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首頁(yè) 檢測(cè)技術(shù)與成果

分享:插套焊軸向間隙的相控陣超聲測(cè)量試驗(yàn)

插套焊以其裝配簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì),被廣泛應(yīng)用于核電廠主冷卻劑回路、安全殼噴淋、余熱排出等系統(tǒng)的排水管線、采樣管線及儀表管線中,僅一臺(tái)1 000 MWe(1 MWe=1 000 kW)級(jí)壓水堆(PWR)電站中,就約有40 000個(gè)小支管插套焊接頭[1]。插套焊是一種特殊的角焊縫,支管插入內(nèi)徑大于其外徑的管座或法蘭中,焊前保證一定軸向間隙的同時(shí),于支管與管座交界處施以角焊縫連接,其結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。插套焊性能不及對(duì)接接頭性能,若軸向間隙不足,熱膨脹受限會(huì)產(chǎn)生較高熱應(yīng)力[2]。韓國(guó)標(biāo)準(zhǔn)核電廠(KSNP)主回路插套焊結(jié)構(gòu)的取樣管曾發(fā)生過(guò)多起無(wú)軸向間隙導(dǎo)致的熱疲勞泄露事件,泄露量約為0.01 gpm(1 gpm=0.227 m3/h)[3]。

圖 1 插套焊結(jié)構(gòu)示意

因此,不同標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)插套焊焊前組對(duì)間隙提出了要求。結(jié)合ASME Ⅲ—2004、RCC-M-2007、GB/T 16702—2019等標(biāo)準(zhǔn)要求及安裝經(jīng)驗(yàn),插套焊焊前軸向間隙Y應(yīng)滿足1.5 mm≤Y≤3 mm,且當(dāng)名義壁厚t≥8.74 mm時(shí),1.5 mm≤Y≤4 mm。焊前組對(duì)通常將支管完全插入管座,在距管座側(cè)壁一定距離Z處劃線標(biāo)記,將支管拉出W距離后施焊,焊后劃線標(biāo)記距管座側(cè)壁若大于Z,則可保證焊后軸向間隙不為零,但該方法受人為因素的影響較大。除采用焊前組對(duì)控制軸向間隙外,還可通過(guò)垂直透照的射線檢測(cè)工藝,在對(duì)角焊縫焊接質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)的同時(shí),直觀評(píng)價(jià)軸向間隙[4-6],但射線檢測(cè)輻射風(fēng)險(xiǎn)高且檢測(cè)窗口較長(zhǎng),非核安全1級(jí)并非100%檢測(cè),存在一定漏檢風(fēng)險(xiǎn),且對(duì)軸向間隙不能定量評(píng)價(jià)。

文章在資料調(diào)研某常規(guī)島及其BOP(電站輔助系統(tǒng))插套焊結(jié)構(gòu)應(yīng)用的基礎(chǔ)上,優(yōu)選了軸向間隙測(cè)量對(duì)象并以此設(shè)計(jì)了校準(zhǔn)及模擬試塊;設(shè)計(jì)掃查工裝并采用相控陣超聲雙探頭同時(shí)掃查的方法,在現(xiàn)有相控陣超聲小徑管Cobra探頭的基礎(chǔ)上,采用CIVA 2021仿真平臺(tái)對(duì)相控陣超聲探頭頻率參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化,并對(duì)檢測(cè)工藝進(jìn)行了仿真模擬。然后,在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)檢測(cè)工藝系統(tǒng),并在模擬試塊上進(jìn)行了工藝驗(yàn)證,為插套焊軸向間隙的定量評(píng)價(jià)提供了技術(shù)思路。

1. 試驗(yàn)對(duì)象與步驟

1.1 優(yōu)選的試驗(yàn)對(duì)象

RCC-M-2007、GB/T 16702—2019及ASME Ⅲ—2004對(duì)插套焊結(jié)構(gòu)的使用有明確的限制條件[7],如表1所示(表中備注1表示僅限非間隙腐蝕工況,備注2表示僅限疏水、旁通與閥門或配件連接)。由表1可知,插套焊結(jié)構(gòu)適用于接管公稱直徑DN50及以下,且RCC-M-2007與GB/T16702—2019插套焊的限制條件幾乎一致,但與ASME Ⅲ-2004的限制條件存在差異,主要差異為核1級(jí)支管直徑。另外,RCC-M-2007、ASME Ⅲ-2004與GB/T 16702—2019均要求兩焊腳高度相同,且大于等于1.09倍支管名義壁厚。但EPRI(美國(guó)電力研究協(xié)會(huì))研究報(bào)告表明,支管側(cè)焊腳高度為管座側(cè)的2倍時(shí)可使焊腳過(guò)渡平滑、減小應(yīng)力集中,顯著提高插套焊結(jié)構(gòu)的疲勞性能[8]。在建核電插套焊設(shè)計(jì)文件中也均已采用該焊接結(jié)構(gòu)。對(duì)某堆型主蒸汽、高壓給水加熱、主給水流量、汽水分離等主要系統(tǒng)的127個(gè)插套焊結(jié)構(gòu)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析,其中3/4”規(guī)格、304奧氏體不銹鋼材料的管座支管標(biāo)準(zhǔn)件占比約39%,管座及支管尺寸如圖23所示。

