王 帥

（沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)壓力容器有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110869）

1986年前蘇聯(lián)的切爾諾貝利核電站核事故的發(fā)生，以及2013年日本福島核泄漏事件，給當(dāng)?shù)鼐用駧?lái)的危害和全世界人民帶來(lái)的恐慌，產(chǎn)生的一系列后果是不可估量的。但核能是當(dāng)今世界上重要的能源之一，核電站又是高能量、低成本的電站，所以核電站的建設(shè)事在必行，也就意味著核電站安全的重要性。

1 產(chǎn)品檢測(cè)部位介紹

核反應(yīng)堆堆芯是原子核裂變反應(yīng)區(qū)，它是由核燃料組件，控制棒組件，可燃毒物組件和啟動(dòng)中子源組件等組成?？刂瓢趄?qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是控制反應(yīng)堆裂變反應(yīng)功率的部件，通過(guò)電磁原理，提升和下降吸收中子的黑棒，增加和減少促成裂變反應(yīng)的中子數(shù)量，從而控制裂變反應(yīng)的進(jìn)行。控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是保證核動(dòng)力系統(tǒng)正常動(dòng)行的關(guān)鍵部件?？刂瓢趄?qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)也是一回路壓力邊界。

控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由七大部件組成，包括：驅(qū)動(dòng)桿、驅(qū)動(dòng)桿行程套管、密封殼、鉤爪組件、棒位探測(cè)器、線圈組件和隔熱套。其中密封殼由奧氏體不銹鋼00Cr18Ni10N和鎳基合金Inconel 690對(duì)接焊接而成。該焊縫位于反應(yīng)堆一回路壓力邊界，其焊接質(zhì)量直接關(guān)系到核電站的安全。以往型號(hào)的控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)該條焊縫采用射線加滲透檢測(cè)。ML-B型（華龍一號(hào)）控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)該條焊縫在熱處理和水壓后增加了超聲波檢測(cè)。

該焊縫規(guī)格為Φ105×17.5。制造廠在加工過(guò)程中防止變形，采用Φ114×32的中空棒材對(duì)接，坡口型式為U型坡口，手工焊打底和自動(dòng)焊蓋面。焊縫規(guī)格如下圖1。

圖1 焊縫的坡口形式和尺寸

焊后車(chē)光外圓至112擴(kuò)內(nèi)孔至62然后進(jìn)行穩(wěn)定化處理。

奧氏體不銹鋼焊縫凝固時(shí)未發(fā)生相變，室溫下仍以鑄態(tài)柱狀?yuàn)W氏體晶粒存在。這種柱狀晶粒粗大，組織不均，具有明顯的各向異性。奧氏體不銹鋼對(duì)接焊縫晶粒取向大致垂直于坡口，柱狀晶的特點(diǎn)是同一晶粒，從不同方向測(cè)定有不同尺寸，從而產(chǎn)生以不同方向超聲探測(cè)引起衰減與信噪比不同。當(dāng)波束與柱狀晶垂直時(shí)，衰減較大，信噪比較低。

圖2 縫宏觀圖

圖3 焊縫金相圖---柱狀晶粒

圖4 橫波斜探頭在試塊上的反射回波（2.5P13X13K1）

圖5 縱波斜探頭在試塊上的反射回波（2PK1）

表1 雙晶縱波探頭參數(shù)

2 超聲檢測(cè)設(shè)備及方法的選擇

2.1 儀器

采用A型脈沖反射式超聲波探傷儀，頻率范圍為15MHz。

儀器應(yīng)具有80dB以上連續(xù)可調(diào)衰減器，步進(jìn)級(jí)≤2dB，最大累計(jì)誤差≤1dB。

儀器主要性能指標(biāo)水平線性誤差≤1%，垂直線性誤差≤5%，動(dòng)態(tài)范圍≥26dB。

超聲波設(shè)備使用的A型脈沖反射式數(shù)字式超聲設(shè)備，為GE公司的，型號(hào)為MSGO。

2.2 探頭

超聲波探傷中，信噪及衰減與波長(zhǎng)有關(guān)，當(dāng)材質(zhì)晶粒較粗大，波長(zhǎng)較短時(shí)信噪比低，衰減大。因此奧氏體不銹鋼焊縫通常采用波長(zhǎng)較長(zhǎng)的縱波。為了更加提高信噪比，探傷近表面缺陷，對(duì)密封殼對(duì)接焊縫選用采用雙晶縱波聚焦探頭。

