AP1000核电厂爆破阀剪切盖锻件的超声检测

爆破阀是第三代核电技术AP1000转让及国产化的关键设备，其工作原理为利用电信号引爆炸药，产生巨大的能量，快速冲击以剪断下部的剪切盖，使阀门打开。爆破阀下部的剪切盖是爆破阀工作的重要组成部分，在核电机组运行期间，要依靠密闭的剪切盖来保证爆破阀关闭时的密封性，确保含硼的水不会发生泄漏，其属于一回路压力边界的一部分。爆破阀剪切盖与爆破阀本体的连接部分是一段11mm厚的筒体不锈钢锻件，在长期高温、高压、辐照的在役条件下，筒体锻件的内外表面易产生裂纹等危险性缺陷，给机组的安全运行带来危害。因此在机组停堆大修期间，要对其实施无损检测。中核武汉核电运行技术股份有限公司浙江分公司的检测人员在机组大修前开展了技术研究，在无需对爆破阀进行解体的条件下，选定了相控阵超声和超声表面波检测相结合的检测工艺，用于剪切盖锻件内外表面的检测。01检测对象检测对象为AP1000核电机组爆破阀剪切盖锻件，材料为奥氏体型镍基耐蚀合金，检测区域为剪切盖与本体连接部分的筒体锻件，内外表面（整圈）的6.35mm区域，如图1所示。图1检测区域示意02执行标准根据产品制造与验收的技术规范，爆破阀剪切盖锻件根据标准ASMENB-2500-2004要求，采用直射波或斜射波进行超声波检测，直射波验收标准应满足ASMENB-2542-2004和ASMESA-745-2004的QL-1级要求；斜射波验收标准应满足ASMENB-2542-2004和ASMESA-745-2004的QA-1级要求。03检测难点及思路分析1结构复杂。既要检测内表面，又要检测外表面，剪切盖厚度仅为40mm，可供探头移动的范围不大。2检测要求较高。要求能检测出各位置的裂纹类缺陷，且对缺陷的定量要有足够的精确度。3奥氏体特性对超声波的影响。超声波在奥氏体粗晶组织晶界上的散射衰减会引起林状回波，使信噪比下降；奥氏体组织的各向异性，会使超声波的声速和传播方向发生改变，造成误判。4检测环境复杂。检测对象位于核电厂一回路边界，周围环境辐射剂量高且位置空间复杂，需要高效快捷地完成检测。基于上述原因，考虑爆破阀剪切盖锻件的内外表面应该采用不同的超声检测方法，其中内表面应使用多个角度的相控阵超声检测技术进行检测，防止对某些取向或远离声束轴线位置的裂纹造成漏检，该技术也能比较直观地显示缺陷。对于剪切盖锻件外表面的检测，考虑到渗透检测效率低，且不易清洗的缺点，需要一种更高效的检测方法，而超声表面波在传播的路径上遇到一个细小的缺陷（如气孔、裂纹等）时，在金属与空气相接触的界面上就会发生反射，分析反射波即可得到缺陷的信号，故其可作为检测剪切盖锻件外表面缺陷的可靠方法。04超声检测探头的设计超声检测系统的核心是探头，其性能的好坏直接影响超声检测系统的性能与缺陷检测的结果。爆破阀剪切盖锻件的内外表面产生的缺陷主要是沿圆弧方向的裂纹，因此应选择对裂纹敏感的横波探头和表面波探头。通过比较统一规则反射体对不同孔径和频率的探头的反射信号，确定了使用5MHz的线性阵列相控阵探头，其尺寸设计如图2所示。图2相控阵超声探头的设计尺寸示意相控阵探头设计的晶片数量为12个，各晶片间距为0.5mm，楔块的型号为N55S，楔块角度为36°，楔块是由低衰减值的聚苯乙烯制成，声速在2200m/s左右。超声表面波探头采用与斜探头相似的楔块，当横波折射角为90°时，即产生超声表面波，试验采用频率为2.5MHz，直径为10mm的表面波探头，其波长短，具有较高的灵敏度。05超声波探伤仪采用OmniscanMX2型便携式相控阵超声探伤仪；采用广东汕头超声电子股份有限公司的A型脉冲手动超声仪，型号为CTS-9006PLUS。06参考试块参考试块主要用于基准灵敏度的标定，采用的参考试块如图3所示。图3参考试块的结构示意07验证试块为了进一步验证工艺的缺陷检测能力，设计制作了如图4所示的验证试块。图4验证试块外观及结构示意试块是采用与被检工件同炉同批次的不锈钢材料制造的，并且试块的外形和尺寸与被检件完全一致，消除了超声波检测因材质和衰减差异产生的灵敏度误差。试块为圆环碗状结构。在圆环内外侧的不同位置共设有6个横截面为矩形的圆弧槽，用其模拟爆破阀剪切盖不同部位的裂纹缺陷。6个圆弧槽的尺寸均为10mm×0.2mm×0.3mm。刻槽的整体分布位置及局部位置如图5和图6所示。图5刻槽的整体分布位置示意图6刻槽的局部位置示意08检测试验在相控阵超声检测实施前，要进行探头角度延迟补偿和灵敏度的标定。将相控阵探头放在验证试块的外表面进行轴向扫查(见图7）；将表面波探头放在验证试块外表面进行轴向扫查和径向扫查（见图8）。扫查过程中，探头的扫查速度小于150mm/s，且保证至少15%的覆盖率。图7相控阵超声探头扫查示意图8超声表面波探头扫查示意记录验证试块上的缺陷信息，与设计的缺陷信息进行对比，首先应该满足ASME不能漏检的要求，其次长度测量的结果要满足均方根误差不超过19mm。按照上述工艺对验证试块进行检测后，各位置的共6个刻槽均被检测出来，使用-12dB法记录缺陷的长度，各缺陷检测信号如图9~14所示。图91号槽检测信号图102号槽检测信号图113号槽检测信号图124号槽检测信号图135号槽检测信号图146号槽检测信号从检测结果可知，6个刻槽全部被检测出来，且缺陷信号均具有很高的信噪比；相控阵扫查界面利于检测人员快速、直观地分辨缺陷，能快速和清晰地辨别缺陷信号与结构信号；缺陷的长度测量误差满足ASME均方根误差不超过19mm的验收准则要求，即当前检测工艺满足检测要求。

结语

根据爆破阀剪切盖锻件结构的特点，确定了相控阵超声和超声表面波检测相结合的检测工艺，包括探伤仪的选择、探头的选择、试块的设计等，使得爆破阀剪切盖锻件内外表面的质量检测无死角，确保检测的1