Table 1. 不同標(biāo)準(zhǔn)對(duì)插套焊結(jié)構(gòu)的限制條件
標(biāo)準(zhǔn) 安全級(jí) 接管直徑/mm 焊前軸向間隙/mm
ASME Ⅲ-2004 11 ≤60.3 ≥1.5
21 ≤60.3或114.32
3 不限
RCC-M-2007 11 內(nèi)徑<25 ≥1.5
2,31 ≤60.3
GB/T 16702—2019 11 內(nèi)徑<25 ≥1.5
2,31 ≤60.3
圖 2 3/4”規(guī)格管座標(biāo)準(zhǔn)件結(jié)構(gòu)示意
圖 3 3/4”規(guī)格支管標(biāo)準(zhǔn)件結(jié)構(gòu)示意

因此,文章選擇代表性的3/4”規(guī)格、304材料、焊腳高度比為2∶1的插套焊結(jié)構(gòu)為試驗(yàn)對(duì)象,對(duì)焊后軸向間隙的相控陣超聲測(cè)量工藝展開(kāi)研究。

1.2 試驗(yàn)步驟

(1)在小徑管自聚焦Cobra探頭的基礎(chǔ)上,采用CIVA 2021仿真平臺(tái)對(duì)探頭頻率進(jìn)行優(yōu)選。

(2)針對(duì)優(yōu)選的插套焊結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)相控陣超聲校準(zhǔn)試塊及掃查工裝,采用CIVA 2021仿真平臺(tái)分別對(duì)管座與支管側(cè)管角信號(hào)的檢出性進(jìn)行仿真驗(yàn)證,并在軸向間隙模擬試塊上進(jìn)行工藝驗(yàn)證。

(3)采用單接口的雙Cobra探頭,相對(duì)置于管座與支管側(cè),固定步進(jìn)偏置使兩個(gè)部位的端角信號(hào)清晰顯示,采用游標(biāo)卡尺測(cè)量?jī)商筋^前沿間距X3,在相控陣儀器上讀取端角信號(hào)與探頭前沿的水平距離X1X2,得到軸向間隙Y=X3?X1?X2。

2. 設(shè)計(jì)優(yōu)化

2.1 中心頻率優(yōu)選

選擇小徑管Cobra自聚焦相控陣探頭,探頭及楔塊參數(shù)如表2所示。采用CIVA 2021仿真平臺(tái)在5 MHz~10 MHz的中心頻率范圍對(duì)支管側(cè)端角反射的最大幅值響應(yīng)進(jìn)行仿真計(jì)算,結(jié)果如圖4所示。由圖4可知,隨著中心頻率增大,端角處最大幅值響應(yīng)逐漸減小,5 MHz較10 MHz時(shí)的最大幅值大于20 dB。同時(shí),對(duì)焊根位置45°方向1 mm高度裂紋缺陷進(jìn)行模擬仿真,結(jié)果如圖5所示。由圖5可知,隨著中心頻率增大,1 mm高度裂紋分辨率提高,且當(dāng)中心頻率大于7 MHz時(shí),1 mm高度裂紋才能有效識(shí)別。另外,頻率升高衰減增大的同時(shí),脈沖寬度會(huì)減小從而改善分辨率[9]。因此,綜合考慮幅值響應(yīng)及分辨率對(duì)聲場(chǎng)的影響,探頭頻率選擇7.5 MHz。

Table 2. 小徑管Cobra自聚焦相控陣探頭及楔塊參數(shù)
參數(shù)名稱 數(shù)值
主動(dòng)窗/mm 7.9
從動(dòng)窗/mm 10
晶片數(shù)量/個(gè) 16
晶片間隙/mm 0.1
晶片寬度/mm 0.4
楔塊長(zhǎng)度/mm 16.2
楔塊寬度/mm 22
楔塊高度/mm 6.07
折射角/(°) 60.739
圖 4 5 MHz~10 MHz端角信號(hào)的最大幅值響應(yīng)
圖 5 1 mm高度裂紋在5 MHz~10 MHz時(shí)的聲場(chǎng)響應(yīng)

2.2 試塊設(shè)計(jì)

針對(duì)優(yōu)選的3/4”規(guī)格插套焊結(jié)構(gòu),支管尺寸(直徑×壁厚)為?26.7 mm×3.9 mm,相控陣超聲60°楔塊偏轉(zhuǎn)角一次反射波的最大聲程為15.6 mm,NB/T 47013.15—2021中Ⅱ型焊接接頭PGS試塊校準(zhǔn)用圓弧曲率半徑為25 mm和50 mm。因此,為了提高軸向間隙的定位精度,以15.6 mm為中間值,采用中心逼近對(duì)校準(zhǔn)用圓弧的尺寸進(jìn)行了設(shè)計(jì)改造。

綜合考慮一次反射波深度范圍(約8 mm)的TCG(深度補(bǔ)償曲線)繪制,NB/T 47013.15—2021要求TCG校準(zhǔn)點(diǎn)不少于3個(gè),PGS試塊可用橫通孔反射體僅為2個(gè)。另外,NB/T 47013.15—2021要求TCG校準(zhǔn)點(diǎn)靈敏度在±3 dB以內(nèi)變化,但相控陣超聲遵循近場(chǎng)區(qū)聲

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