠加,达到声
10、束聚焦、声束偏转、声束位移等效果2.2.1探头设计为同时满足近表面和远场底面缺陷检测的高灵敏度2 ,并尽量减少使用的相控阵探头数量,笔者利用相控阵探头晶片激发-接收模式灵活度高的特点,文章选用双晶线阵探头(见图3),探头及楔块参数如表1所示,RO图3PA探头结构示意表1PA探头及楔块参数频率/收发阵元阵元宽阵元间次轴宽块分类MHz模式数目度/mm隙/mm度/mm类型发射64.402.25双晶10.115接收64横波2.2.2声场分析理论上,PA探头近场区的长度计算可按式(1)进行,由于选用40 横波楔块进行声束偏转,实际近场区的长度需要考虑楔块内声束传播的等效距离。2COStan N=0.35
11、A(1)COStan:式中:f为探头频率;C为工件中横波速度;A为探头孔径;为人射角;为折射角;lw为声束在楔块中的传播长度。根据表1中的探头参数,晶片全激发情况下,近场区长度N=881.0mm。比起近场区长度,检测中更常用的是检测深度,近场区深度Ndep=Ncos=无损检测2023年第45卷第7 期67反应堆压力容器厚壁焊缝的相控阵超声检测叶新,等:694.9mm。理论上在此范围内PA超声探头声场的灵敏度和分辨力可达到理想效果。对全激发PA超声探头晶片自然声场进行仿真,结果表明,所设计的探头声场近场区深度为527.8mm,可以覆盖RPV筒体焊缝壁厚的最大值260mm,在焊缝全深度范围内PA超
12、声探头声场的灵敏度和分辨力可达到预期效果。为获得较好的缺陷探测能力和定量精度,对PA超声检测工艺制定了2 种相应的聚焦法则,通过仿真手段分别对探测聚焦法则和定量聚焦法则进行验证,通过其声场覆盖范围(见图4和图5),初步判断其相应的检出和定量能力,结果如表2 所示。(a)D1(b)D2图4PA超声检测工艺探测法则声场分布仿真(a)S1(b)S2(c)S3(d)S4(e)S5图5PA超声检测工艺定量法则声场分布仿真表2PA超声检测工艺聚焦法则及其仿真结果用途编号探头型号偏转角度/()设计焦距/mm仿真焦距/mm一6 dB深度覆盖范围/mmD12.25M1X64(双晶纵波)55701514.56.0
13、30.0探测法则D22.25M2X64(横波)40550339.6S12.25M1X64(双晶纵波)451513.36.525.0S22.25M2X64(横波)453030.018.544.0定量法则S32.25M2X64(横波)455051.036.095.0S42.25M2X64(横波)459097.067.0133.0S52.25M2X64(横波)45200175.082.0300.0综上,为了尽可能发现浅表面超标显示,并减少盲区和杂波干扰,选择双晶线阵扇扫聚焦法则用于浅表面探测,检测范围为7 2 5mm;选择单晶面阵扇扫法则用于远程探测,检测范围为2 5mm至全壁无损检测2023年第4
14、5卷第7 期68反应堆压力容器厚壁焊缝的相控阵超声检测新,等:厚。为了对探头发现的超标显示进行尺寸定量并获得较高穿透力和分辨力,选择45聚焦法则,通过激发相应深度的分层聚焦法则进行精确尺寸测量。2.2.3工艺仿真验证为验证PA超声检测工艺的缺陷探测能力和尺寸测量精度,根据RPV筒体对接焊缝的材料、厚度、结构、焊缝坡口、焊接工艺等参数,进行仿真建模(采用与实际工件一致的参数),并在模型中预设与现实情况一致的模拟缺陷,用以仿真试验。实际焊接过程中产生的缺陷多为未融合、裂纹、夹杂和气孔等,检测能力的仿真主要针对危害性最大的裂纹类平面型缺陷进行。参考ASME规范XI卷核电厂设备在役检查规则相关要求,在
15、验证试块模型的焊缝坡口或焊缝中心线位置的浅表面、中部、根部位置分别放置了5个不同深度模拟缺陷,具体信息如表3 所示。表3模拟缺陷信息模拟缺陷缺陷尺寸缺陷深度/编号类型(高X长)/mmmmN1浅表面裂纹5X17712N2中部埋藏裂纹13X503548N3中部埋藏裂纹10X408090N4中部埋藏裂纹11X45150161N5根部裂纹5X25255260采用设计的缺陷探测和尺寸定量聚焦法则在上述模型中进行仿真试验和数据分析,来验证检测工艺的检出能力和定量精度。(1)检出能力仿真验证分析。以焊缝中$2mm70mm(深度,下同)的横孔为基准灵敏度,横孔深度与裂纹深度相同。使用缺陷探测法则扫查对应深度的
16、2 mm横孔,仿真计算获得A扫回波为10 0%满屏时的幅值,并以此定义为探头扫查时的OdB,制作DAC(距离-波幅)曲线。在模型中对缺陷探测法则进行仿真试验,得到的模拟缺陷响应结果如表4所示。仿真试验结果表表4探测工艺模拟缺陷响应仿真结果缺陷尺寸缺陷深度/检出编号缺陷幅值(高X长)/mmmm效果N15X17712DAC-0.4 dBN213X503548DAC+7.5 dBN310X408090DAC+7.7 dB全部有效检出N411X45150161DAC+7.8 dBN55X25255260DAC-0.5 dB明,模拟缺陷的回波幅值均高于RCC-M压水堆核岛机械设备设计建造规则规范要求的D
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