聚變反應(yīng)堆焊縫超聲檢測(cè)兩大標(biāo)準(zhǔn)比較

“國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）計(jì)劃”是目前全球規(guī)模最大、影響最深遠(yuǎn)的國(guó)際科研合作項(xiàng)目之一，其目標(biāo)是驗(yàn)證和平利用聚變能的科學(xué)和技術(shù)的可行性?；诙喾N原因考慮，ITER選用標(biāo)準(zhǔn)RCC-MR-2007作為真空室等涉核部件的設(shè)計(jì)和建造標(biāo)準(zhǔn)。中方承擔(dān)的采購(gòu)包需要按照該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造。中國(guó)聚變工程實(shí)驗(yàn)堆（CFETR）是中國(guó)自主設(shè)計(jì)和研發(fā)并參與國(guó)際合作的重大科學(xué)工程，是中國(guó)在全面消化吸收ITER相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)上，預(yù)先開(kāi)展下一代超導(dǎo)聚變堆研究的重大項(xiàng)目。CFETR將著力解決一系列存在于ITER和聚變商業(yè)示范堆（DEMO）中的科學(xué)與技術(shù)挑戰(zhàn)?；谄洳牧?、工藝、工況及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特殊性，目前正在編制適用于CFETR設(shè)計(jì)和建造的一系列的核聚變（HJB）標(biāo)準(zhǔn)。其中涉及的無(wú)損檢測(cè)部分，擬參照現(xiàn)行的我國(guó)能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NB/T47013-2015執(zhí)行。目前，核工業(yè)西南物理研究院同時(shí)承擔(dān)了ITER氦冷固態(tài)增殖劑試驗(yàn)包層（HCCBTBM）及CFETR氦冷陶瓷增殖劑產(chǎn)氚包層（HCCBTBB）的設(shè)計(jì)與制造。兩個(gè)包層的設(shè)計(jì)有許多相通之處，都是氦冷固態(tài)增殖劑包層，都具有鈹區(qū)、鋰區(qū)、冷卻流道等，涉及總體結(jié)構(gòu)、中子學(xué)、電磁、熱工水力學(xué)等工作參數(shù)設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)腔室多、流道密集、形狀復(fù)雜、焊縫繁多。同時(shí)，兩個(gè)包層的設(shè)計(jì)也有許多差異，ITER可能是在CFETR建設(shè)成功之前，在真實(shí)聚變環(huán)境下測(cè)試增值包層模塊的唯一機(jī)會(huì)，其上專門留有兩個(gè)試驗(yàn)包層窗口。TBM(試驗(yàn)包層)主要用于產(chǎn)氚和能量獲取技術(shù)驗(yàn)證；而CFETR中的包層都是TBB（氚增值包層），其尺寸比TBM大，同時(shí)面對(duì)的工況也比TBM更加嚴(yán)格。同時(shí)，兩個(gè)包層相應(yīng)的輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)也差異很大。在此差異的前提下，為便于設(shè)計(jì)及檢測(cè)人員靈活運(yùn)用相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，有必要對(duì)兩個(gè)包層的無(wú)損檢測(cè)參照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較分析。兩包層中涉及焊縫類型較多，且設(shè)計(jì)要求進(jìn)行內(nèi)部質(zhì)量檢測(cè)。下面以超聲檢測(cè)為例，對(duì)兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較分析，指出標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用時(shí)可能存在的適用性問(wèn)題，以期為設(shè)計(jì)人員優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。