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核反应堆压力容器超声检测技术研究
许远欢 聂勇
（核动力运行研究所，武汉，430074）

摘 要 核反应堆压力容器作为核设备的重要部件，要求对其进行役前及在役检查。由于核反应堆压力容器包含有不同类型的检测对象，同时实施检测的条件所限制，对于核反应堆压力容器的超声检测，超声检测技术要考虑超声探头角度、探头频率、探头形式、晶片尺寸、检测方向、探头托盘的形式、扫查探头的布置、扫查运动方式、标定及校核、选用仪器、缺陷的检测与定量等较多的因素。在综合考虑这些因素后，针对每一个检查部位，才能给出具体的检测技术。本文介绍了对核反应堆压力容器进行超声检测的检验技术。
关键词 反应堆压力容器、超声检测、探头

1. 前言
核反应堆压力容器是核电厂和核动力装置中最重要的设备，核反应堆压力容器的质量是保证核电设备和核动力装置正常安全运行的关键。为确定压力容器的质量，在核电厂和核动力装置的检验规范和大纲中，对反应堆压力容器的焊缝及其它部位提出了无损检测的强制性要求，并指定分别在投入使用前和运行一定间隔时间内对反应堆压力容器实施役前检查和在役检查。役前检查和在役检查的结果为分析评定压力容器的运行状态将提供极其重要的依据。
在核电厂和核动力装置的检验规范和大纲中，对核反应堆压力容器的无损检测主要采用超声检测技术和视频检测技术。由于核反应堆压力容器的体积较大，受检对象涵盖了厚壁筒体焊缝、接管焊缝、接管交贯面、接管与安全端的厚壁管道对接焊缝以及堆焊层表面等众多不同类型的对象，相应地其检查技术也包含了众多不同类型的检查技术。
反应堆压力容器检查的实施是个复杂的过程，它必须依赖专用的机械检查设备和电子控制驱动装置来完成，超声检查系统、机械扫查器和控制系统的统一协作才能完成该大型设备的检查。检查技术的制定不但要从超声检测的技术角度考虑，还要根据机械运动的可行性和局限性来考虑。本文介绍了对核反应堆压力容器实施超声检测的检查技术。
2. 被检对象和检验范围
在核设备的检查大纲中，要求对反应堆压力容器的检查对象包括所有焊缝、接管交贯面、堆焊层。除了容器内表面堆焊层采用视频检查外其余对象都采用超声检测技术。具体来说，超声检测的内容包括有：
l 筒体环焊缝
图1 核反应堆压力容器示意图
l 封头环焊缝
l 支撑焊缝
l 筒体与接管连接焊缝
l 接管与安全端连接焊缝
l 安全端与管道连接焊缝
l 接管交贯面及其附加段区域
l 内表面堆焊层区域

