RSE-M与ASME规范中反应堆压力容器焊缝超声波检验技术能力验证试块对比研究

刘奎 欧阳标 李上平

摘 要

通过对国内执行RSE-M和ASME规范的核电机组反应堆压力容器原材料的材质、热处理状态、规格尺寸、焊接工艺、表面状态等理论分析，并使用16MND5和SA-508-3制作对比试块，进行声学性能和人工反射体灵敏度对比试验，说明材料的声学性能基本相同，执行RSE-M和ASME规范的反应堆压力容器焊缝超声波检验技术能力验证试块可通用。

关键词

反应堆压力容器;超声波检验;能力验证;验证试块

中图分类号： TM623       文献标识码： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.19.004

Abstract

16MND5 and SA-508-3 are approved to have the same acoustic properties for ultrasonic wave testing，and the qualification blocks are substitutable for ultrasonic wave testing of reactor pressure vessel between RSE-M and ASME code，based on the theoretical analysis of the material，heat treatment， dimension，welding process and surface state of the reactor pressure vessel in civil nuclear power units，and manufacturing test blocks by 16MND5 and SA-508-3 to research the difference of acoustic and manual reflector sensitivity.

Key Words

Reactor pressure vessel;Ultrasonic testing;Performance demonstration identification;Qualification block

0 引言

截至2019年10月，我国共有运行核电机组47台，在建机组13台。国内现有运行的商用核电机组均采用国外的在役检查标准和规范，呈现多样性和复杂性，并主要采用法国RSE-M规范和美国ASME规范[1]。ASME规范在Ⅺ卷附录Ⅷ中强调了能力验证盲测试块的使用和实际的测试，给出试块的设计要求和验证鉴定的具体要求;弊端是试块制作成本高、验证的周期长、通过困难。RSE—M规范只提供一个应该采用的鉴定框架，主要采用实际测试和技术论证的方式，重点论述了验证的整个流程[2];但未给出测试试块的要求和鉴定准则。

目前，参考ENIQ验证体系，依据RSE-M和ASME标准，国内已形成了完整的验证体系。根据安全运行条件等，验证项目分为特殊验证、综合验证、常规验证和不需验证等4种类型[4]。对特殊验证项目以加工验证试块并进行盲测考核为主，同时进行技术论证和明测验证。反应堆压力容器作为核能与热能转换的场所，承受恶劣的高温、高压、高辐照以及化学腐蚀条件，对整个核电站的安全、经济运行至关重要。根据目前国内已通过能力验证核电站的经验，反应堆压力容器设备焊缝超声检验一般列入特殊验证项目，并且主要参考ASME XI卷附录Ⅷ的要求制作相应的验证试块[5]，见表1。

根据核安全监管的要求，通过特殊验证项目的无损检验人员其有效期为5年，5年期满后应重新申请验证[3]，即新建机组将面临制作特殊验证试块的问题，已通过能力验证机组5年后将面临重新验证，需要验证试块或数据的问题。目前国内的验证试块所需要的人工制造的裂纹缺陷均需在英美国家加工，并且通过第三方单位对缺陷进行测量，成本过高、周期过长。研究现有RSE-M体系与ASME体系的验证试块的可替代性，无疑对核电站、无损检测单位、监管单位以及国家外汇管理均有巨大的意义。下面以压力容器筒体环焊缝超声检验验证试块为例进行论述。

1 验证试块的要求

用于制作验证试块的原材料的材质、热处理状态、规格尺寸、焊接工艺、表面状态等应与被检对象相同或类似，主要是为了确保制作验证试块的材料与反应堆压力容器本体材料的声学性能相近，减小材料声学性能差异对超声波检测的影响。

2 理论对比分析

2.1 原材料的材质对比分析

目前，RSE-M/RCC-M规范要求的反应堆压力容器本体材料主要为16MND5，ASME规范要求的反应堆压力容器本体材料主要为SA-508-3，其化学成分见表2。由成分对比可以看出，两种材料均属低碳低合金钢，化学元素基本相同，元素含量基本相同，热处理方式基本相同，晶粒度基本相同，由此可见，两种原材料的材质吸收衰减和散射衰减基本相同，对超声波检验的影响基本相同。

2.2 规格尺寸和加工工艺对比

验证试块除原材料与相应的反应堆压力容器相同外，其加工工艺也与相应的反应堆压力容器加工工艺相同。表3给出国内已建成的执行RSE-M与ASME规范的商运核电机组反应堆压力容器规格尺寸和加工工艺。

相对其大小而言，各反应堆压力容器的规格差异不大，可视为大平板。厚度差异不大，堆焊层的材料相同，堆焊厚度基本相同，焊接工藝基本相同，表面状态基本相同，对超声波检验的影响基本相同。