標(biāo)準(zhǔn)分析與比較標(biāo)準(zhǔn)RCC-MR-2007中無(wú)損檢測(cè)方面內(nèi)容位于其第3部分，其中焊縫的超聲檢測(cè)要求在RMC2600中詳述，驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)在第4部分RS7700《產(chǎn)品焊縫的無(wú)損檢測(cè)》中詳述。同時(shí)，按照RCC-MR-2007中的設(shè)計(jì)分類，TBM屬于II級(jí)部件中的箱體結(jié)構(gòu)，因此以下標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)比范圍僅限于RCC-MR-2007中II級(jí)部件焊縫的超聲檢測(cè)要求。國(guó)內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)在編寫時(shí)考慮到查閱的方便性，將無(wú)損檢測(cè)的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)與驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)放置在同一章節(jié)，標(biāo)準(zhǔn)NB/T47013-2015中第3部分超聲檢測(cè)就包含了焊縫超聲檢測(cè)的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。1適用厚度范圍標(biāo)準(zhǔn)RCC-MR-2007中規(guī)定，RMC2600適用的母材厚度不小于10mm。標(biāo)準(zhǔn)NB/T47013-2015根據(jù)不同的焊接接頭類型，分類更加細(xì)致。相比于前者，NB/T47013-2015對(duì)檢測(cè)厚度上限進(jìn)行了要求(500mm)，且下限較之稍低，I型焊接接頭適用工件厚度下限為6mm。2檢驗(yàn)時(shí)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)RCC-MR-2007在RS7723中對(duì)II級(jí)部件焊縫的檢驗(yàn)時(shí)機(jī)進(jìn)行了規(guī)定。最終的體缺陷檢驗(yàn)，應(yīng)在最終消應(yīng)力熱處理后進(jìn)行。標(biāo)準(zhǔn)NB/T47013-2015中要求超聲檢測(cè)時(shí)機(jī)的選擇應(yīng)符合相關(guān)法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)及有關(guān)技術(shù)文件的規(guī)定。3檢驗(yàn)區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)RCC-MR-2007在RS7722中對(duì)II級(jí)部件焊縫的檢測(cè)區(qū)進(jìn)行了規(guī)定。工件厚度＞30mm時(shí)，焊縫被檢區(qū)域應(yīng)至少包括熔敷金屬和兩側(cè)各10mm的熱影響區(qū)；工件厚度≤30mm時(shí)，焊縫被檢區(qū)域應(yīng)至少包括熔敷金屬和兩側(cè)各5mm的熱影響區(qū)。標(biāo)準(zhǔn)NB/T47013-2015中規(guī)定檢測(cè)區(qū)寬度應(yīng)是焊縫本身以及焊縫熔合線兩側(cè)各10mm區(qū)域。通常，工件厚度越大，開(kāi)坡口寬度及熱影響區(qū)也越大，相較而言，RCC-MR-2007中根據(jù)工件厚度確定檢測(cè)區(qū)寬度的要求更加合理。4表面準(zhǔn)備標(biāo)準(zhǔn)RCC-MR-2007中規(guī)定表面粗糙度不大于6.3μm。NB/T47013-2015中規(guī)定檢測(cè)面應(yīng)平整，檢測(cè)面與探頭楔塊底面或保護(hù)膜間的間隙應(yīng)不大于0.5mm，其表面粗糙度不大于25μm。國(guó)內(nèi)外都有關(guān)于表面粗糙度對(duì)超聲檢測(cè)影響的研究，有研究者針對(duì)不同粗糙度對(duì)超聲檢測(cè)的影響進(jìn)行了深入研究，結(jié)果表明當(dāng)表面粗糙度大于6.3μm時(shí)，超聲波檢測(cè)靈敏度隨表面粗糙度的增加急劇變化，嚴(yán)重影響缺陷的判定。同時(shí)，NB/T47013-2015中對(duì)對(duì)比試塊的表面粗糙度要求為3.2μm或6.3μm，與被檢件的表面粗糙度要求差異較大。相對(duì)而言，RCC-MR-2007中對(duì)粗糙度的要求更為合理。