核電廠管道射線插塞焊縫的無損檢測

核電廠一回路、二回路系統(tǒng)管道上分布著大量射線插塞，這些插塞用于對管道焊縫進(jìn)行定期射線在役檢查，射線檢測前需打磨去除插塞與管座頂部的密封接頭后旋出插塞，插入射線檢測專用工具后，將Ir-192或Co-60放射源通過導(dǎo)源裝置輸送到指定位置實(shí)施射線檢測，檢測結(jié)束后旋入插塞至底，反向90°擰緊，再對頂部進(jìn)行密封焊復(fù)位。射線插塞也是一回路、二回路系統(tǒng)的高溫高壓核壓力邊界，近年來國內(nèi)外核電廠已發(fā)生多起射線插塞焊縫失效而引發(fā)的緊急事件，給核電機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行帶來巨大風(fēng)險(xiǎn)。針對插塞失效的情況，中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)股份有限公司的技術(shù)人員對射線插塞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化，同時(shí)對插塞焊縫的無損檢測技術(shù)進(jìn)行分析，探究適用于不同位置，行之有效的無損檢測方法。檢測原理射線插塞焊縫結(jié)構(gòu)圖1射線插塞結(jié)構(gòu)及連接方式示意射線插塞一般設(shè)計(jì)為可拆卸式結(jié)構(gòu)，由管座和插塞兩部分組成，插塞管座外徑為42mm，插塞直徑為29mm，兩者材料均為P280GH碳素鋼。插塞管座與管道采用螺紋連接后以焊接的方式進(jìn)行密封，同時(shí)為便于插塞的正常開啟，防止螺紋咬死，安裝插塞與管座螺紋時(shí)，要求插塞完全擰入管座后要回退1/4圈，再進(jìn)行密封焊接。該安裝要求必然會(huì)導(dǎo)致插塞與管座螺紋配合不緊密，插塞實(shí)際處于松動(dòng)狀態(tài)，機(jī)組運(yùn)行期間密封焊縫將承受一定的交變載荷。無損檢測技術(shù)分析根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范要求，插塞密封焊縫和角焊縫焊后應(yīng)實(shí)施目視檢測和液體滲透檢測，但目視檢測和液體滲透檢測均是表面缺陷檢測方法，其中目視檢測只能對焊縫外觀成型、宏觀缺陷等進(jìn)行識別判斷，滲透檢測也僅能檢測表面開口缺陷，無法有效檢出焊縫內(nèi)的氣孔、夾渣、裂紋以及角焊縫與管道母材結(jié)合區(qū)的未熔合缺陷。管座外圈與母材間的間隙會(huì)在射線底片上形成結(jié)構(gòu)不連續(xù)影像，當(dāng)該影像與焊縫結(jié)合處未熔合的影響重疊時(shí)，可能難以有效識別缺陷。因此，無法使用射線方法檢測插塞角焊縫內(nèi)部區(qū)域。射線插塞焊縫透照方式如圖2所示。圖2射線插塞焊縫透照方式示意由于各種檢測方法都有其特點(diǎn)和局限性，如果采用單一方法實(shí)施檢測，有可能造成特定缺陷的漏檢。因此，對于插塞與管座連接的密封焊縫，應(yīng)采用液體滲透檢測方法進(jìn)行定期檢驗(yàn)，同時(shí)應(yīng)增加焊縫熔池深度，提高焊縫強(qiáng)度。對于連接插塞管座與管道的角焊縫，應(yīng)采用磁粉檢測方法檢測其表面及近表面區(qū)域，采用相控陣超聲技術(shù)檢測焊縫及焊縫與管道結(jié)合的區(qū)域。射線插塞焊縫的無損檢測工藝插塞密封焊縫的滲透檢測插塞密封焊縫的焊接方法為手工氬弧焊，焊縫為平面密封焊縫，共焊接2層，打底層要求控制在較小電流范圍內(nèi)施焊。電廠一般要求對插塞本體實(shí)施3次滲透檢測，第1次為焊接前，第2次為第1層焊好24小時(shí)后，第3次為最終焊好24小時(shí)后。插塞管座角焊縫的相控陣超聲檢測相控陣超聲技術(shù)將A型脈沖信號顯示為直觀的扇掃圖像，并且可有效區(qū)分焊縫的缺陷波與結(jié)構(gòu)波，對檢測對象進(jìn)行多角度、多方位的掃查，從而可降低缺陷漏檢概率，提高檢測可靠性。相控陣超聲檢測設(shè)備及參數(shù)采用OlympusOmniscanMX2型便攜式相控陣超聲檢測儀，匹配兩款線陣相控陣探頭，其中橫波相控陣探頭的檢測參數(shù)為：①晶片數(shù)量為32，一次激發(fā)32個(gè)晶片，頻率為4MHz，相鄰晶片的中心間距為0.7mm，單個(gè)晶片寬度為0.6mm，楔塊型號為N45S；②采用ф1.5mm橫通孔對基準(zhǔn)靈敏度進(jìn)行校準(zhǔn)；③檢測目標(biāo)為插塞角焊縫內(nèi)的氣孔、裂紋等缺陷。