郭玉炳

(中國(guó)核工業(yè)第五建設(shè)有限公司，上海 201512)

AP1000是由美國(guó)西屋公司設(shè)計(jì)的第三代先進(jìn)壓水堆核電站，其壓水堆安全殼為雙層結(jié)構(gòu)，內(nèi)層為鋼安全殼容器，外層為鋼筋混凝土屏蔽構(gòu)筑物[1]，其主要作用是防止放射性物質(zhì)向環(huán)境擴(kuò)散。安全殼在核電站安全方面發(fā)揮著重要的作用，是壓水堆核電站的第三道安全屏障。

AP1000壓水堆安全殼鋼制容器為上下分別有兩個(gè)橢球封頭的圓柱體[1]，是整個(gè)非能動(dòng)安全殼冷卻系統(tǒng)的主要組成部分，其由5個(gè)主要結(jié)構(gòu)模塊組成。這些模塊包括環(huán)形加強(qiáng)筋、環(huán)吊梁、閘門、貫穿件及其他附件。

文章詳細(xì)介紹了AP1000壓水堆安全殼貫穿件的一種非徑向管板焊接接頭的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)并對(duì)該類接頭焊接過程中易產(chǎn)生的缺陷進(jìn)行了分析，同時(shí)對(duì)該焊接接頭的超聲檢測(cè)工藝的要點(diǎn)進(jìn)行了介紹，特別對(duì)超聲檢測(cè)的缺陷定位方法進(jìn)行了論述，對(duì)超聲檢測(cè)技術(shù)受限的問題提出了行之有效的解決方法，在工程實(shí)踐中取得了良好的應(yīng)用。

1 非徑向管板焊接接頭的特點(diǎn)

1.1 安全殼貫穿件及其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

AP1000壓水堆安全殼貫穿件包括機(jī)械貫穿件(包含燃料輸送管)、電氣貫穿件(內(nèi)含管道、電纜等)、設(shè)備閘門及人員過渡倉(cāng)等。所有的安全殼貫穿件在大多數(shù)情況下是由封閉套筒構(gòu)成的雙屏障組件,其典型的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 安全殼貫穿件典型結(jié)構(gòu)示意

所有貫穿件套管組件都被設(shè)計(jì)成水平狀態(tài)，大部分套管的軸線都指向安全殼的中心,但也有少數(shù)貫穿件套管的軸線并不指向安全殼中心，而是與0°～180°或90°～270°軸線平行，與0°～180°軸線平行的套管有P23,P24,P25,P26,P44,P45等6根，與90°～270°軸線平行的套管有P19。貫穿件套管與安全殼或補(bǔ)強(qiáng)板的相對(duì)位置分為兩類,一類屬于正交，即套管與補(bǔ)強(qiáng)板或安全殼垂直；一類屬于非正交，即套管與補(bǔ)強(qiáng)板或安全殼呈一定的角度[2]。

1.2 非徑向管板焊接接頭的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

以AP1000主蒸汽管道路徑上的機(jī)械貫穿件P44/P45為例，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，尺寸和材料參數(shù)如表1，2所示。貫穿件套管材料為SA350 Gr.LF-2;補(bǔ)強(qiáng)板材料為SA738 Gr.B；采用手工電弧焊(SMAW)的方式1進(jìn)行焊接，涉及的焊接位置有3G(立焊)，4G (仰焊)等。坡口形式為K型，坡口角度兩側(cè)均為45°。