5探頭參數(shù)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)RCC-MR-2007中規(guī)定，探頭頻率范圍為1~6MHz；壓電晶片可以是矩形或圓形，矩形晶片長(zhǎng)寬比不大于1.5，尺寸為10~30mm(直徑或邊長(zhǎng))；斜探頭折射角為35°~70°，當(dāng)需要采用兩個(gè)不同角度的橫波掃查時(shí)，原則上要求這兩個(gè)折射角標(biāo)稱值至少相差15°。標(biāo)準(zhǔn)NB/T47013-2015中規(guī)定，儀器-3dB頻率為0.5~10MHz；壓電晶片可以是方形或圓形，圓形晶片直徑一般不應(yīng)大于40mm，方形晶片任一邊長(zhǎng)一般不應(yīng)大于40mm；斜探頭折射角的選擇如表1所示，根據(jù)工件厚度進(jìn)行選擇，工件越厚，折射角越小。當(dāng)需要采用兩個(gè)不同角度的橫波掃查時(shí)，原則上要求這兩個(gè)折射角標(biāo)稱值至少相差10°。表1NB/T47013-2015推薦采用的斜探頭折射角（K值）和標(biāo)稱頻率與RCC-MR-2007相比，NB/T47013-2015中探頭公稱頻率更大，晶片尺寸可選擇余地更大；推薦的斜探頭折射角的選擇更具體，可執(zhí)行性更強(qiáng)。6標(biāo)準(zhǔn)試塊標(biāo)準(zhǔn)RCC-MR-2007中采用標(biāo)準(zhǔn)NFEN12223-2000規(guī)定的1號(hào)校準(zhǔn)試塊。標(biāo)準(zhǔn)NB/T47013-2015中采用的是20號(hào)優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼制CSK-ⅠA標(biāo)準(zhǔn)試塊。7對(duì)比試塊標(biāo)準(zhǔn)RCC-MR-2007中規(guī)定，對(duì)比試塊為直角平行六面體，表面粗糙度不大于6.3μm，人工反射體為Φ2mm橫通孔，第一個(gè)橫通孔位置為掃查面下10mm，其余橫通孔位置根據(jù)試塊厚度而定。當(dāng)試塊厚度不大于50mm時(shí)，間隔為10mm；試塊厚度為50~100mm，間隔為20mm；試塊厚度大于100mm時(shí)，間隔為30mm。所有反射體位置應(yīng)距對(duì)比試塊兩端至少各20mm。標(biāo)準(zhǔn)NB/T47013-2015中規(guī)定，根據(jù)工件厚度不同，采用的對(duì)比試塊（CSK-ⅡA、CSK-ⅢA、CSK-ⅣA試塊）也不同。其中，根據(jù)CSK-ⅡA試塊適用的工件壁厚范圍不同，又分為Φ2mm×40mm和Φ2mm×60mm(槽孔直徑×橫孔長(zhǎng)度)兩種不同試塊；CSK-ⅢA試塊人工反射體為Φ1mm×6mm的短橫孔，深度位置為10~120mm，間隔為10mm；CSK-ⅣA試塊根據(jù)適用的工件壁厚范圍不同，分為Φ6mm×80mm、Φ6mm×100mm、Φ6mm×120mm(橫孔直徑×橫孔長(zhǎng)度)3種不同試塊。相比標(biāo)準(zhǔn)RCC-MR-2007，NB/T47013-2015中試塊的表面粗糙度要求與工件檢測(cè)面表面粗糙度要求差別較大，這在檢測(cè)實(shí)施過(guò)程中，按需進(jìn)行耦合補(bǔ)償。而標(biāo)準(zhǔn)RCC-MR-2007中試塊和工件檢測(cè)面的表面粗糙度要求一致，則不存在耦合補(bǔ)償問(wèn)題。另外，相比標(biāo)準(zhǔn)RCC-MR-2007，標(biāo)準(zhǔn)NB/T47013-2015中對(duì)對(duì)比試塊的要求更加具體，對(duì)應(yīng)不同工件壁厚，人工反射體的尺寸有所變化。8掃查方法標(biāo)準(zhǔn)RCC-MR-2007中對(duì)對(duì)接焊縫掃查方法規(guī)定，一般采用橫波斜探頭和縱波直探頭對(duì)工件進(jìn)行雙面雙側(cè)掃查。厚度不大于100mm焊縫的超聲掃查方式如圖1所示，使用橫波斜探頭檢查縱向缺陷時(shí)，沿圖1(a)中1~4的4個(gè)方向進(jìn)行掃查；檢查橫向缺陷時(shí)，沿圖1(b)中5-6，5-7，7-8，6-8中任選一對(duì)，沿這兩個(gè)方向進(jìn)行掃查；使用直射縱波檢查時(shí)，沿圖1(a)中9或10的任意一個(gè)方向進(jìn)行掃查。圖1厚度不大于100mm的焊縫超聲掃查方式示意另外，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定每一個(gè)探頭應(yīng)覆蓋相同探頭沿反面掃查的盲區(qū)。