魯 佳，何戈寧， 田雅婧， 任 亮， 侯依雯

(中國核動力研究設(shè)計院，成都 610041)

超聲檢測技術(shù)是核電主設(shè)備質(zhì)量控制的重要手段之一。在核島主設(shè)備設(shè)計過程中，超聲檢測技術(shù)廣泛應(yīng)用于原材料制造與驗收，厚度測量，焊接質(zhì)量檢測，設(shè)備出廠檢測、役前檢測、在役檢測等各個工序。目前，國內(nèi)“華龍一號”等三代核島主設(shè)備的超聲檢測設(shè)計主要遵循法國標準 RCC-M：2007 《壓水堆核島機械設(shè)備設(shè)計核建造規(guī)則》和RSE-MRSE-M：2010，In-serviceinspectionrulesformechanicalcomponentsofpowernuclearislands，并部分參照國內(nèi)標準NB/T 20003.2：2010《核電廠核島機械設(shè)備無損檢測 第2部分：超聲檢測》。針對工程設(shè)計過程中部分核島主設(shè)備的超聲檢測問題進行分析探討，并提出建議措施，為核島主設(shè)備超聲檢測設(shè)計提供參考。

1 超聲檢測儀器與探頭性能要求差異性分析

RCC-M要求檢測所使用的儀器應(yīng)滿足標準EN 12668-1：2000,Non-destructivetesting-characterizationandverificationofultrasonicexaminationequipment-part1:instruments的相關(guān)要求，該標準對儀器的中心頻率提出了明確求；NB/T 20003.2要求測定檢測儀器的屏高線性、水平線性、垂直線性等指標，其余指標應(yīng)滿足JB/T 10061：1999 《A型脈沖反射式超聲波探傷儀通用技術(shù)條件》 的要求。經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)，NB/T 20003.2要求儀器衰減精度為12 dB(誤差為±1 dB)，EN 12668-1要求粗調(diào)衰減精度為60 dB(誤差為±2 dB)，微調(diào)衰減精度為20 dB(誤差為±1 dB)，RCC-M在衰減精度方面明顯要嚴于NB/T 20003.2，兩者對衰減精度的要求差異較大，這將直接影響對缺陷的定量。另外，JB/T 10061標準對其他性能均只要求給出項目測試方法和測試結(jié)果，并未給出驗收條款；而EN 12668-1規(guī)定了所有測試項目的方法及驗收條款，即EN 12668-1對檢測儀器的性能提出了更高要求，JB/T 10061測試條件和測試方法還較落后，測試方法及測試裝置與國外標準也存在較大差別[1]。

超聲檢測探頭方面，RCC-M要求檢測探頭應(yīng)滿足 EN 12668-2：2001,Non-destructivetesting-characterizationandverificationofultrasonicexaminationequipment-part2:probes的相關(guān)要求，NB/T 20003.2對主聲束偏離角以及主聲束垂直方向的波峰特性做出要求，并要求探頭性能測試方法滿足JB/T 10062：1999 《超聲探傷用探頭性能測試方法》 的規(guī)定。EN 12668-2對中心頻率、帶寬、脈沖寬度、入射點、入射角等性能均提出了要求，RCC-M較NB/T 20003.2更加關(guān)注檢測探頭的性能，對檢測探頭性能提出了更高的要求，規(guī)避了檢測探頭的不穩(wěn)定性對檢測結(jié)果的影響。另外，NB/T 20003.2引用的JB/T 10062適用于1～5 MHz的直探頭、斜探頭、雙晶直探頭的測試，而NB/T 20003.2的適用范圍為1～6 MHz的單雙晶直和斜探頭，JB/T 10062無法完全覆蓋NB/T 20003.2的適用范圍，存在特定頻率探頭無法嚴格按照標準檢測探頭性能的問題。