3 试验对比分析

材料的声学性能最终反映在实际检验技术的探头灵敏度曲线差异上。因此，分别利用16MND5和SA-508-3材料，设计并加工同样尺寸的试块和人工反射体，如图1所示。通过0°纵波直探头测定声速、材料衰减系数、厚度相同底波信号差异，并通过实际检验技术用的45°横波、60°横波、0°双晶纵波和0°单晶纵波探头测定灵敏度曲线差异，用以对比验证材料的声学性能。

3.1 声速差异测定

采用同一个2MHz、晶片尺寸为Φ30mm的0°纵波直探头对试块250mm厚度的外表面获取2次底面回波，通过调整探头延时和声速，使一次回波和二次回波的声程显示值分别为一倍壁厚和两倍壁厚，读出此时的声速即为材料的实际声速。声速差异为Δc=（c2-c1）/c1×100%。试验结果为声速差异值0.4%，小于5%，可以认为声速基本无差异，见表4。

3.2 衰减系数差异测定

采用同一个2MHz、晶片尺寸为Φ30mm的0°纵波直探头对试块250mm厚度进行衰减系数测定，衰减系数α=[（B1-B2）-6]/2T，其中：（B1-B2）为一次底波和二次底波衰减器的读数之差，T为试块厚度。试验结果为衰减系数差8.5%，小于20%，可以认为衰减系数基本无差异，见表5。

3.3 底波幅值差异测定

采用同一个2MHz、晶片尺寸为Φ30mm的0°纵波直探头对试块250mm厚度外表面获取1次底面回波，将波幅调整至80%FSH，读取灵敏度并计算差值。试验结果为底波幅值差异为0.4dB，远小于4dB，可以认为底波幅值基本无差异，见表6。

3.4 反射体灵敏度对比

通过同一系列的45°横波、60°横波、45°纵波、0°双晶纵波和0°单晶纵波探头对试验试块的长横孔进行超声灵敏度曲线制作，对比灵敏度差异。

（1）45°横波探头灵敏度对比

45°横波探头对应的试验试块灵敏度差异如表7，各长横孔相应的差异值在-0.3～0.7dB之间，灵敏度曲线基本重合，见图2。

（2）60°横波探头灵敏度对比

60°横波探头对应的试验试块灵敏度差异如表8，差异值在0～0.8dB之间，灵敏度曲线基本重合，见图3。

（3）45°纵波探头灵敏度对比

45°纵波探头对应的试验试块灵敏度差异如表9，差异值在-0.3～0.5dB之间，灵敏度曲线基本重合，见图4。

（4）0°双晶纵波探头灵敏度对比

0°双晶纵波探头对应的试验试块灵敏度差异如表10，差异值在-0.3～0.1dB之间，灵敏度曲线基本重合，见图5。

（5）0°单晶纵波探头灵敏度对比

0°单晶纵波探头对应的试验试块灵敏度差异如表11，差异值在-0.2～0.5dB之间，灵敏度曲线基本重合，见图6。

3.5 试验小结

16MND5和SA-508-3材料的声速差异极小，材料衰减系数差异不大，厚度相同底波信号差异较小，同时通过实际检验技术用的45°横波、60°横波、45°纵波、0°双晶纵波和0°单晶纵波探头测定的灵敏度曲线基本相同，证明两种材料的声学性能基本相同，对超声波检验影响较小。

4 结语

通过对国内执行RSE-M规范和ASME规范的核电机组反应堆压力容器原材料的材质、热处理状态、规格尺寸、焊接工艺、表面状态等理论分析，并使用16MND5和SA-508-3制作對比试块，对两种材料的声学性能进行试验对比，说明两种材料的声学性能基本相同，用其制作的反应堆压力容器焊缝超声波检验的能力验证试块没有差异，从而在执行RSE-M规范和ASME规范时使用的能力验证试块可通用，节约验证成本，缩短验证周期，同时，为建立无损检验能力验证数据库提供参考。

参考文献

[1]陶于春，等.压力堆核电站在役检查用无损检测技术发展概况[J].无损检测，2009（12）：959-966.

[2]徐清国，等.国内外核电站在役检查能力验证发展[J].无损检测，2013（10）：38-44.

[3]国家核安全局.核电厂在役检查无损检验技术能力验证实施办法[J].无损检测，2014（5）：73-79.

[4]RSE-M压水堆核岛机械部件在役检查导则[S].

[5]ASMEⅪ卷核电厂部件在役检查规则[S].

[6]NBT20003.2核电厂核岛机械设备无损检测第2部分：超声检测[S].