核电厂接管内圆角超声检查技术

核电厂接管内圆角超声检查技术
周路生;邹斌;常楠
【摘要】核电厂在役检查时需对核岛关键设备如反应堆压力容器、蒸汽发生器等接管内圆角区域进行超声检查以发现可能存在的缺陷.由于接管复杂的几何形状,内圆角区域的超声检查一直以来就是检测技术难点.结合AMSE规范的相关要求,介绍了接管内圆角内外壁检查技术,并结合接管内圆角超声检查技术开发的试验研究情况,得出使用特定角度参数型号探头进行定位、定量,采用模拟仿真软件进行建模辅助分析,根据不同堆型及实际情况使用其它检测方法进行检测.
【期刊名称】《无损检测》
【年(卷),期】2014(036)006
【总页数】4页(P10-13)
【关键词】在役检查;接管内圆角;超声检查;核电厂
【作者】周路生;邹斌;常楠
【作者单位】国核电站运行服务技术有限公司,上海200233;国核电站运行服务技术有限公司,上海200233;国核电站运行服务技术有限公司,上海200233
【正文语种】中文
【中图分类】TG115.28;TB553
核电厂反应堆压力容器及蒸汽发生器等一回路主设备长期处于高压、高温、高辐射环境下运行，由于设备的接管内圆角区域热应力以及压力波动等作用下，该区域其
机械加工和材料缺陷容易出现应力腐蚀裂纹或堆焊层表面损伤。

国外电厂在蒸发器一次侧接管内圆角区域曾经发现过裂纹，大亚湾核电厂1、2号机组停堆大修时也在反应堆压力容器出口接管不锈钢堆焊层上发现深度1.27mm的表面损伤痕迹［1］。

依据标准规范和国内外的研究成果，采用三维弹性断裂力学有限元和ANSYS程序对反应堆压力容器接管嘴内圆角进行分析计算评价［2］，包括应力计算、应力强度因子、疲劳裂纹扩展分析等。

分析结果表明接管内圆角区域由于结构、载荷复杂，且长期处于应力集中的工况，因而有必要定期进行检查、监督，确保一回路压力边界的完整性，而采用超声波检查是在役检查阶段接管内圆角主要的检查方式。

1 ASME规范要求及案例
1.1 ASME规范
ASME规范（1998版和1999至2000补遗）XI卷详细地规定了接管内圆角的检验要求、方法和检验区域范围［3］。

B分卷IWB－2500要求对一回路主设备的
接管内圆角进行体积检查，检验区域具体为接管母材往下12.7mm（不包括堆焊
层厚度），接管过渡圆弧至容器壁厚，如图1中所示的M－N－O－P区域。

C分卷IWC－2500规定了核2级设备接管内圆角的检验范围，具体为接管圆弧过渡区域45°切角，母材深度不小于12.7mm或圆弧半径r（取大者），如图2中所示的G－H区域。

图1 核1级设备接管内圆角检验区域示意图
另外，XI卷的强制性附录VIII补充5详细规定了接管管座内圆角超声检验验证的
要求，包括探伤、定量能力验证试样的外形尺寸、人工缺陷设置等详细要求。

只有通过强制性附录VIII补充5超声检验能力验证要求的检查技术方能在核电厂使用。

图2 核2级设备接管内圆角检验区域示意图
1.2 ASME规范案例N－552－1
ASME规范案例N－552－1是ASME协会在2012年6月22日颁布实施，全称为“从外壁进行接管内圆角区域检查能力验证的另一种方法，XI卷第一部分”。