RCC-M要求儀器-探頭的組合性能滿足EN 12668-3：2000,Non-destructivetesting-characterizationandverificationofultrasonicexaminationequipment-part3:combinedequipment的相關(guān)要求，NB/T 20003.2要求滿足JB/T 9214：1999 《A型脈沖反射式超聲波探傷儀通用技術(shù)條件》 的相關(guān)要求。經(jīng)對比分析可知，EN 12668-3與JB/T 9214在測試項目與周期要求上基本一致，因此，可認為兩者可以等效應(yīng)用。

綜上所述，在超聲檢測儀器與探頭性能要求方面，RCC-M較NB/T 20003.2提出了更加明確、可操作的要求，且NB/T 20003.2存在特定頻率無法嚴格按照標準檢測探頭性能的問題，建議在按照NB/T 20003.2進行檢測時(例如按照附錄H對異種焊縫金屬進行超聲檢測)，可參考RCC-M或其他標準補充完善檢測儀器與探頭的性能要求。

2 鍛件超聲檢測標準應(yīng)用

對于鍛件的超聲檢測，RCC-M標準要求厚度不大于100 mm的鍛件應(yīng)采用規(guī)定尺寸的矩形槽確定基準靈敏度；對于厚度大于100 mm的鍛件，應(yīng)采用至少3個φ2 mm橫孔確定檢測靈敏度。實際檢測過程中發(fā)現(xiàn)，在測定厚度為100 mm的低合金鋼鍛件時，選用φ2 mm橫孔確定的基準靈敏度比用規(guī)定尺寸的矩形槽確定的基準靈敏度高約6～8 dB。吳遠建[1]，關(guān)云峰[2]在進行金鋼鍛件檢測時，均發(fā)現(xiàn)了該現(xiàn)象。這說明，當?shù)秃辖痄撳懠穸燃s為100 mm時，按照標準選用不同的反射體確定的基準靈敏度差異較大，導(dǎo)致缺陷回波的差異也較大，因此，建議擴大檢測厚度，盡可能交叉使用人工刻傷來確定基準檢測靈敏度。

檢測標準要求厚度不大于100 mm的鍛件，反射體矩形槽尺寸應(yīng)隨深度增大而逐漸增大，充分考慮了不同厚度的缺陷當量。對于厚度大于100 mm的鍛件，同一鍛件各深度均采用φ2 mm的橫通孔，即無論鍛件厚度大小可允許存在的缺陷當量均一致[3]。由此可見，當鍛件厚度大于100 mm時，遠離表面的缺陷控制要求嚴于靠近表面缺陷的要求，但是鍛件表面易出現(xiàn)缺陷，從缺陷控制角度考慮[4]，建議補充對近表面缺陷的雙晶直探頭檢測。

對于外徑與內(nèi)徑之比不小于1.6的管狀和環(huán)狀鍛件，RCC-M要求從圓柱外表面沿周向，從正反兩個方向進行100%斜射波掃查。這種掃查策略能夠高效地發(fā)現(xiàn)垂直于表面的軸向缺陷，但是較難發(fā)現(xiàn)垂直表面的周向缺陷，存在漏檢風險。因此，在此類型鍛件的超聲檢測設(shè)計過程中，建議考慮從鍛件端面進行軸向直射波掃查或沿外表面進行軸向斜射波掃查。

RCC-M中鍛件斜射波掃查驗收準則為“回波幅度大于50%DAC(距離-波幅)曲線的信號應(yīng)予以記錄，回波幅度大于100%DAC曲線的任何信號應(yīng)判為不合格”。該記錄和驗收要求與探頭頻率無關(guān)。探頭頻率對缺陷回波以及底波降低量影響較大，頻率越大，缺陷當量越小，底波降低量越大。RCC-M只規(guī)定了探頭頻率范圍(1～6 MHz)，可能存在采用不同頻率探頭檢測結(jié)果不同的情況，并且在測量缺陷當量尺寸時，探頭頻率的差異引起的尺寸差異會更大[5]。因此，建議按照標準選用較低頻率的探頭或者結(jié)合理論計算及試驗驗證的方式對標準進行修正，確保不降低原檢測要求[6]。

