CPR1000型控制棒驱动机构Ω焊缝的超声波检测

袁书现,李　俊,林忠元,洪茂成,吴金锋

(1.中广核检测技术有限公司, 苏州 215021；2.江苏国信靖江发电有限公司， 靖江 214500)



CPR1000型控制棒驱动机构Ω焊缝的超声波检测

袁书现1,李俊2,林忠元1,洪茂成1,吴金锋1

(1.中广核检测技术有限公司, 苏州 215021；2.江苏国信靖江发电有限公司， 靖江 214500)

Ω焊缝是CPR1000机组控制棒驱动机构(CRDM)上连接不同部位的不锈钢金属焊缝,其完整程度对于CRDM的良好运行起着十分重要的作用。阐述了针对Ω焊缝研发的自动化超声波水浸聚焦技术，确定了包括检测波型、探头频率、晶片尺寸及水层厚度等检测参数,并通过实际试块的检测试验，表明该技术可实现对CPR1000机组CRDM Ω焊缝的质量检测。

控制棒驱动机构;水浸;超声检验

CPR1000机组的控制棒驱动机构(简称CRDM，结构见图1)是一种步进式的提升机构，用来控制棒组件在堆芯内的提起、插入或保持在适当位置;其在发生快速停堆或事故工况时得到停堆信号后即能自动脱开控制棒组件，并使控制棒组件依靠自身重量快速插入堆芯，以保证堆芯运行安全。Ω焊缝是连接CRDM上不同部位的不锈钢金属焊缝，CPR1000机组具有上部、中部和下部三处Ω焊缝(见图1)，焊缝设计壁厚为2.3 mm，其对于CRDM的完整性和良好运行起着十分重要的作用。

图1　控制棒驱动机构结构及Ω焊缝示意

Ω焊缝形状特殊，具有半径小、曲率大、管壁薄等特点;焊缝多采用手工电弧焊而成，因此也具有成型差，母材焊缝两侧组织差异较大的特点，焊接过程中可能会产生裂纹、未熔合、夹渣和气孔等制造缺陷。这些制造过程中的缺陷，在长期高温、高压、高辐照的在役条件下，可能会发展成为应力腐蚀裂纹(SCC)而导致泄漏事件。自1984年国外出现首例该类型焊缝泄漏的事故后，国内外核电站已接连出现了多例焊缝区和相应热影响区的泄漏事故。焊缝役前和在役阶段产生的泄漏示例见图2。

图2　Ω焊缝在役前和在役阶段发生的泄漏示例

除上述特点外，Ω焊缝检测的空间也非常有限，以中部焊缝为例，两焊缝可供检查的有效间距约为400 mm，使得采用传统手动接触式超声方法较难实现对其检测。对于此类薄壁部件，采用水浸方式进行检测较有优势，为此，笔者开展了对Ω焊缝进行水浸聚焦自动化超声检验的试验，以提高焊缝缺陷的检出率。

1　检测对象

1.1检验对象及范围

图3　中部Ω焊缝结构尺寸及检查范围示意

检测对象为CPR1000机组CRDM中的上部、中部和下部Ω焊缝(见图1)，中部Ω焊缝结构尺寸及检查范围示意如图3所示。

由于当前没有标准针对CRDM中Ω焊缝的检测范围做明确说明，笔者根据已经产生的缺陷示例，明确该焊缝的具体检查范围包含焊缝、热影响区及相应母材过渡段(见图3(a)中红色图框和图3(b))。当前国内CPR1000机组CRDM Ω焊缝母材材料一般为Z2CN19-10(控氮)、填充金属为SFA5.9 ER308L/ER316L；上部和中部焊缝采用手动电弧焊在制造厂完成，对余高不进行处理，下部焊缝采用自动焊在现场完成。

中部和下部焊缝所处位置环境较上部复杂，进行超声波检查难度也大为增加，笔者仅选取中部焊缝作为实例进行介绍。

1.2焊缝组织结构中部焊缝采用手工电弧焊接而成，笔者分析了焊缝内部组织结构(见图4)，为超声波检测法选用技术参数提供参考信息，由图4可见,其内部组织结构分界较为明显和复杂，焊缝母材组织为奥氏体+孪晶，焊缝内部晶粒较粗大,为柱状奥氏体晶粒，焊缝和母材间热影响区界限分明，两侧晶粒组织差异性较大,对超声波声束的入射和传播会造成较大的影响。