表1 P44/P45結(jié)構(gòu)尺寸 mm

圖2 機(jī)械貫穿件P44/P45結(jié)構(gòu)示意

在機(jī)械貫穿件P44/P45的安全殼底封頭上進(jìn)行開孔并安裝補(bǔ)強(qiáng)板(厚度為95.35 mm)， 套管插入補(bǔ)強(qiáng)板預(yù)先開好的孔中進(jìn)行焊接。坡口位于補(bǔ)強(qiáng)板側(cè)，坡口角度為45°。套管材料為SA350 Gr.LF-2，外徑為520.7 mm，壁厚為57.15 mm。 套管中心軸線與補(bǔ)強(qiáng)板垂直方向成20.6°的夾角，即補(bǔ)強(qiáng)板、補(bǔ)與套管相交的非徑向全熔透焊接接頭沿套管周向均在不斷變化。由于此角度在不斷變化強(qiáng)板本身弧度的變化及套管幾何形狀的影響，其有別于正交徑向全熔透焊接接頭。部分區(qū)域因探頭掃查距離不足。筆者將結(jié)合超聲檢測(cè)工藝、被檢對(duì)象幾何特點(diǎn)，綜合分析解決存在的技術(shù)受限問題。

表2 P44/P45構(gòu)成及材質(zhì)

1.3 缺陷產(chǎn)生原理及重點(diǎn)檢測(cè)部位

受貫穿件套管結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及現(xiàn)場(chǎng)工作條件影響，此類非徑向的焊接難度較大,特別是靠近下端的焊接接頭及套管與補(bǔ)強(qiáng)板夾角小的部位。根據(jù)焊接工藝分析，此類非徑向管板的焊接接頭主要采用多層多道的手工焊接方式，在工期緊、工作量大且為全手工電弧焊焊接的情況下，對(duì)整個(gè)焊接過程控制都有較高的要求。受安裝順序影響，安全殼與補(bǔ)強(qiáng)板之間的焊接接頭先于此焊接接頭完成焊接，故此焊接接頭焊接過程中受焊接應(yīng)力的影響較大。

以下情況也給焊接接頭的質(zhì)量帶來了諸多不確定性。組對(duì)間隙小，單側(cè)焊接完成后，若清根不徹底，極易形成未焊透缺陷；清根后或?qū)娱g修磨不當(dāng)，極易形成未熔合缺陷；受焊接位置及狹小空間的制約，施焊過程難以控制，若焊工手法不熟練，容易形成未熔合、夾雜等缺陷；焊接時(shí)若預(yù)熱或?qū)娱g溫度控制不當(dāng)，在焊接及結(jié)構(gòu)應(yīng)力的作用下，容易形成危害性較大的裂紋；受焊條烘干程度、風(fēng)速、濕度等因素的影響，焊接過程中易產(chǎn)生夾雜、氣孔等缺陷。

從貫穿件套管與補(bǔ)強(qiáng)板非徑向管板焊接接頭的結(jié)構(gòu)受力及焊接過程中容易產(chǎn)生的缺陷方面進(jìn)行分析，進(jìn)行超聲檢測(cè)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)檢測(cè)的部位有：套管一側(cè)的熔合面；補(bǔ)強(qiáng)板一側(cè)的坡口熔合面；不易于施焊的區(qū)段；套管壁內(nèi)靠近熔敷金屬的部位；焊接接頭背面清根部位等。在制定超聲檢測(cè)工藝時(shí)，應(yīng)結(jié)合以上重點(diǎn)部位選擇合適的探頭，盡量使超聲聲束與被檢面上的缺陷相垂直，以獲得最好的檢測(cè)效果。

2 非徑向管板焊接接頭超聲檢測(cè)工藝

2.1 超聲檢測(cè)技術(shù)及質(zhì)量要求

對(duì)于全熔透的非徑向管板焊接接頭，熔敷金屬厚度超過12.5 mm時(shí)，要求進(jìn)行100%超聲檢測(cè)(UT)。檢測(cè)參考標(biāo)準(zhǔn)為ASME Ⅴ-2001及其2002年增補(bǔ)。質(zhì)量驗(yàn)收參考標(biāo)準(zhǔn)為ASME Ⅲ NE-2001及其2002年增補(bǔ)。此類焊接接頭屬于ASME MC級(jí)部件，部分貫穿件位于壓力邊界處，對(duì)焊接接頭的焊接質(zhì)量和檢測(cè)可靠性要求很高。