綜上所述，對于鍛件超聲檢測，RCC-M存在同一厚度下不同反射體的回波差異較大、鍛件近表面缺陷控制要求較低、管環(huán)狀鍛件周向缺陷檢測靈敏度較低等問題，建議進行補充檢測或分析論證來對操作進行修正，確保得到較準確的檢測結(jié)果。

3 支管角焊縫斜射波掃查覆蓋區(qū)域分析

RCC-M要求應(yīng)在35°～70°之間選用兩個至少相差15°的斜探頭對角焊縫進行橫波掃查檢測。核島系統(tǒng)中常出現(xiàn)全焊透角焊縫，支管與筒體間一般垂直或者斜交連接，例如蒸汽發(fā)生器側(cè)梁、排污、疏水等小內(nèi)徑支管與筒體之間的連接。垂直直管掃查區(qū)域如圖1所示，斜交支管掃查區(qū)域如圖2所示(圖中L為探頭前沿長度)。

圖1 垂直直管掃查區(qū)域示意

該類結(jié)構(gòu)僅能從單邊外側(cè)采用不同斜射角度對垂直支管、斜交支管進行掃查。由于探頭前沿以及結(jié)構(gòu)形式的限制，直射波法和一次反射波法均存在不可檢區(qū)域，直射波法的不可檢區(qū)域較大。從圖1,2中可看出，隨著斜射角的增大，不可檢區(qū)域減小，且垂直連接的不可檢區(qū)域要小于斜交連接的不可檢區(qū)域。另外，從圖2中可看出，單邊單側(cè)掃查時銳角側(cè)不可檢區(qū)域小于鈍角側(cè)的不可檢區(qū)域。

圖2 斜交支管掃查區(qū)域示意

綜上所述，支管與筒體間垂直或者斜交連接時均存在不可檢區(qū)域，設(shè)計支管角焊縫斜射波掃查方案時，在保證掃查靈敏度的前提下，建議盡量采用大角度斜探頭進行掃查；在設(shè)計支管結(jié)構(gòu)時，建議盡量采用垂直或接近垂直的焊接結(jié)構(gòu)。

4 焊接接頭附近區(qū)域母材斜射波檢測要求差異性分析

核島系統(tǒng)中反應(yīng)堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器、穩(wěn)壓器等主要采用低合金鋼鍛件作為承壓殼體材料，在原材料、制造、在役檢測等階段均須按照相關(guān)標準對原材料或焊接接頭以及附近區(qū)域母材進行斜射波檢測，但檢測要求并非完全一致。以蒸汽發(fā)生器二次側(cè)下部筒體為例，對比分析不同階段母材斜射波的檢測要求，結(jié)果如表1所示(部分在役檢測單位以焊縫中心兩邊各85 mm為檢測區(qū)域，范圍大于制造階段的檢測范圍[7]，表中Hd為反射波；Hr為底波)。

從表1可以看出，在原材料階段，筒體按照RCC-M M2133引用的MC 2100和RCC-M MC2300進行超聲檢測；制造階段和在役檢測階段分別按照RCC-M S7710和RSE-M A4221進行超聲檢測；由探頭角度、頻率以及掃查方法可以看出，制造階段母材區(qū)域的反射體設(shè)置與原材料階段母材的反射體設(shè)置不完全一致，并且制造階段的驗收準則規(guī)定拒收存在體積顯示和非體積顯示的材料(考慮了缺陷的單個顯示和密集顯示)，于是就出現(xiàn)制造階段檢出的缺陷在原材料階段卻未被檢出的問題。因此，建議在原材料階段考慮后續(xù)制造階段對母材區(qū)域的斜射波檢測要求，按照RCC-M S7710補充焊接坡口附近區(qū)域的斜射波檢測。