探頭頻率。超聲波檢測(cè)頻率越高脈沖寬度越小，分辨力越高。但頻率越高，衰減越大，由于晶界的散射還會(huì)出現(xiàn)草狀回波，使信噪比下降。綜合考慮檢測(cè)近表面區(qū)域選用4MHz頻率探頭，其它的選用2MHz的探頭。

探頭的帶寬。探頭發(fā)射的超聲脈沖頻率都不是單一的，而是有一定帶寬。寬帶探頭對(duì)應(yīng)的脈沖寬度較大，深度分辨力好，盲區(qū)小。在材料內(nèi)部散射噪聲較高的情況下，寬帶探頭由于脈沖短，具有比窄帶寬探頭信噪比好的優(yōu)點(diǎn)。我們選用寬帶探頭。

探頭的K值選擇。應(yīng)與奧氏體焊縫坡口以及焊縫中危險(xiǎn)性缺陷方向與探測(cè)面的角度綜合考慮。為了有效檢測(cè)焊縫中這種危險(xiǎn)性缺陷一般采用縱波斜探頭，由于奧氏體焊縫為柱狀晶，不同方向探測(cè)信噪比和衰減不同。根據(jù)對(duì)接焊縫的坡口形式和可能存在缺陷的類(lèi)型，為了盡可能的檢出缺陷，采用如下探測(cè)方向和探頭K值。推薦采用雙晶縱波公稱(chēng)折射角為0°、35°、45°、60°的直探頭和斜探頭。掃查方向如圖6所示。

圖6 探頭掃查方向示意圖

雙晶探頭焦距。密封殼加焊后車(chē)光外圓至112mm，擴(kuò)內(nèi)孔至62mm，超聲波探傷的焊縫的實(shí)際厚度為25mm。如果采用一種焦距難以對(duì)焊縫進(jìn)行全面覆蓋，故把焊縫分為上下兩層，分層進(jìn)行探傷。由于雙晶探頭的聲束交匯區(qū)的靈敏度較高，雙晶探頭聲束交匯區(qū)范圍為0.5倍～2倍FS，綜合考慮把焊縫分為0～10，10～25兩層。

圖7 探頭掃查覆蓋范圍

由于上層焦距較短，探傷距表面近，為了提高分辨力適當(dāng)提高頻率采用4MHZ，晶片尺寸較小的雙晶斜探頭。焊縫下層焦距較大，超聲波在焊縫中傳播距離相對(duì)較大，能量損失相對(duì)較多，采用晶片相對(duì)較大頻率為2MHz的雙晶斜探頭。探頭具體參數(shù)見(jiàn)表1。

2.3 組合性能

選擇的探傷儀應(yīng)與選用的探頭相匹配，以便獲得最佳靈敏度和信噪比。

有效靈敏度在整個(gè)檢測(cè)范圍內(nèi)，探頭與探傷儀組合的有效靈敏度余量應(yīng)≥6dB。

信噪比在整個(gè)檢測(cè)范圍內(nèi)，標(biāo)稱(chēng)信噪比應(yīng)≥20dB。

距離波幅特性 聲束分別通過(guò)母材和焊縫測(cè)繪的兩條DAC曲線間距應(yīng)＜10dB。

根據(jù)以上優(yōu)化選擇，探傷儀和探頭相匹配，獲得了最優(yōu)的靈敏度和信噪比。下圖為選用45°TRL2-Aust探頭，焦距FS為23mm的雙晶探頭，在超聲波對(duì)比試塊上對(duì)準(zhǔn)19.5mm深的人工反射孔時(shí)的反射回波。19.5mm反射回波前的反射波為深度12.5mm的人工反射回波。從圖片上能清晰的分辯出人工傷波，林狀雜波幾乎沒(méi)有。信噪比至少達(dá)到20dB以上。

圖8 45°TRL2-Aust FS23雙晶探在試塊上的反射回波

3 討論

奧氏體的異種鋼對(duì)接焊縫的超聲波探傷，最關(guān)鍵的還是在探頭參數(shù)的選擇。做到揚(yáng)長(zhǎng)避短，通過(guò)對(duì)探頭晶片尺寸、頻率、帶寬、雙晶探頭焦距和K值的優(yōu)化選擇，把探傷困難的奧氏體異種鋼對(duì)接焊縫探傷得已實(shí)現(xiàn)。