2.2 探頭掃查面制備

(1) 針對(duì)被檢測(cè)非徑向管板焊接接頭的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，為充分保證超聲檢測(cè)的質(zhì)量，探頭移動(dòng)范圍內(nèi)的表面必須平整，還須保證探頭能在掃查面平滑移動(dòng)且與工件耦合良好。一般采用打磨和拋光的方式對(duì)被檢表面進(jìn)行處理，實(shí)際檢測(cè)時(shí)要求被檢測(cè)面與探頭底面之間的間隙不大于0.5 mm，工件表面粗糙度不大于25 μm。為了增加掃查面的面積，須在滿足設(shè)計(jì)要求的情況下盡量去除焊接余高，一般要求焊喉小于10 mm。對(duì)局部掃查距離不足的焊縫，一般要求焊喉小于5 mm。

(2) 探頭掃查區(qū)域主要為補(bǔ)強(qiáng)板內(nèi)外表面及焊接接頭區(qū)域所對(duì)的套管內(nèi)壁。為保證探頭有足夠的移動(dòng)范圍，補(bǔ)強(qiáng)板內(nèi)外側(cè)表面的焊接接頭余高須磨平，同時(shí)應(yīng)保證整個(gè)過渡區(qū)域的平整和光滑。需用幾何測(cè)量的方法在套管內(nèi)側(cè)畫出外部焊接接頭邊界所對(duì)應(yīng)的區(qū)域，以確定探頭移動(dòng)區(qū)域并對(duì)超聲波波形進(jìn)行判斷。

(3) 探頭應(yīng)平滑移動(dòng)，不得有起伏或擺動(dòng)。因?yàn)榇祟惽闆r會(huì)導(dǎo)致聲束耦合效果變差、不能有效入射工件或產(chǎn)生變型波從而嚴(yán)重影響超聲檢測(cè)的結(jié)果。探頭移動(dòng)的時(shí)候應(yīng)盡量靠近焊接接頭，使探頭入射點(diǎn)在掃查面的移動(dòng)距離盡量大，保證聲束能通過整個(gè)接頭截面。對(duì)套管內(nèi)壁檢測(cè)受套管內(nèi)徑限制的問題，應(yīng)盡量選擇晶片尺寸小的探頭進(jìn)行檢測(cè)。

(4)由于設(shè)計(jì)原因造成探頭掃查距離不足時(shí)，可將此類問題歸結(jié)為技術(shù)受限，同時(shí)應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)地分析，并在檢測(cè)工藝文件和檢測(cè)報(bào)告中對(duì)受限部位進(jìn)行標(biāo)識(shí)和說明。

2.3 超聲檢測(cè)試塊選擇

所使用的標(biāo)準(zhǔn)試塊為CSK-IA試塊，其主要作用是進(jìn)行超聲檢測(cè)系統(tǒng)的校驗(yàn)(如測(cè)定探頭入射點(diǎn)及前沿距離、系統(tǒng)定標(biāo)、實(shí)測(cè)探頭角度及聲速等)；所使用的靈敏度校驗(yàn)試塊為ASME 3#試塊，其長(zhǎng)橫孔尺寸為φ4.8 mm×38 mm(直徑×長(zhǎng)度)，用于缺陷當(dāng)量比對(duì)和制作DAC(距離-幅度曲線)曲線。

2.4 超聲檢測(cè)探頭布置

安全殼P44/P45貫穿件非徑向管板焊接接頭的超聲檢測(cè)探頭布置如圖3所示，探頭的詳細(xì)規(guī)格如表3所示。

圖3 探頭布置示意

探頭①為主要檢測(cè)探頭，其折射角為60°；探頭②為輔助檢測(cè)探頭，其折射角為45°；受限于掃查距離不足，另增加探頭③為輔助檢測(cè)探頭，其折射角為30°，主要檢測(cè)坡口面上的未熔合等缺陷；探頭④為主要檢測(cè)探頭，考慮到內(nèi)壁的耦合效果，選用晶片直徑為10 mm的直探頭，必要時(shí)可增加探頭軟保護(hù)套，主要檢測(cè)套管外壁熔合面上的缺陷及焊接接頭的內(nèi)部缺陷；探頭⑤選用晶片直徑為20 mm的直探頭對(duì)斜探頭掃查區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)，保證斜探頭聲束傳播不受相關(guān)缺陷的影響；探頭⑥選用折射角為45°的斜探頭，主要用于套管壁內(nèi)缺陷的輔助定位和確認(rèn)。