该案例是XI卷中强制性附录VIII补充5的替代性要求，国外接管内圆角超声检验能力验证目前主要参照N－552－1进行。

相比强制性附录补充5而言，N－552
－1对以下几个方面作了更为明确的规定。

（1）能力验证程序：至少应包括仿真模型、最大的检测声程、取向角等关键参数。

（2）验证试样要求：规定了接管模拟体的形式、材质、人工伤分布位置和区域。

（3）能力验证过程：应详细规定扫查面、盲测试验及检验程序的验证、人员能力验证要求等。

（4）验收标准：检验程序对缺陷检出、缺陷定量试验的检验能力及人员对缺陷的判断分析能力。

（5）现场检查：根据不同的接管结构，采用仿真模型对检验区域的覆盖率、取向角、检验声程进行计算，确认是否有与能力验证程序的适用范围不一致的情况。

2 超声检查技术
根据可接近的方式不同，接管内圆角检查主要可以分为内壁和外壁检查，由于接管复杂的几何结构形式，外壁检查技术较内壁检查技术复杂，在满足可达性的条件下一般优先选择从接管内壁检查的方式。

在役检查时，对于反应堆压力容器、蒸汽发生器等设备接管位于高剂量区，通常采用多自由度机械手或扫查装置携带探头进行自动扫查，事后离线数据分析。

2.1 内壁检查技术
内壁检查是超声探头从接管交贯面和接管孔表面进行检测。

将以反应堆压力容器进口接管内圆角为例，从校准试块设计、探头选择等方面介绍内壁检查技术。

2.1.1 校准试块
校准试块主要按照ASME规范进行设计，采用月牙切槽作为参考反射体，切槽深
度为2.5%ts（ts为封头或壳体厚度），槽深不包括堆焊层厚度，校准试块的扫查
面应与接管内圆角圆弧一致，如图3所示。

图3 RPV进口接管内圆角校准试块示意图
2.1.2 超声探头
内圆角检查超声探头分为缺陷检出和定量探头。

缺陷检出采用折射角70°的双晶纵波聚焦探头，主要用于缺陷的定位和判断缺陷是否为表面开口性缺陷。

定量探头采用折射角45°的双晶纵波聚集探头，主要用于缺陷的长度和高度测量。

探头的晶片及外壳尺寸应根据圆弧扫查面的曲率半径进行选择，扫查过程中探头应与扫查面耦合良好。

2.1.3 扫查方式
在役检查时，接管内圆角仅进行周向正反两个方向扫查，不进行轴向扫查，其主要原因为接管内圆角检验区域的缺陷类型为一回路冷却剂的冲刷造成的应力腐蚀裂纹，缺陷的生长方向沿着接管的质介流动方向。

2.2 外壁检查技术
受接管复杂的几何形状限制，接管内圆角外壁检查需要借助模拟仿真软件建立接管模型确定探头的声束方向、偏斜角和检查覆盖率。

模拟仿真结果应在验证试验模拟体上进行缺陷检测，验证仿真结果的可靠性。

2.2.1 接管建模
在三维模拟仿真软件输入被检接管的主要参数，如接管内外半径、内圆过渡圆弧半径Rbi、外壁弧面半径Rbo等建立接管的模型，如图4所示。

图4 接管模型关键参数
2.2.2 模拟仿真
在三维仿真软件的接管模型的内圆角检验区域中按照XI卷附录VIII补充5或N－552－1的要求设置人工反射体，通过对人工缺陷的声束模拟仿真，确认探头对人
工缺陷的响应情况及覆盖范围，并同时可根据缺陷响应对探头的参数进行修改，声束模拟仿真图如图5所示。

2.2.3 超声检查技术
图5 接管模型声束仿真图
目前，应用于接管内圆角超声检查主要有常规检查方法和相控阵检查方法。

常规超声是目前普遍采用的方法，但由于接管的复杂形状，为了实现检验区域的全范围覆盖，缺陷的检出和定量将需要多种不同型号的探头。

表1和表2［4］分别为EPRI 某一类型接管模拟体所采用超声检出和定量探头。

为了提高通用性，超声探头一般采用可拆卸式直探头安装在有机玻璃楔块上获得所需的横波，探头结构型式如图6所示。

图6 接管内圆角外壁超声探头
表1 接管模拟体R171P检出探头列表探头角度／（°）偏斜角／（°）扫查面楔块曲率波型70±23外壁圆弧77.7mm 横波70±27容器筒壁平面横波
表2 接管模拟体R171P定量探头列表探头角度／（°）偏斜角／（°）扫查面楔块曲率／mm 波型70±19外壁圆弧77.7横波55±22外壁圆弧77.7横波25±90外壁圆弧77.7横波35±120外壁圆弧77.7横波
利用超声相控阵探头可实现角度偏转角、深度聚焦和扇形扫查的独特优势，相控阵检查较常规超声可大幅提高检测效率，有效地减少检查人员所受的辐射剂量。