筒体环焊缝、封头环焊缝、支撑焊缝以及接管焊缝都是低合金钢厚壁对接焊缝，其中最大厚度达到了330mm。接管与安全端连接焊缝是连接铁素体材料与不锈钢锻件的管道对接异种金属焊缝，该焊缝还包含有镍基合金隔离层。安全端与管道连接焊缝是连接不锈钢锻件与不锈钢铸件的管道对接同种金属焊缝。这两类焊缝的厚度根据容器的容量大小有不同的厚度，最大厚度达到了90mm。接管交贯面是指接管内弯角径向截面区域。在反应堆压力容器内壁以及接管管道内壁，都堆焊有一层4~7mm的不锈钢保护层，即不锈钢堆焊层，见图1。在对这些受检对象的超声检测过程中，根据其材料、厚度以及形状等特点，并结合检测实施方式，采用的超声检测技术也存在不同技术特点。
3. 超声检测技术
核反应堆压力容器超声检测采用超声自动化检查技术，检查结果有较好的重复性，检查数据可以得到永久的存储，利用专用数据处理软件可以对检查数据进行后处理以便可以对数据进行多种方式的分析。
对于核反应堆压力容器的超声检测，超声检测技术要考虑较多的因素，这主要包括超声探头角度探头频率、探头形式、晶片尺寸、检测方向、探头托盘的形式、扫查探头的布置、扫查运动方式、检查前标定及检查过程中的二次标定、灵敏度的选择、选用仪器、缺陷的检测与定量等。在综合考虑这些因素后，针对每一个检查部位，才给出具体的检测技术。下面对这些因素的考虑进行总体介绍。
由于核反应堆压力容器体积较大，在役检查时不可接近，在对核反应堆压力容器实施超声检查时采用超声自动化检测技术，即利用专用的反应堆压力容器检查机带动超声检测探头在被检部位区域进行自动扫查。整个超声检查从压力容器的内表面实施检查，检查采用探头与被检部件接触式的检查方式，使用水进行耦合。
(1) 探头的选择
在对核反应堆压力容器的超声检测中，探头的选择最为关键。选择超声探头时要根据被检对象的厚度、形状、焊缝坡口形式等特点以及探头声束的可达性来确定。对于每一个被检对象，采用多角度和多方向的超声波探头。反应堆压力容器超声检测中所用的探头角度如表1所示。
表1 超声探头角度的选择
检查部位
探头角度
探头形式
筒体环焊缝、封头环焊缝
0°、45°、60°、70°
单晶、双晶
支撑焊缝
0°、45°
单晶
筒体与接管连接焊缝
0°、45°、60°、70°
10°、30°、50°
单晶、双晶
单晶
接管与安全端连接焊缝、安全端与管道连接焊缝
0°、45°、60°、70°
35°~45°
双晶
双晶
接管交贯面及其附加段区域
45°、70°
双晶
内表面堆焊层区域
45°、70°
双晶
一般检查大纲要求要对所有焊缝进行全体积的检查，由于焊缝的厚度都较大，同时在探头扫差的容器内壁存在一定厚度的堆焊层，在检测技术中，将被检焊缝的检查区域分为近表面区域和内部区域两部分。近表面区域的范围一般为0~30mm，内部区域的范围一般为30mm~T（焊缝壁厚）。近表面区域和内部区域所使用的探头角度以及探头形式有所不同。以筒体环焊缝和封头环焊缝为例，所使用的超声探头中，用于检查近表面区域探头和内部区域探头如表二所示。
表二 筒体环焊缝、封头环焊缝超声探头角度的选择
检查部位
检查区域
探头角度
探头形式
筒体环焊缝、
封头环焊缝
近表面区域
0°、45°、70°
双晶
内部区域
0°、45°、60°
单晶
在近表面区域的检查探头中，0°、45°、70°探头都为双晶纵波探头；而内部区域的检测探头中，45°、60°探头为单晶横波探头，0°探头为单晶直探头。
探头频率的选择，按照检测区域及检测用途来确定。对于近表面区域，可采用较高的频率4MHz，而内部区域所采用的频率一般为2~2.5MHz。在声束衰减较大的焊缝中（如安全端焊缝），使用较高的频率将会产生更多的噪声信号，因此要根据检测厚度和材料衰减状况以及探头性能来确定探头的频率，探头的频率一般处于1~4MHz的范围内。
探头晶片的选择是根据检查范围的大小以及探头性能综合考虑。对于厚壁焊缝的超声检测探头，为了能检测到远距离的部位，所使用较大的晶片从而获得较大的能量。如筒体环焊缝，45°、60°单晶横波探头的晶片尺寸一般为20×30mm 的椭圆晶片。而对于双晶纵波探头，则根据探头焦距的大小来确定。在保证探头性能的情况下，采用较小的晶片，从而整个探头的外壳也相对缩小，有利于探头与扫查曲面的耦合。在整个检查所用的探头中，探头的外壳尺寸(长×宽)主要为30×30mm和40×40mm。
(2) 检测方向
对于每一个被检部件，都采用多方向进行扫查。筒体环焊缝、底封头环焊缝和安全端管道焊缝，在焊缝的两侧采用斜探头的声束面向焊缝的两个方向上进行轴向扫查，在沿焊缝方向（周向）上采用斜探头的声束沿着焊缝的两个正对方向（顺时针和逆时针）进行周向扫查。接管与筒体的连接焊缝是插入容器筒体内的插入式焊缝，形成了马鞍面的外形，焊缝厚度也较厚（300mm左右）。由于结构的关系，在对接管与筒体的连接焊缝的检查中，将扫查分为从接管内侧进行检查和从筒体侧进行检查。从接管内侧的检查为对焊缝的轴向检查。从筒体侧进行的检查为对焊缝的周向检查，该检查方式为探头声束沿着焊缝的长度方向（即焊缝的切向）移动扫查，简称切向扫查。这两种扫查方式，在选择探头时，探头的角度和形式也所不同，见表1。接管交贯面及其附加段区域则采用周向扫查（两个方向）的方式。内壁堆焊层的检查采用轴向扫查和周向扫查（共四个方向）的方式。
(3) 扫查探头的布置
60
0
45
70
45
70
60
45
A
B
图2 筒体环焊缝轴向扫查探头布置图