當(dāng)一個(gè)表面和（或）焊縫的一側(cè)不可達(dá)時(shí)，沿此表面或焊縫一側(cè)的檢驗(yàn)，按下述方式替代：①一次反射法（底面回波）檢驗(yàn)；②從可達(dá)表面或焊縫一側(cè)，用兩個(gè)不同折射角的探頭掃查，以滿足整個(gè)體積區(qū)域從4個(gè)不同方向進(jìn)行掃查。對(duì)于厚度＞100mm焊縫的檢測(cè)，在檢測(cè)縱向缺陷時(shí)，沿圖1(a)中1~4的4個(gè)方向，采用2個(gè)不同角度的探頭進(jìn)行掃查；在檢查橫向缺陷時(shí)，沿圖1(b)中5~8的4個(gè)方向進(jìn)行掃查；直射縱波檢測(cè)時(shí)，沿圖1(a)中9和10兩個(gè)方向進(jìn)行掃查。另外，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，厚度＞100mm的焊縫，不要求用一次反射法檢測(cè)和表征缺陷。在這種情況下，可采用淺盲區(qū)探頭，以覆蓋從可接近表面進(jìn)行檢測(cè)中產(chǎn)生的探頭盲區(qū)。為了便于根據(jù)壓力容器產(chǎn)品的重要程度選用搜查方法，標(biāo)準(zhǔn)NB/T47013-2015規(guī)定了A、B、C3個(gè)檢測(cè)技術(shù)等級(jí)。主要區(qū)別表現(xiàn)在適用厚度范圍、適用探頭數(shù)量、檢測(cè)面、對(duì)橫向缺陷的檢測(cè)要求、余高要求、對(duì)母材的檢測(cè)要求等。其中C級(jí)為最高等級(jí)，適用要求為：母材厚度為6~500mm；使用2種K值探頭；進(jìn)行單面雙側(cè)或雙面雙側(cè)，對(duì)應(yīng)檢測(cè)橫向缺陷；需要將余高磨平，要求用直探頭對(duì)斜探頭掃查經(jīng)過(guò)的母材區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)。相比RCC-MR-2007，NB/T47013-2015按重要程度選擇方法，應(yīng)用更為靈活，而RCC-MR-2007則是直接選擇了最重要產(chǎn)品的檢測(cè)方法。9缺陷顯示表征01幅度標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)RCC-MR-2007中，采用距離-波幅校正距離波幅曲線（DAC），利用繪制這樣的DAC曲線所用的同樣(靈敏度)調(diào)節(jié)，將缺陷區(qū)測(cè)得的最大幅度與同樣聲程的曲線的縱坐標(biāo)進(jìn)行比較。以距離波幅校正的百分比表示缺陷的嚴(yán)重程度。標(biāo)準(zhǔn)NB/T47013-2015中，DAC曲線使用探頭和儀器在試塊上實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)繪制而成，由3條曲線組成，曲線高度從高到低分別為判廢線、定量線、評(píng)定線。曲線的高度由被檢焊縫板厚確定。其中評(píng)定線與定量線之間（包括評(píng)定線）為Ⅰ區(qū)，定量線和判廢線（包括定量線）之間為Ⅱ區(qū)，判廢線及以上為Ⅲ區(qū)。波幅標(biāo)定以落在哪個(gè)區(qū)來(lái)評(píng)定。與標(biāo)準(zhǔn)RCC-MR-2007相比，原理一致，只是曲線所代表的意義不同。02尺寸標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)RCC-MR-2007中規(guī)定采用相對(duì)靈敏度測(cè)長(zhǎng)法的-6dB法（半波高度法）測(cè)量缺陷長(zhǎng)度。標(biāo)準(zhǔn)NB/T47013-2015中規(guī)定，當(dāng)缺陷反射波只有一個(gè)高點(diǎn)，且位于Ⅱ區(qū)或Ⅱ區(qū)以上時(shí)，采用-6dB法測(cè)量其指示長(zhǎng)度；當(dāng)缺陷反射波峰值起伏變化，有多個(gè)高點(diǎn)時(shí)，且均位于Ⅱ區(qū)或Ⅱ區(qū)以上時(shí)，應(yīng)以端點(diǎn)-6dB法測(cè)量其指示長(zhǎng)度；當(dāng)缺陷最大反射波幅位于Ⅰ區(qū)時(shí)，將探頭左右移動(dòng)，使波幅降到評(píng)定線，用評(píng)定線絕對(duì)靈敏度法測(cè)量缺陷指示長(zhǎng)度。標(biāo)準(zhǔn)NB/T47013-2015的缺陷測(cè)長(zhǎng)法綜合了ASME標(biāo)準(zhǔn)和RCC-MR標(biāo)準(zhǔn)中的方法，針對(duì)具體情況有不同的測(cè)量方法。