縱波相控陣探頭的檢測參數(shù)為：①晶片數(shù)量為16，一次激發(fā)16個(gè)晶片，頻率為5MHz，相鄰晶片的中心間距為0.6mm，單個(gè)晶片寬度為0.5mm，楔塊型號為N0L；②以管道母材厚度設(shè)置基準(zhǔn)靈敏度；③檢測目標(biāo)為角焊縫與管道結(jié)合區(qū)形成的未熔合缺陷。采用基于多軸運(yùn)動(dòng)的掃查裝置輔助實(shí)現(xiàn)超聲數(shù)據(jù)采集。相控陣超聲檢測工藝以扇形掃查的方式從管道側(cè)采用一次反射波對射線插塞角焊縫實(shí)施檢測。其中橫波扇形掃查檢測角焊縫的內(nèi)部區(qū)域，扇掃角度為40°~55°，相控陣探頭前端距角焊縫邊緣約150~200mm，檢測時(shí)繞射線插塞運(yùn)動(dòng)整圈；縱波扇形掃查檢測角焊縫與管道母材結(jié)合區(qū)，扇掃角度為-15°~0°，相控陣探頭前端距角焊縫邊緣約10mm，檢測時(shí)繞射線插塞運(yùn)動(dòng)整圈。兩種扇形掃查方式的聲束覆蓋范圍如圖3所示。圖3兩種扇形掃查方式的聲束覆蓋示意相控陣探頭運(yùn)動(dòng)軌跡相控陣探頭運(yùn)動(dòng)時(shí)貼合在管道母材上，聲束一直指向射線插塞中心，其運(yùn)動(dòng)軌跡為橢圓形；探頭掃查面與管道母材形成的軌跡為馬鞍面，此時(shí)要保證探頭接觸面更小或者采用雙曲面探頭才能保證有效貼合。相控陣探頭運(yùn)動(dòng)軌跡如圖4所示，相控陣超聲檢測現(xiàn)場如圖5所示。應(yīng)用軌跡金屬圈很好地控制相控陣探頭的移動(dòng)方向及距離。圖4相控陣探頭運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖5相控陣超聲檢測現(xiàn)場插塞管座角焊縫的磁粉檢測磁粉檢測采用XCEY-III型便攜式交叉電磁軛，其提升力不小于118N，采用單相220V，50Hz工頻交流電產(chǎn)生磁場，通過移相實(shí)現(xiàn)(90°±5)°的電流相位差。磁軛間距為50~100mm時(shí)，該磁軛至少應(yīng)具有135N的提升力；間距為100~150mm時(shí)，至少應(yīng)具有225N的提升力。磁化時(shí)，令交叉磁軛中心線與射線插塞中心線重合，保證管座焊縫在交叉磁軛產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場內(nèi)。射線插塞焊縫的無損檢測試驗(yàn)?zāi)M試件模擬試件的材料、規(guī)格與實(shí)際管道一致，射線插塞的規(guī)格及焊接工藝也與實(shí)際的一致。缺陷主要包括：橫孔（缺陷數(shù)量：3，缺陷最小尺寸：ф1.5mm）、未熔合（缺陷數(shù)量：11，缺陷最小尺寸：3mm×2mm）、裂紋（缺陷數(shù)量：2，缺陷最小尺寸：5mm×3mm）等。缺陷的檢出相控陣超聲可以檢測出模擬試件中所有的裂紋、未熔合及橫孔缺陷，磁粉檢測可以檢出所有的裂紋以及部分未熔合缺陷，詳細(xì)缺陷檢出情況如圖6所示。圖6模擬試件的詳細(xì)缺陷檢出情況相控陣超聲檢測未熔合缺陷的平均信噪比為20.8dB，檢測橫孔缺陷的平均信噪比為17.8dB，檢測裂紋缺陷的平均信噪比為8.6dB，所有缺陷的信噪比均大于6dB。裂紋、未熔合缺陷的相控陣超聲檢測信號如圖7所示。圖7裂紋、未熔合缺陷的相控陣超聲檢測信號磁粉檢測對呈樹枝發(fā)散狀的裂紋缺陷具有較好的檢測效果。對于未熔合類缺陷，磁粉檢測無法進(jìn)行完全有效的判定，但可以結(jié)合超聲檢測情況進(jìn)行綜合判定。裂紋、未熔合缺陷的磁粉檢測結(jié)果如圖8所示。圖8裂紋、未熔合缺陷的磁粉檢測結(jié)果現(xiàn)場應(yīng)用在國內(nèi)某核電廠大修期間，采用該無損檢測技術(shù)對二回路管道射線插塞的密封焊縫實(shí)施了滲透檢測，對角焊縫實(shí)施了磁粉檢測和相控陣超聲檢測。角焊縫采用OmniscanMX2型相控陣超聲檢測儀、OmniPC采集軟件以及半自動(dòng)掃查器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，現(xiàn)場插塞角焊縫的相控陣超聲檢測信號如圖9所示，插塞管座螺紋區(qū)信號在扇形圖像中呈垂直分布，與實(shí)際工件中保持一致。圖9現(xiàn)場插塞角焊縫的相控陣超聲檢測信號結(jié)語相控陣技術(shù)可以檢出射線插塞焊縫