图4　中部Ω焊缝组织结构

2　检查用探头参数选取

2.1探头规格参数设计

选取的探头，其主要参数包含检测频率和晶片形状尺寸等。由于焊缝厚度只有2.3 mm，为薄壁焊缝，根据ASME规范中有关相似内容要求，需检出壁厚10%深度的缺陷(即要保证能检测出0.23 mm的缺陷)，探头频率至少应为10 MHz。故笔者选定频率为11 MHz，又考虑检查空间有限，选取晶片尺寸为6 mm。

2.2水浸聚焦原理及特点

超声波水浸法是在探头与工件之间填充一定厚度的水层，声波先经过水层，而后再入射到试件中的一种非接触式超声检测方法。其特点为耦合稳定、声束敛聚、能量集中、灵敏度高，检测结果重复性好，尤其对于薄壁件效果更佳[1-2]。

2.3水浸聚焦参数设计设定母材和焊缝的材料为不锈钢，不锈钢中纵波声速为5 770 m·s-1，横波声速为3 230 m·s-1；水中纵波的速度为1 480 m·s-1。

笔者选用纵波倾斜入射，经水/钢界面转化得到横波，对焊缝进行检测;并考虑纵波经水入射至钢中的往复透射率[2]，得知在入射角为14.5°～27.27°时，钢中没有折射纵波，只有折射横波，因此选用入射角θ=15°，使得焊缝以及母材中得到较高能量的横波，并采用一次和二次横波进行检测。

2.3.1确定偏心距X

入射角为θ=15°，根据公式:

(1)

得到折射角为：β=34.4°，根据公式：

(2)

式中:R为焊缝外表面所在圆的半径。

从而得到偏心距X=1.4 mm(R=2.3+3 mm)。

2.3.2确定水层厚度H

为使横波的三次反射波处于水层的第一次和第二次反射波之间，则水层厚度应该大于4.2 mm，取水层厚度H不小于7 mm。

2.3.3确定焦距F

探头的焦点应落在与声轴线垂直的管线上，则有公式:

(3)

(取H=7.5 mm)，焦距F=12.6 mm。

2.3.4确定聚焦曲率半径

根据公式：

(4)

式中:c1为有机楔块纵波声速，取值为2 730 m·s-1；c2为耦合介质水中纵波声速，取值为1 480 m·s-1；r为有机楔块曲率半径，mm。

得出F=2.2r，则r=5.7 mm，F=12.6 mm。

此时，由公式：

(5)

式中:DS为探头晶片直径尺寸；λ2为超声波在钢中的波长;C水,C钢分别为超声波在水和钢中的声速。

计算得到钢中的近场区N≈0 mm(可忽略不计)，说明聚焦有效。

2.3.5补充垂直焊缝检测探头

为增加焊缝边侧母材过渡圆弧处的声束覆盖(Ω母材根部处)，又补充了入射角为18.9°的横波探头进行检测，同时此探头也可作为平行于焊缝扫查方向用探头。

2.4声场覆盖研究

对于该类薄壁焊缝，首先超声波声束的覆盖需符合要求，笔者针对中部Ω焊缝进行了CIVA仿真试验，以验证声束对焊缝的覆盖范围是否符合要求。

探头的选取要满足声束在垂直和平行焊缝两个方向上覆盖检查范围的条件，即可进行焊缝周向和轴向两个方向检测，图5为中部Ω焊缝检测的模拟图。

图5　中部焊缝的检测模拟

根据上述设定的参数，探头声束在焊缝中的分布如图6所示。

图6　垂直焊缝扫查探头声束在焊缝中的分布示意

如图6(a),(b)所示，选用探头(入射角θ=15°)以及设定的参数，得到的声束可以覆盖焊缝以及热影响区，并且最大幅值聚焦位置位于2.3 mm内部(图6(d)所示)。为满足检查范围(母材圆弧过渡区)，可设置参数增加对此区域的补充扫查(增加的入射角θ=18.9°)，声束可以覆盖该区域(图示6(c))。同理，平行于焊缝检测也能满足声束覆盖检测范围要求。

通过上述仿真显示可知，选用探头以及参数满足检查设计要求。

3　试验研究

3.1试验内容

3.1.1机械装置

检测中部Ω焊缝时，采用上述的水浸式超声检测技术，包括上述检测用探头以及相关参数，使用的超声仪器为多通道超声波探伤仪Z-Scan，与其配套的数据采集和分析软件为UtraVision3.3R4。

