使用相控阵检测技术代替射线检测核电设备钢制安全壳对接焊缝的可行性

刘恩凯，马占云，王忠旭，马中利，杨中伟

(山东核电设备制造有限公司， 海阳 265118)

使用相控阵检测技术代替射线检测核电设备钢制安全壳对接焊缝的可行性

刘恩凯，马占云，王忠旭，马中利，杨中伟

(山东核电设备制造有限公司， 海阳 265118)

核电设备钢制安全壳作为核反应堆放射性防护的三道屏障之一，对核电的安全性起到至关重要的作用。钢制安全壳对接焊缝的无损检测按照ASME要求需进行100%的射线检测，但是射线检测存在一定的漏检率，尤其是对面积型缺陷(裂纹、未熔合)的检出率较低，并且随着板厚的增加，射线检测的漏检率也不断增加。对相控阵技术进行分析，通过在一定数量的自然缺陷试块上采用相控阵和射线检测进行验证，对比分析得出结论:相控阵检测技术在钢制安全壳对接焊缝检测中具有可行性，可作为一种可靠、高效、经济的技术手段应用于焊缝的质量检测。

钢制安全壳；射线检测；相控阵检测

三代核电设备AP1000钢制安全壳，由256块SA738Gr.B钢板拼焊而成，最终形成直径为40 m的超大型压力容器，其包裹着核反应堆内部所有的设备，对核电运行期间的安全性起着至关重要的作用，是AP1000非能动冷却系统(见图1)的主要部件之一。笔者进行了钢制安全壳对接焊缝内部缺陷超声相控阵检测的可行性研究，探讨了缺陷定位、定量、定性的方法;并比较了相控阵与射线检测技术检测结果之间的能力差异。

图 1 AP1000非能动冷却系统结构示意

图2 焊缝坡口示意

1 模拟试块制作

依据ASME Ⅲ-NE 《MC级部件》 和V卷 《无损检测》 (2015版)中关于钢制安全壳产品对接焊缝检测及验收的相关要求，制作的焊接试板材料与钢制安全壳一致(材料为SA738Gr.B)，厚度为50 mm。焊缝坡口示意如图2所示。共设计制作8块含自然缺陷的焊接试板，缺陷主要包括裂纹、未熔合、裂纹、气孔、夹渣。

焊接试板中的缺陷分布详见表1。

表 1 焊接试板缺陷分布

2 射线及相控阵检测工艺

2.1 射线检测设备及参数

射线检测采用比利时SITE 3605固定式X射线机，有效焦点尺寸2.5 mmX2.5 mm，采用管电压340 kV，透照时间2 min，焦距650 mm，铅增感屏厚度前后0.1 mm，管电流5 mA的透照曝光参数进行检测。底片经处理后黑度范围在2.53.5(标准要求1.84.0)，可见像质计丝径为11号丝(标准要求可见11号丝径)。黑度及像质计灵敏度满足ASME Ⅲ-NE和V分卷相关要求。

2.2 相控阵检测设备及参数

相控阵检测采用以色列ISONIC2009相控阵仪器，匹配频率为5MHz的32晶片的线阵探头。相控阵检测参数为：①相控阵探头参数：晶片数量为32，一次激发16个晶片(924)，频率为5 MHz，相邻晶片中心间距为0.5 mm，晶片宽度为0.4 mm,相邻晶片间的间距为0.1 mm;② 检测灵敏度参数：基准灵敏度为3 mm直径的横通孔。楔块角度36°，可产生的扇形扫查范围36°75°;③ 采用不同深度φ3 mm横孔制作DAC曲线，一二次波分开设置基准灵敏度，同时以成像扫查的方式进行检测，焊接试板上采用手动加编码器的方式进行数据采集;④ 声束角度步进为1°，编码器步进分辨1 mm;⑤ 相控阵采用的灵敏度试块是在ASME基础上进行改造的，满足一、二次波灵敏度分开设置要求;⑥ 采用ISONIC 2009设备自带的焊缝仿真软件，设置一次波主要检测焊缝上半部分，二次波检测焊缝下半部分，检测工艺如图3所示。

图3 一、二次波灵敏度分开设置同时扫查工艺

3 数据分析

数据分析一般包括对缺陷的检出率、信噪比、长度的定量、深度的定量等数据的分析。笔者通过对缺陷的检出率及长度尺寸的定量讨论，对比射线检测与相控阵检测技术之间的主要差异。

图4 射线与相控阵缺陷检出情况对比

3.1 缺陷的检出率

图4总结了所有焊接试块中缺陷的检测结果，分别给出了射线检出缺陷、相控阵检出缺陷以及焊接试板中各缺陷的数量。通过检测结果可看出:两种方法检测能力的分界线主要是面积型缺陷，其中裂纹、未熔合是射线检测较为典型的漏检缺陷。从图4还可看出，相控阵可以检测出所有缺陷，射线检测漏掉了25个缺陷中的3个面积型缺陷。对于面积型缺陷，相控阵检测的平均信噪比为30.5 dB，体积型缺陷的平均信噪比为24.8 dB，这样可看出，相控阵检测任何种类缺陷时，缺陷信号都可以从背景噪声中分辨出来。