据相关技术文件资料，西班牙Tecnatom公司在2003年已经采用超声相控阵自动检查技术用于接管内圆角外壁检查。

超声相控阵探头一般采用频率为2MHz的二维面阵探头［5］，晶片阵元不少于32个，探头楔块激发至少应在25°～70°之间，偏转角不小于±25°。

2.2.4 试验验证
通过模拟仿真软件获得的超声外壁检查技术最终应在验证模拟体上验证技术的有效
性。

图7为国外某一类型的接管内圆角模拟体试块，缺陷反射体均采用轴向切槽，深度最大为12.7mm。

按照仿真软件输入的扫查计划对模拟上的反射体进行检测，并根据实际的检测效果对仿真结果进行修正。

图7 接管内圆角验证试样模拟体
3 试验检测技术开发
笔者团队在接管内圆角超声检查技术的研究开发做了很多工作，针对不同的检验对象开发了不同的检查技术。

比如，针对AP1000反应堆压力容器进出口接管内圆
角开发ROSA五轴机械手携带检出和定量探头的内壁自动检查技术。

针对蒸发器
二次给水接管内圆角、CMT接管内圆角和PRHR接管内圆角，采用SolidWorks
和CIVA三维仿真软件开发的接管内圆角外壁检查技术在试块获得较好的检测效果。

图8为SG二次侧给水接管内圆角SolidWorks软件模拟仿真示意图。

目前，正进行采用CIVA软件结合Dynaray相控阵仪器及Ultravision3软件进行接管内圆角
相控阵外壁超声检测技术的试验研究和开发工作。

4 结语
（1）内壁超声检查技术主要采用70°检出和45°定量双晶纵波超声探头，缺陷的
定位和定量较容易实现。

图8 SG二次侧接管内圆角模型仿真图
（2）外壁超声检查技术的开发难度大，需要采用模拟仿真软件进行建模，常规超声检查需要大量的探头分区域才能对检验区域进行有效覆盖。

另外，在对接管模拟体进行检测试验发现，检测过程中发现缺陷的定位、定量难度很大，需要通过仿真软件辅助进行。

（3）接管内圆角超声扫查手动方式较难实现，容易产生漏检，通常采用自动检查系统性，检验单位需要较高的科研开发能力。

国外近几十年的检查结果表明，接管内圆角区域的缺陷出现仅限于某些堆型的核电
厂。

此外，随着金属材料的改进，其抗应力腐蚀的能力越来越好，在不久将来，核电厂某些设备的接管内圆角的体积检查或将采用目视检查替代。

比如，针对
AP1000反应堆压力容器进出口接管内圆角，美国西屋公司相关的技术规范文件已经向NRC申请采用增强目视替代超声检查。

参考文献：
［1］孙学英，郑斌，藏峰刚.反应堆压力容器出口接管管嘴缺陷断裂力学分析［J］.核动力工程，2009，30（4）：21－22.
［2］郑斌，藏峰刚.反应堆压力容器接管管嘴区域的三维弹性断裂力学有限元分析［J］.核动力工程，2006（10）：153－154.
［3］ASME规范XI卷［S］.1998版（1999至2000补遗）
［4］DENNIS M，MACDONALD D，ABOOTT J.Nondestructive evaluation：conventional nozzle Inner radius generic procedure and modeling process ［J］.EPRI，2006（11）：17－36.
［5］GARCIA A，PEREZ C，Nozzle inspection using phased array technology［J］.Tecnatom Spain，2005（2）：2－6.。