由于对每一个检查部位的检测都采用了多探头多方向的方式，同时为减少占用核反应堆压力容器的时间，并减少多次检查的风险性，在实施超声检测时，采用多探头同时进行检测的方式。因此对于每一个检查对象将尽量把所有探头安装在一起同时扫查。在安排扫查探头时，同时也考虑减小扫查范围，提高检查效率。以筒体环焊缝轴向扫查为例，将8个探头同时安装在一个托盘上，在托盘一次扫查后，这8个探头都可以完成扫查。具体扫查时，将扫查距离较长的60°探头放在外侧，而把扫查距离相对较短的45°探头放在内侧。具体探头的布置见图2。其它检查部位的探头安排将按照类似的方式进行排列。
(4) 标定
在反应堆压力容器检查过程中，包含基准灵敏度标定和检查过程中的灵敏度校核标定。基准灵敏的标定是在相应的对比试块上进行。在检查过程中，要求对整个超声系统稳定性进行检验，以确定其灵敏度的有效性。每次检查开始前和每次检查结束后，以及每次检查开始后每间隔12小时（或更少时间），均需对每一个探头进行灵敏度的校核。在使用专用机械工具的检查过程中，为了不使整个检查探头从容器内取出来进行灵敏度校核，灵敏度的校核是在专用二次标定试块上进行的。利用二次标定试块，将每一个探头灵敏度转移到二次标定试块的反射体的灵敏度上。对系统的校核，即转移到二次标定试块中反射体的灵敏度的校核。专用二次标定试块一般固定在水下容器内或容器附近。在二次标定试块上可以对托盘上的每一个探头进行灵敏度校核。
(5) 超声仪
对核反应堆压力容器超声检查，采用多通道超声波检测系统，该检测系统由超声检测仪、超声数据采集软件和超声数据分析软件组成。超声检测仪至少含有12个独立通道。超声仪应具有较强的抗干扰能力，以及较高的数模转换率。超声仪与探头能有较好的匹配，有较大的带宽。采集和分析软件应有较强的功能，它能实时显示A/B/C/D-SCAN、动态显示、多显示组合，并具有辅助定量测量功能。
(6) 缺陷的检测与定量
在整个检测技术中，对每一个检查部件，都存在针对缺陷的检测和定量的检测技术。缺陷的检测是指以发现缺陷信号为主，也称缺陷的检出。缺陷的定量是指对缺陷的长度和自身高度的测量。在检测探头中，都有指定分别用作检测和定量的探头。根据被检出的缺陷的位置和特点，对于一些部件，检测探头和定量探头可以是同一个探头，如筒体环焊缝中，45°单晶横波探头即作为内部区域间测试的检测探头，也作为内部区域缺陷的定量探头。而对于一些部件，则有专用的检测探头和定量探头。
在在役检查中，按照规范的要求，对缺陷的定量一般采用-6dB的方法进行测量。而目前，针对在役检查时所发现的缺陷特点，而主要考虑缺陷为面状缺陷。对这种面状缺陷多采用尖端衍射法对缺陷进行自身高度定量。因此，在检测过程中时，缺陷的检出与缺陷的定量一般采用不同检测灵敏度。在定量中采用较高的灵敏度有利于发现面状缺陷的尖端衍射信号。
以检测堆焊层下缺陷为例，由于堆焊层下缺陷处于近表面，缺陷的检出采用70°双晶纵波探头。70°探头角度大，同时双晶纵波探头可以克服不锈钢堆焊层的声束衰减，易于发现近表面的缺陷。在对堆焊层下缺陷的定量时，则采用45°双晶纵波探头。45°探头在堆焊层下角度扭曲较小，水平线性准确，尖端信号分辨率高，便于缺陷自身高度的精确测量。图3 是采用70°探头和45°探头对同一缺陷检测Bscan图示。图中可以明显看出，70°探头发现缺陷的信号较为强烈，45°探头能明显分辨缺陷的尖端信号。
70°探头扫查结果
45°探头扫查结果
图3 对堆焊层下缺陷70°探头与45°探头扫查结果对比

4. 结束语
核反应堆压力容器的超声检测技术是一个比较复杂的检测技术。该技术必须综合考虑不同检测对象的特征和检测实施方式来制定超声检测技术。检查技术具体体现在具体探头参数的选择、检测方式、探头的布置排列、应用实施、缺陷的检测和定量、信号的采集和分析等方面。在综合考虑这些因素的情况下，形成有效的核反应堆压力容器超声波检测技术。采用该检测技术，在对核反应堆压力容器的检测中得到了很好的应用。

参考文献
[1] 全国锅炉压力容器无损检测人员资格考核委员会组织编写 《超声波探伤》 中国锅炉压力容器安全杂志社 1995年
[2] 美国ASME规范第V卷，第XI卷 2004年版