蒸汽發(fā)生器傳熱管超聲檢測缺陷識別與典型缺陷成因及預(yù)防

蒸汽發(fā)生器傳熱管是核電站一回路壓力邊界的關(guān)鍵部件，其性能的優(yōu)劣對核電站的經(jīng)濟(jì)性和安全性有重要影響。由于長期服役在含有水蒸汽的高溫高壓環(huán)境下，蒸汽發(fā)生器傳熱管在生產(chǎn)過程中會(huì)出現(xiàn)各種微小缺陷，這些缺陷在傳熱管實(shí)際運(yùn)行過程中會(huì)加速擴(kuò)展。在傳熱管運(yùn)行過程中，缺陷一旦擴(kuò)大就會(huì)造成壁厚減薄，且會(huì)誘發(fā)蒸汽發(fā)生器傳熱管的破損。蒸汽發(fā)生器傳熱管管內(nèi)放射性一回路介質(zhì)一旦泄漏，則會(huì)對周邊環(huán)境和人員安全造成威脅，嚴(yán)重時(shí)需停堆進(jìn)行檢查維修。蒸汽發(fā)生器傳熱管破裂事故的發(fā)生頻率較高，為了進(jìn)一步提高反應(yīng)堆的可靠性和安全性，在生產(chǎn)制造過程中需采用無損檢測方法有效識別出這些缺陷。根據(jù)法國核島設(shè)備設(shè)計(jì)建造規(guī)則協(xié)會(huì)(AFCEM)編制的《壓水堆核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則(RCCM)》中M4105產(chǎn)品的采購技術(shù)規(guī)范，用于壓水堆蒸汽發(fā)生器管束的鎳-鉻-鐵合金(NC30Fe)無縫管需按RCCMMC2500《管件超聲波檢驗(yàn)》的規(guī)定，對傳熱器全長范圍進(jìn)行超聲檢測。浙江久立特材科技股份有限公司的技術(shù)人員通過試驗(yàn)，對蒸汽發(fā)生器傳熱管超聲檢測發(fā)現(xiàn)的缺陷進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，找出幾種典型缺陷產(chǎn)生的原因，并提出對應(yīng)的預(yù)防措施，以利于從源頭上避免類似缺陷的產(chǎn)生。超聲檢測試驗(yàn)蒸汽發(fā)生器傳熱管材料牌號為NC30Fe(690)，管材外徑為17.48mm，壁厚為1.02mm，狀態(tài)為TT(ThermoTreatment)態(tài)。試驗(yàn)選用GEROTA40型脈沖反射式超聲波檢測系統(tǒng)；為了檢測出縱向及橫向全體積范圍內(nèi)的所有缺陷，選用的標(biāo)準(zhǔn)樣管與被檢管材具有相同的材料、幾何尺寸、制造工藝及表面狀態(tài)。標(biāo)準(zhǔn)樣管的人工缺陷為管材內(nèi)壁和外壁橫向和縱向的U形槽，人工缺陷長12.7mm、寬0.1mm、深0.1mm。4個(gè)U形槽應(yīng)分開一定距離，以保證能清楚區(qū)別其回波。采用水浸線聚焦法進(jìn)行超聲檢測，耦合劑采用A級去離子水。采用3mm線聚焦超聲探頭，探頭頻率為7MHz，聲波在管壁中傳播的折射角為47°~50°。根據(jù)被檢管外徑及檢測探頭焦距調(diào)整水層高度為20.5~21.5mm。移動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)樣管，將切槽正對探頭波束，調(diào)節(jié)增益使標(biāo)準(zhǔn)缺陷幅值調(diào)至滿屏的80%。對被檢管進(jìn)行軸向和周向掃查，且均從兩個(gè)相反方向進(jìn)行掃查，選擇探頭旋轉(zhuǎn)速度為6000r/min，檢測速度為13.5m/min，以確保相鄰兩次軸向掃查的重疊面積至少為20%。