为了说明相控阵技术与射线检测技术在面积型缺陷检测能力方面的差异，选择部分试块数据进行对比。PA-02试板上设计制造了3个缺陷，缺陷尺寸及分布如图5所示。

图5 模拟试块缺陷分布及尺寸示意

对PA-02模拟试块进行射线检测，3个缺陷的射线底片如图6所示，其中气孔缺陷为φ3 mm,条渣长度为30 mm。

图6 PA-02试块缺陷的射线检测结果

对PA-02试块进行相控阵检测，检测时采用单侧双面的扫查方式，检测结果如图7所示。

图7 PA-02试块缺陷的相控阵检测结果

为了确定2号位置是否是裂纹缺陷，对试块进行解剖验证，解剖结果如图8所示。

图8 PA-02试块2号位置的裂纹缺陷解剖图

3.2 缺陷长度测定

按照ASME相关标准，缺陷的长度和波幅是基于制造阶段缺陷验收的两个关键指标。由于相控阵技术采用成像的方式，其缺陷的长度取决于反射体波幅的大小;而射线检测是以缺陷与周围母材之间的对比度差异为基础，直接反映缺陷实际尺寸的检测方法，但是对比度较差的区域，在底片上反映不出实际缺陷的存在，导致了射线所测得的缺陷长度比其实际长度偏小。

对于超声检测，不同方向检测出缺陷的波幅高低不同，最终在相控阵成像影像上测量的缺陷长度也不同，尤其体积型缺陷与面积型缺陷的差异更大。因此，需要进行大量的试验，验证相控阵检测利用缺陷成像进行长度测量的最佳方式。文中相控阵检测采用ASME标准中规定的-14 dB的方式对缺陷进行测长，主要选择具有代表性的缺陷进行分析，仅对8块焊接试板中的条形缺陷(除横向裂纹以外)进行分析，最终测长对比数据详见图9。

图9 缺陷检测长度对比

通过图9可看出,对于体积型缺陷，二种方法对缺陷长度测量的差异很小，但是对于面积型未熔合缺陷，射线检测所测长度远远小于实际设计和相控

阵检测的缺陷长度。这主要是因为未熔合缺陷具有方向性，使得最终底片对比度较差而无法显示。相控阵检测出的缺陷长度整体与设计长度差异不大，数据满足试验要求。

4 结论

(1) 相控阵检测技术无论是在缺陷检出率还是缺陷的测长方面都优于常规射线检测技术。而且，射线检测对面积型缺陷，例如未熔合、裂纹等会产生漏检。而面积型缺陷很容易扩展，易导致整个焊缝泄漏，给核电设备安全壳的防御功能造成很大影响。

(2) 相控阵检测技术不仅能够准确测量出缺陷在焊缝中的深度，还能够通过模拟焊缝实际结构尺寸成像的方式来提高对缺陷性质的判别。

(3) 相控阵检测无需辐射防护成本，对身体没有危害，不需要交叉作业，这样可缩短工程周期，提高工作效率。另外，射线检测所用耗材(底片、处理液、铅薄)较多，而相控阵检测则在此方面具有优势，降低了工程成本。

(4) 通过选择合适的设备及检测工艺参数，采用相控阵检测技术代替常规射线检测技术，对钢制安全壳对接焊缝进行检测是可行的。

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Feasibility on the Use of Phased Array Inspection as a Replacement of Radiographic Inspection for Butt Welding of Steel Containment Vessel of Nuclear Power Equipment

LIU En-kai, MA Zhan-yun, WANG Zhong-xu, MA Zhong-li, YANG Zhong-wei

(Shandong Nuclear Power Equipment Manufacturing Company, Haiyang 265118, China)

Nuclear power equipment-steel containment vessel as a nuclear reactor radiation protection of one of the three barriers, plays a crucial role on the safety of nuclear power. Steel containment vessel of the butt weld generally requires for 100% the radiographic testing, but radiographic testing has a certain undetected rate, especially the detection rate for planar type defects (cracks, incomplete fusion) is low, and with the increase of thickness, the undetected rate of X-ray testing also increases. Through simulating a certain number of defects on the block to verify the detection between PAUT and RT, we make a conclusion that the PAUT for testing the butt weld of steel containment vessel is feasible, which may provide a reliable, efficient and economic testing method for weld quality.

Steel containment vessel; Radiographic testing; Phased array technique

2016-06-21

刘恩凯(1988-)，本科，主要从事AP1000核电设备无损检测工作及新技术应用研究。

刘恩凯， E-mail:352847097@qq.com。

10.11973/wsjc201704015

TG115.28

A

1000-6656(2017)04-0072-04