表1 蒸汽發(fā)生器二次側(cè)下部筒體斜射波檢測要求對比分析結(jié)果

從表1的驗收準則可以看出，制造階段和在役檢測階段的記錄限值不一樣，對應(yīng)的探頭頻率也不完全一致。國內(nèi)制造階段與在役檢測階段的檢測任務(wù)并非由同一單位承擔，人員、儀器、探頭等存在差異，建議制造單位或在役檢測單位考慮設(shè)置一定的靈敏度余量，以減小人員、儀器、探頭等因素帶來的檢測結(jié)果差異。

綜上所述，標準對焊接接頭附近區(qū)域母材斜射波檢測要求存在局部差異，建議采取增加檢測要求、考慮檢測靈敏度裕量等措施克服差異帶來的影響。

5 超聲波測量堆焊層厚度過程中熔深問題的討論

超聲檢測技術(shù)廣泛應(yīng)用于核電主設(shè)備內(nèi)壁不銹鋼堆焊層厚度的測量，由于核電設(shè)備本體厚度較厚，一般采用雙晶直探頭從堆焊層側(cè)進行檢測。低合金鋼表面堆焊不銹鋼過程中，堆焊層下形成熔融層，采用該方法進行檢測時，得到的厚度數(shù)據(jù)包括焊接熔深，一般比機械方法得到的堆焊層厚度要大，不能滿足對堆焊層厚度檢測精度要求較高的核島主設(shè)備檢測。鄧顯余等[8]提出了厚度計算法，通過測 定堆焊層和母材中的聲速計算得出堆焊層的實際厚度。任偉濤等[9]提出經(jīng)驗矯正法，直接測定含 熔深的堆焊層厚度，扣除熔深厚度經(jīng)驗值得出堆焊層的實際厚度。兩種方法均具有較好的工程實踐性。筆者認為經(jīng)驗矯正法具有更好的可操作性，厚度計算法能夠較準確地進行復(fù)核計算，結(jié)合工程實踐，可采用經(jīng)驗矯正法來處理堆焊層厚度測量過程中熔深厚度的問題，必要時采取厚度計算法進行復(fù)核計算。因此，建議在檢測核電主設(shè)備內(nèi)壁不銹鋼堆焊層的厚度時，采用經(jīng)驗矯正法來處理熔深厚度問題。

6 結(jié)論

(1) RCC-M較NB/T 20003.2對超聲檢測儀器與探頭性能等方面提出了更加明確、更具可操作性的要求，且NB/T 20003.2在特定頻率下無法嚴格按照標準檢測探頭性能。建議在按照NB/T 20003.2進行檢測時，可參考RCC-M或其他標準補充完善檢測儀器與探頭的性能要求。

(2) 對鍛件進行超聲檢測時，RCC-M存在同一厚度下不同反射體的回波差異較大、鍛件近表面缺陷控制要求較低、管環(huán)狀鍛件周向缺陷靈敏度較低、探頭頻率對缺陷回波存在影響等問題，建議進行補充檢測或分析論證來修正操作，確保檢測結(jié)果的準確性。

(3) 支管與筒體間垂直或者斜交連接時存在不可檢區(qū)域，在保證掃查靈敏度的前提下，建議盡量采用大角度斜探頭進行掃查；在設(shè)計支管結(jié)構(gòu)時，建議盡量采用垂直或接近垂直的焊接結(jié)構(gòu)。

(4) 標準對焊接接頭附近區(qū)域母材斜射波檢測的要求存在局部差異，建議采取增加檢測要求、考慮檢測靈敏度裕量等措施減小差異帶來的影響。

(5) 檢測堆焊層厚度時，熔深將影響堆焊層厚度的準確性，建議采用經(jīng)驗矯正扣除熔深厚度的方法確定堆焊層厚度。