03成組缺陷顯示標(biāo)準(zhǔn)RCC-MR-2007中規(guī)定，如果同時(shí)符合以下兩個(gè)條件，則可將分散的缺陷信號(hào)顯示累積在一起：①如果有一個(gè)缺陷信號(hào)是點(diǎn)狀的，該缺陷與另一缺陷的缺陷信號(hào)在掃查表面上的投影相隔距離不大于最小的缺陷信號(hào)顯示長(zhǎng)度的6倍或20mm；②缺陷信號(hào)在焊縫橫截面上的投影相隔距離不大于20mm。成組缺陷信號(hào)顯示幅度為任何分散的缺陷信號(hào)顯示中測(cè)得的最高幅度，其尺寸為相距最遠(yuǎn)的缺陷兩端相連的尺寸。該累計(jì)規(guī)則只適用于已經(jīng)逐個(gè)測(cè)得的缺陷顯示。標(biāo)準(zhǔn)NB/T47013-2015中規(guī)定沿缺陷長(zhǎng)度方向相鄰的兩缺陷，其長(zhǎng)度方向間距小于其中較小的缺陷長(zhǎng)度且兩缺陷在與缺陷長(zhǎng)度相垂直方向的間距小于5mm時(shí)，應(yīng)作為一條缺陷處理，以兩缺陷長(zhǎng)度之和作為其指示長(zhǎng)度（間距計(jì)入）；如果兩缺陷在長(zhǎng)度方向投影有重疊，則以兩缺陷在長(zhǎng)度方向上投影的左、右端點(diǎn)間距離作為其指示長(zhǎng)度。10驗(yàn)收準(zhǔn)則標(biāo)準(zhǔn)RCC-MR-2007中規(guī)定任何不小于50%參考反射波高度（Hd/Hr≥1/2）的反射波顯示應(yīng)予以記錄；一旦發(fā)現(xiàn)裂紋、未熔合等非體積型顯示，判定為不合格；體積型缺陷最大允許長(zhǎng)度如表2所示，Hd為缺陷回波高度最大值，Hr為人工反射體回波高度最大值。對(duì)于體積型缺陷顯示，超過(guò)表2規(guī)定的與Hd/Hr比值相關(guān)的長(zhǎng)度，判定為不合格。應(yīng)當(dāng)注意的是，反射波高度低于設(shè)定值的單個(gè)缺陷不應(yīng)該被認(rèn)為是需要進(jìn)行返修的缺陷；然而，當(dāng)其連續(xù)長(zhǎng)度超過(guò)200mm時(shí)，則需要進(jìn)一步分析以確定缺陷性質(zhì)。表2標(biāo)準(zhǔn)RCC-MR-2007中規(guī)定體積型缺陷最大允許長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)NB/T47013-2015規(guī)定按質(zhì)量分級(jí)進(jìn)行驗(yàn)收，在不同質(zhì)量等級(jí)進(jìn)行驗(yàn)收時(shí)，又按照工件厚度、波幅所在區(qū)域、單個(gè)缺陷長(zhǎng)度以及多個(gè)缺陷累計(jì)長(zhǎng)度等進(jìn)行驗(yàn)收。此外，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定不允許存在裂紋、未熔合和未焊透等缺陷。與標(biāo)準(zhǔn)RCC-MR-2007相同，都是根據(jù)缺陷的性質(zhì)、波幅、工件厚度以及缺陷長(zhǎng)度進(jìn)行缺陷判定的。結(jié)語(yǔ)(1)標(biāo)準(zhǔn)RCC-MR-2007中適用的母材厚度不小于10mm，但不適用于TBM中蓋板流道封焊的5mm焊縫、第一壁側(cè)壁流道封焊的3.5mm焊縫的檢測(cè)；標(biāo)準(zhǔn)NB/T47013-2015中適用的母材厚度不小于6mm。(2)標(biāo)準(zhǔn)RCC-MR-2007中的對(duì)比試塊標(biāo)準(zhǔn)孔的孔徑是Φ2.0mm這一定值，這與NB/T47013-2015中標(biāo)準(zhǔn)孔孔徑根據(jù)厚度而異不同。(3)標(biāo)準(zhǔn)RCC-MR-2007中規(guī)定采用雙面雙側(cè)掃查，相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)NB/T47013-2015中A、B、C三級(jí)檢測(cè)技術(shù)中要求最嚴(yán)的C級(jí)檢測(cè)。在TBM的實(shí)際運(yùn)用中，由于焊縫結(jié)構(gòu)是封閉的，無(wú)法實(shí)現(xiàn)雙面掃查，標(biāo)準(zhǔn)中給出了相應(yīng)的措施。(4)標(biāo)準(zhǔn)RCC-MR-2007中對(duì)缺陷表征規(guī)定，幅度標(biāo)定采用DAC曲線法，與其他標(biāo)準(zhǔn)一致；尺寸標(biāo)定采用常規(guī)的-6dB法，與標(biāo)準(zhǔn)NB/T47013-2015