由于中部的Ω焊缝所处空间狭小，设备的外径不能超过400 mm，高度方向要求设备稳定性好，周向定位精度高，笔者采用自主研发的机械扫查装置。该装置具有周向扫查轴向步进，以及轴向扫查周向步进两个主要关键特性。试验装置模型见图7，主要由扫查装置主体结构、周向旋转组件、轴向扫查组件、探头组件及支撑组件等组成。

图7　中部Ω焊缝检测用机械装置模型

图8　参考试块及两处缺陷设计示意

3.1.2参考试块

对于焊接产生的夹渣以及气孔等体积型缺陷，通过横孔模拟埋藏的体积型缺陷；对于未熔合、裂纹等平面型缺陷，在不同方向上检测，其缺陷回波幅值差异较大，带有明显的方向性，采用人工槽模拟平面型缺陷。笔者设计了带有平底孔和电火花槽为参考缺陷的参考试块，实际和其中两处刻伤设计示意见图8。其中两电火花槽深度为0.5 mm，长度5 mm，加工宽度为0.1 mm，分别位于焊缝中部(编号F)、母材和热影响区交界位置处(编号E)。E人工反射体为平行于焊缝并位于外表面的长5 mm，深0.5 mm,宽0.1 mm的刻槽，图中45°位置(图8(c))。F人工反射体为平行于焊缝并位于外表面的长5 mm，深0.5 mm,宽0.1 mm的刻槽，图中90°位置(图8(c))。

3.2试验结果

通过上述设计的自动检查装置扫查工件，对刻伤进行了检测和分析，图9是刻槽E、F的数据分析信号图示。

图9　参考试块中E、F槽的数据分析图示

3.3试验结论

采用水浸式超声检测技术实施CRDM Ω焊缝的检测，能够检测到参考试块所设计的缺陷(包括非体积型缺陷和体积型缺陷)，缺陷检测结果与真实情况能够较好吻合，证实了水浸超声检测技术对Ω焊缝具有较好的检测效果。

4　结论

通过对水浸超声检测技术原理的分析，确定了Ω焊缝的水浸超声检测技术参数，包括检测波型、探头频率、角度、晶片尺寸及水层厚度等，并介绍了相应水浸聚焦超声波检查机械装置。对Ω焊缝进行水浸超声检测试验后，结果表明:采用的水浸超声检测技术能够满足质量检测的要求，可实现CPR1000机组CRDM Ω焊缝自动化检测。

[1]何岩,郑重雄,张龙.薄壁钢管超声波水浸法探伤[J].物理测试, 2003(4):16-18.

[2]中国特种设备检验协会.超声检测[M].北京:中国劳动社会保障出版社,2010.

[3]付千发,尹鹏,卢威,等. 反应堆压力容器安注管安全端焊缝水浸超声检测技术[J]. 无损检测, 2015,37(7): 40-44.

[4]易子安,吴敦明. 外方内圆不锈钢管超声波探伤[J]. 无损检测, 2011, 33(1):33-36.

The Ultrasonic Inspection of CRDM Housing Canopy Welds in CPR1000 Power Plants

YUAN Shu-xian1, LI Jun2, LIN Zhong-yuan1, HONG Mao-cheng1, WU Jin-feng1

(1.CGNPC Inspection Technology Co., Ltd., Suzhou 215021, China;2.Jingsu Guoxin Jingjiang Power Co., Ltd., Jingjiang 214500, China)

Canopy welds (Ω) in CRDM housing are welded seals joining stainless material and playing an important role in leak-proof for CRDM housing. The paper firstly summarizes and outlines the development of the immersion ultrasonic inspection techniques for canopy welds, and then determines the test parameters such as wave type, probe frequency, wafer dimension and layer thickness , and finally carries out the verification test. And through the test it proves that the technique could meet the test requirements of canopy welds (Ω) in CRDM housing.

Control rod driven mechanism (CRDM); Water immersion; Ultrasonic inspection

2015-07-18

袁书现(1983-),男,工程师,主要从事核电站无损检测工作。

袁书现,E-mail: yuanshuxian@cgnpc.com.cn。

10.11973/wsjc201606007

TB31;TG115.28

A

1000-6656(2016)06-0028-05