探頭①、探頭②及探頭③在補(bǔ)強(qiáng)板兩側(cè)分別采用前后、左右、轉(zhuǎn)角、環(huán)繞、鋸齒等掃查方式進(jìn)行掃查。對(duì)判斷為缺陷的位置應(yīng)仔細(xì)觀察其動(dòng)態(tài)波形，大致確定缺陷的趨向及長(zhǎng)度大小，必要時(shí)可使用不同角度的探頭在兩側(cè)同時(shí)進(jìn)行掃查。探頭掃查時(shí)，應(yīng)注意識(shí)別結(jié)構(gòu)反射波。探頭④沿套管內(nèi)壁軸線方向進(jìn)行掃查，掃查前，應(yīng)確定套管外壁的焊接接頭邊緣在內(nèi)壁的對(duì)應(yīng)位置，以便于在探頭掃查時(shí)對(duì)波形進(jìn)行判斷并完成掃查區(qū)域的表面準(zhǔn)備等。依據(jù)缺陷回波的情況，必要時(shí)還應(yīng)沿周向進(jìn)行掃查。在調(diào)節(jié)儀器掃查范圍時(shí)，應(yīng)至少能觀察到二次底面回波，掃查范圍至少包括補(bǔ)強(qiáng)板焊接接頭區(qū)域。

2.5 超聲檢測(cè)探頭

參考標(biāo)準(zhǔn)ASTM E164—2013，所采用的探頭規(guī)格如表3所示。

表3 探頭規(guī)格

2.6 超聲檢測(cè)的缺陷定位方法

2.6.1 缺陷定位坐標(biāo)系的建立

鑒于非徑向管座焊接接頭結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和特殊性，對(duì)缺陷的定位和識(shí)別難度較大，須采用適當(dāng)?shù)娜毕荻ㄎ蛔鴺?biāo)系，保證缺陷定位的有效性和準(zhǔn)確性，并為后續(xù)的缺陷類型分析提供依據(jù)。缺陷定位坐標(biāo)中的信息還應(yīng)為缺陷的識(shí)別及干擾回波的判斷提供參考。因此，建立一個(gè)合適的缺陷定位坐標(biāo)系，對(duì)檢測(cè)過程的實(shí)施、缺陷數(shù)據(jù)記錄及分析處理、缺陷識(shí)別、缺陷返修、干擾回波判斷等均具有極其重要的作用。

安全殼內(nèi)、外側(cè)的缺陷定位坐標(biāo)系分別如圖4，5所示(圖中各符號(hào)說明見表4)，以安全殼上P44/P45貫穿件套管與補(bǔ)強(qiáng)板的非徑向管座焊接接頭為例，分別在安全殼(CV)內(nèi)側(cè)和外側(cè)建立統(tǒng)一的缺陷定位坐標(biāo)系，缺陷定位坐標(biāo)系的建立是構(gòu)建幾何關(guān)系的前提，要充分考慮測(cè)量尺寸和角度的便利性。

圖4 P44/P45缺陷定位坐標(biāo)系(安全殼內(nèi)側(cè))

圖5 P44/P45缺陷定位坐標(biāo)系(安全殼外側(cè))