在檢測過程中，由于缺陷的類型、位置、大小以及取向會(huì)影響檢測結(jié)果，所以會(huì)出現(xiàn)一些達(dá)到或超過標(biāo)準(zhǔn)缺陷尺寸的缺陷，所產(chǎn)生的信號幅值卻低于標(biāo)準(zhǔn)缺陷的信號幅值，也會(huì)出現(xiàn)一些小于標(biāo)準(zhǔn)缺陷尺寸的缺陷所產(chǎn)生的信號幅值高于標(biāo)準(zhǔn)缺陷信號幅值的情況。為了防止超聲檢測出現(xiàn)漏檢和誤判，設(shè)置缺陷系數(shù)K=0.70。K值的定義為：K=報(bào)廢限值/80%標(biāo)準(zhǔn)缺陷信號的滿屏高度，即將標(biāo)準(zhǔn)缺陷信號調(diào)整到80%的滿屏高度，故缺陷信號幅值不大于56%的管材判定為合格。將實(shí)際超聲檢測過程中發(fā)現(xiàn)的信號幅值超過56%的各種不同類型的缺陷進(jìn)行分類。如果某個(gè)缺陷在多個(gè)超聲波檢測通道中都產(chǎn)生了信號，則統(tǒng)計(jì)最大振幅的通道。選取含有每種缺陷類型的管材進(jìn)行超聲檢測，再配合目視檢查法，準(zhǔn)確定位缺陷位置并截取含缺陷的20~50mm長度試樣。對蒸汽發(fā)生器傳熱管在超聲檢測中識別出的缺陷按照缺陷類型、缺陷取向進(jìn)行分類，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示，其中“縱向”代表缺陷方向與軋制方向一致，“橫向”代表缺陷方向與軋制方向垂直。表1超聲檢測出的缺陷信息統(tǒng)計(jì)結(jié)果缺陷類型缺陷取向缺陷數(shù)量占比/%外表面橫向913.2外表面縱向5479.4內(nèi)表面橫向00內(nèi)表面縱向57.4由表1可以看出，蒸汽發(fā)生器傳熱管生產(chǎn)過程中超聲檢測識別出的缺陷多為外表面缺陷。宏觀觀察試驗(yàn)采用AxioImagerMzm型光學(xué)顯微鏡對含有不同類型缺陷的典型試樣進(jìn)行缺陷表面宏觀觀察，不同類型缺陷表面形貌如圖1所示。圖1不同類型缺陷的表面形貌缺陷尺寸測量按照ASTME3-11(2017)《金相試樣制備標(biāo)準(zhǔn)指南》標(biāo)準(zhǔn)中金相試樣的制備方法，對缺陷橫截面依次進(jìn)行粗磨、細(xì)磨和拋光至鏡面，并用丙酮超聲清洗后吹干，采用同型號光學(xué)顯微鏡進(jìn)行缺陷觀察和缺陷深度測量，采用層析法確定缺陷的最大深度。不同類型缺陷的橫截面形貌如圖2所示。圖2不同類型缺陷的橫截面形貌試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析對選取的含有不同類型缺陷的典型試樣的超聲檢測結(jié)果，進(jìn)行不同缺陷位置、缺陷取向、缺陷類型、缺陷處超聲信號最大回波幅值的滿屏高度占比、缺陷尺寸等的統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表2所示，不同缺陷的最大超聲波幅與缺陷深度的關(guān)系如圖3所示。表2典型缺陷試樣的超聲檢測結(jié)果試樣編號缺陷位置缺陷取向缺陷類型缺陷最大回波幅值的滿屏高度/%深度/μm寬度/μm1外表面縱向劃傷56.009.27218.82外表面縱向軋折99.2098.09946.53外表面縱向磕碰58.5082.38371.34外表面縱向磕碰74.5061.78422.25外表面橫向凹坑107.10116.31277.06外表面橫向磕碰56.3055.36275.47內(nèi)表面縱向軋折118.10175.7142.2圖3不同缺陷的最大超聲波幅與缺陷深度的關(guān)系由表2和圖3可知：1超聲檢測可有效識別蒸汽發(fā)生器傳熱管縱向及橫向全體積范圍內(nèi)的所有缺陷。