缺陷定位坐標(biāo)系中相關(guān)符號(hào)含義如表4所示。

表4 缺陷定位坐標(biāo)系中的符號(hào)說明

2.6.2 缺陷的定位方法

安全殼上P44/P45貫穿件套管與補(bǔ)強(qiáng)板的非徑向管座焊接接頭結(jié)構(gòu)復(fù)雜，進(jìn)行超聲檢測(cè)時(shí)對(duì)缺陷回波的識(shí)別和判斷非常困難。結(jié)合其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及2.6.1節(jié)建立的定位坐標(biāo)系進(jìn)行綜合分析推導(dǎo)得出h，不僅解決了缺陷定位的問題，還為檢測(cè)過程中缺陷信號(hào)的識(shí)別和判斷提供了重要參考。缺陷定位分析示意如圖6所示，圖中相關(guān)符號(hào)說明如表5所示。表5中θ為游標(biāo)萬能角度尺實(shí)測(cè)得出；L使用鋼板尺從補(bǔ)強(qiáng)板內(nèi)側(cè)或外側(cè)與套管外壁交點(diǎn)處至探頭前方的長(zhǎng)度加上探頭的前沿長(zhǎng)度得出；S1為缺陷處最高回波處聲程，可由超聲檢測(cè)儀器讀出。數(shù)據(jù)均以缺陷最高回波所在位置及探頭位置為參照。由圖6所示的幾何關(guān)系分析可得出

表5 缺陷定位分析中的符號(hào)說明

圖6 P44/P45缺陷定位分析示意

(1)

h=S2×sin(θ-90°+α)

(2)

h=L×sin(180°-θ)-S1×sin(θ-90°+α)

(3)

從缺陷最大反射回波處的儀器讀數(shù)及相關(guān)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可計(jì)算得出h值，結(jié)合缺陷最大反射回波處的d(埋藏深度)，可以準(zhǔn)確地判斷出最大反射回波處的缺陷位置。同時(shí)結(jié)合缺陷處的動(dòng)態(tài)波形特征綜合評(píng)定缺陷。對(duì)于不在焊縫區(qū)及熱影響區(qū)的反射回波，應(yīng)認(rèn)真分析反射回波的來源，區(qū)別于因結(jié)構(gòu)等原因產(chǎn)生的干擾回波信號(hào)，以免造成缺陷的誤判。

由圖6、表5及式(3)可知，若θ為90°，即可將式(3)改寫為

h=L-S1×sinα

(4)

式(4)可適用1.1節(jié)所述的正交類焊接接頭，即套管與補(bǔ)強(qiáng)板或安全殼垂直的焊接接頭。此方法也可方便、準(zhǔn)確地進(jìn)行正交類焊接接頭的缺陷定位。

2.7 超聲檢測(cè)技術(shù)受限區(qū)域分析及解決措施

檢測(cè)技術(shù)受限區(qū)域是指因設(shè)計(jì)原因?qū)е碌暮附咏宇^補(bǔ)強(qiáng)板的探頭掃查距離不足，焊接接頭熔敷金屬及熱影響區(qū)域的部分超聲聲束不可達(dá)的問題。焊接接頭采用雙面掃查，為保證超聲波全覆蓋熔敷金屬及熱影響區(qū)，掃查距離至少為1.5KT(其中K為探頭K值，T為檢測(cè)厚度)，不同K值探頭要求的最小掃查距離如表6所示。

表6 不同K值探頭要求的最小掃查距離

P44/P45貫穿件套管與補(bǔ)強(qiáng)板非徑向焊接接頭的實(shí)際結(jié)構(gòu)如圖7所示。從圖7標(biāo)注的尺寸可知，P44/P45非徑向焊接接頭補(bǔ)強(qiáng)板的探頭掃查范圍最小部位寬度僅為70 mm，最大部位寬度為105 mm。與表6中的要求有較大的差距。掃查距離不足將無法滿足此焊接接頭超聲波全覆蓋檢測(cè)的要求。依據(jù)ASME(美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì))標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定，在檢測(cè)存在受限的情況下，需在檢測(cè)工藝及檢測(cè)報(bào)告中進(jìn)行說明[3]。對(duì)60°，45°，30°探頭掃查受限的部位進(jìn)行了計(jì)算及圖示分析。