2缺陷的深度與缺陷處最大超聲波幅并不呈線性關(guān)系，即并不是超聲波幅值越高，缺陷深度越大。這是因?yàn)閷?shí)際缺陷表面相對于超聲波入射方向并不完全垂直，而超聲垂直于缺陷表面時(shí)缺陷波幅最高，當(dāng)有傾斜角時(shí)，缺陷波幅隨著傾斜角的增大而急劇下降。缺陷產(chǎn)生原因分析1號缺陷為典型的縱向劃傷缺陷。是由轉(zhuǎn)運(yùn)過程中某種尖銳的棱角或顆粒劃過管材外表面形成的。從圖1(a)中的表面宏觀觀察可明顯識別出劃痕方向?yàn)檠毓懿能堉品较?，顯示為從左側(cè)指向右側(cè)方向，與超聲檢測的缺陷取向一致。劃傷缺陷一般均為淺表層缺陷，深度較淺。1號缺陷處超聲信號最大回波幅值為56.0%的滿屏高度，最大深度僅為9.27μm。2號缺陷為典型的外表面縱向軋折缺陷。管材表面可觀察到部分材料缺失，由橫截面形貌可看出該缺陷與外表面呈一定的角度。由圖2(b)中的橫截面形貌可觀察到缺陷與內(nèi)表面呈一定的角度，內(nèi)外兩層之間形成明顯的折疊。2號缺陷處超聲信號最大回波幅值為99.20%的滿屏高度，最大深度為98.09μm。3號和4號缺陷為典型的外表面縱向磕碰缺陷。是由轉(zhuǎn)運(yùn)過程中異物直接壓入管材表面所形成的，異物在后續(xù)流轉(zhuǎn)過程中缺失。由圖2(b)中的橫截面形貌可觀察到缺陷是缺失的，與2號缺陷不同，未形成折疊，可判定為成品管子軋制完成后形成。3號和4號缺陷處超聲信號最大振幅分別為58.50%和74.5%的滿屏高度，最大深度分別為82.38μm和61.78μm。5號缺陷為典型的凹坑缺陷。是由生產(chǎn)及轉(zhuǎn)運(yùn)過程中尖銳顆粒狀異物壓入表面(致使部分金屬材料缺失)形成的。該缺陷為體積狀缺陷，超聲檢測過程中僅橫向缺陷通道有明顯顯示。通過波長λ、聲速c、頻率f之間的關(guān)系λ=c/f，可計(jì)算出橫波波長為0.46mm，縱波波長為0.84mm(鋼中橫波波速為3200m/s，縱波波速為5900m/s，探頭頻率為7MHz)。由于缺陷直徑近似為1277μm，是橫波波長的2倍以上，故橫向缺陷通道具有較好的指向性。5號缺陷處超聲信號最大回波幅值為107.1%的滿屏高度，最大深度僅為116.30μm。6號缺陷為典型的橫向磕碰缺陷。由轉(zhuǎn)運(yùn)過程中異物直接壓入管材表面所形成，異物在后續(xù)流轉(zhuǎn)過程中缺失。6號缺陷與3號、4號缺陷的形成原因一致，6號缺陷處超聲信號最大回波幅值為56.30%的滿屏高度，最大深度為55.36μm。7號缺陷為典型的內(nèi)表面縱向軋折缺陷。在內(nèi)表面上呈現(xiàn)為直線和鋸齒狀缺陷，其形成原因與2號缺陷的形成原因一致。從圖2(g)中的橫截面照片中也可觀察到明顯的折疊。7號缺陷處超聲信號最大回波幅值為118.10%的滿屏高度，最大深度為175.7μm。預(yù)防措施為了獲得高品質(zhì)的蒸汽發(fā)生器傳熱管，應(yīng)重視各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制，后續(xù)生產(chǎn)過程中可從以下幾個(gè)方面進(jìn)行預(yù)防及改進(jìn)：1對軋制管坯加強(qiáng)質(zhì)量控制，來料管材表面不允許存在翹皮、劃傷、擦傷、異物等缺陷。2對輥道、軋制工模具、矯直輥、傳輸裝置等表面加強(qiáng)粗糙度控制，對磨損的工模具及時(shí)進(jìn)行更新。3對軋制過程進(jìn)行控制