圖7 P44/P45非徑向焊接接頭實(shí)際結(jié)構(gòu)示意

圖7中淺灰色區(qū)域?yàn)闊嵊皡^(qū)響(寬度約為10 mm),深灰色區(qū)域?yàn)槿鄯蠼饘?。補(bǔ)強(qiáng)板厚度為95.35 mm，套管壁厚為57.15 mm。 焊喉需打磨至5 mm以下，在補(bǔ)強(qiáng)板側(cè)，焊腳尺寸應(yīng)小于10 mm，檢測(cè)時(shí)盡量增大掃查距離，減小檢測(cè)受限區(qū)域。

2.7.1 60°探頭受限區(qū)域分析

60°探頭的前沿距離為16 mm，其存在如圖8所示的技術(shù)受限區(qū)域(紫色區(qū)域)，紅色線條表示60°探頭主聲束的入射方向。

圖8 60°探頭掃查受限區(qū)域示意

2.7.2 45°探頭受限區(qū)域分析

45°探頭的前沿距離為14 mm，其存在圖9所示的技術(shù)受限區(qū)域(紫色區(qū)域)，黃色線條表示45°探頭主聲束的入射方向。

圖9 45°探頭掃查受限區(qū)域示意

2.7.3 30°探頭受限區(qū)域分析

30°探頭的前沿距離為14 mm，其存在圖10所示的技術(shù)受限區(qū)域(紫色區(qū)域)，藍(lán)色線條表示30°探頭主聲束的入射方向。

圖10 30°探頭掃查受限區(qū)域示意

60°/45°/30°受限區(qū)域分析如圖11所示。通過對(duì)技術(shù)受限區(qū)域的綜合分析并結(jié)合超聲檢測(cè)的特點(diǎn)可知，增加30°探頭，可最大程度地減少技術(shù)受限區(qū)域(玫紅色區(qū)域)，在實(shí)際檢測(cè)中，可提高該類焊接接頭超聲檢測(cè)的可靠性和完整性。

圖11 60°/45°/30°探頭掃查受限區(qū)示意

3 質(zhì)量驗(yàn)收

在超過基準(zhǔn)線20%的回波的區(qū)域應(yīng)注意其是否存在裂紋等危害性缺陷[3]，缺陷性質(zhì)應(yīng)結(jié)合該類焊接接頭的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、焊接工藝特點(diǎn)、超聲檢測(cè)工藝、缺陷動(dòng)態(tài)回波特征、缺陷的位置等進(jìn)行分析判定，如不能作出準(zhǔn)確判斷應(yīng)輔以其它檢測(cè)方法做綜合評(píng)定。缺陷回波波幅超過了基準(zhǔn)線幅度值并且長(zhǎng)度超過19 mm時(shí)應(yīng)拒收，缺陷若判定為裂紋、未熔合、未焊透等，無論長(zhǎng)度是多少均不可接受的。

4 結(jié)語

對(duì)AP1000壓水堆安全殼貫穿件套管與補(bǔ)強(qiáng)板形成的非徑向管板焊接接頭的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行介紹，分析了易產(chǎn)生缺陷部位及重點(diǎn)檢測(cè)部位，論述了該類焊接接頭的超聲檢測(cè)工藝要點(diǎn)及相關(guān)要求，構(gòu)建了統(tǒng)一的缺陷定位坐標(biāo)系以及準(zhǔn)確的缺陷定位方法，并對(duì)由于結(jié)構(gòu)原因造成的技術(shù)受限區(qū)域進(jìn)行了綜合分析。

通過提高掃查面制備的要求，增加主聲束折射角為30°的定制探頭，最大程度地降低了結(jié)構(gòu)對(duì)超聲檢測(cè)的影響，為該類焊接接頭超聲檢測(cè)工藝的可靠性和完善性提供了解決措施，并為其施工質(zhì)量控制提供了堅(jiān)實(shí)的保障。