王飞
（山东核电有限公司，烟台，265116）
摘 要：摘要：AP1000核电自主化项目CAS压合口测长的技术背景。压合口超声波测长的技术难点分析、工艺原理、工艺参数、工艺要点。压合口超声波测长技术在AP1000依托化项目的实际应用情况。
关键词：AP1000、核电、压合管、超声波、测长技术
1技术背景
AP1000核电简介
AP1000是第三代百万千瓦级先进压水堆核电站，由西屋公司设计，浙江三门核电1、2号机组和山东海阳核电1、2号机组是世界上首批AP1000建造机组，是我国AP1000核电自主化依托项目。
1.1压合管简介
AP1000核电核岛压空系统（CAS)管线采用压合管工艺，压合管管件为薄壁、小直径、奥氏体不锈钢，由美国维特利公司生产提供。压合口是通过专用压合工具使管件产生塑性变形实现锁合（图1），如插入深度不足，压合管件不能产生有效的锁合塑性变形，在轴向拉力作用下就会脱口。相比焊接的安装工艺，压合工艺具有安装便捷、工效高、无需动火等优点，具有良好的应用前景。维特利压合管有应用于燃气管线的工程业绩，国内核电站上是首次应用此工艺。
图1：标准管件插入后剖面图
1.2 问题提出
2014年7月上旬，某核电厂1号机组已运行的压空系统（CAS）压合管发生3次脱口事件，经分析认为爆管的根本原因是压合管的插入长度不足，决定对已安装完成2880个接口采用射线胶片照相技术（以下简称RT）进行100%检查。
2014年8月8日，海阳核电项目根据某电厂的经验反馈，也决定对1#、2#机组之前已安装的3210个压合口采用RT进行100%检查。海阳施工单位分析评估认为，即便不考虑脚手架搭设影响，RT检查的绝对工期也需要150天，8月9、10日两天RT检查了29道口，且约有300个压合口因空间受限RT无法检查。如采用RT检查工作将严重制约CAS系统的移交与调试进度，而且由于RT检查存在射线辐射防护问题，也将对正处于安装高峰期的1号机组的其它工程进度造成重大影响。
2 技术介绍
2.1 技术难点分析
压合口是非原子结合，固-固界面，塑性变型产生曲面的曲率半径数倍于波长。超声技术理论上可行，但是运用超声波测长存在以下技术难点：
(1) 压合管材质为SA312TP304L、SA312TP316L奥氏体不锈钢，奥氏体不锈钢晶粒粗大，超声波传播衰减大，信燥比低，超声波运用困难。
(2) 压合管是薄壁小径管（最小为φ33.4×1.65）,管径小，曲率半径小，超声波探头耦合差，壁薄，杂波多，鉴别验证产生单一有效波型困难。
(3) 由于压合管在压合过程中产生塑性变形，超声波沿曲线传播。
(4) 变径管的检查，超声波传播需经过变截面。
工艺原理
超声波是频率大于20000Hz的机械波，根据传播时介质质点的振动方向相对于波的传播方向的不同，超声波可分为纵波、横波、板波和表面波等。
超声波测长的基本原理：超声检测仪器产生高频脉冲电信号通过换能器（探头）压电晶片逆压电效应将电信号转变为超声纵波，纵波传播至压合管与探头界面，在入射角大于或等于第二临界角情况下，纵波转换为表面波传播，表面波沿被检压合管表面传播至压合管端部时发生反射，反射的表面波原路返回，在压合管与探头界面转换为纵波，压电晶片压电效应将纵波变为电信号，检测仪器将收到的信号转化处理为可视波形图，通过试块调校检测系统扫描速度（调整“零偏”、“声速”），使波形的时基坐标与超声波的传播声程存在线性关系，数字仪器可显示表面波在被检工件传播距离并存储波形图，从而实现压合管插入长度的测量。
2.3 参数选择
2.3.1换能器（探头）选择
横波、纵波探头不适于此薄壁工件测长。表面波探头频率越高超声波衰减越大，易出现林状回波；压合管材质奥氏体不锈钢，晶粒粗大，超声波传播衰减大，频率低，指向性差、分辨力低。
压合管厚度小于2倍波长时，表面波衰减显著增加。
压合管是小径管，为了保证耦合效果，宜选用小晶片探头。
探头不产生影响测长的板波、横波。
综合考虑选择定制5MHz 8×12 62°（2寸管用）、2.5MHz 6×8 62°（1寸管用）两种表面波探头。
2.3.2试块选择
试块主要用于调校检测系统扫描速度，为了减少测量误差，试块选用被检工件同规格、材质的压合管管段。
2.3.3仪器选择
仪器要求可存储波形图、数字显示、操作简单、水平线性误差不大于±1%，选择汉威HS610e数字式超声波检测仪。
2.3.4耦合剂选择
压合管材质为奥氏体不锈钢，耦合剂需控制氯、氟离子浓度不大于100PPM，选择奥氏体不锈钢专用超声波检测耦合剂。
2.3.5系统调校
调校扫描比例对保证测量数据准确性极其关键，表面波检测调校有别于常用的纵波、横波检测的调校，调校扫描速度是系统调校的重点及难点。笔者通过多次试验，总结出一套简单、可靠的调校方法，经在试块上验证按此方法调校，60mm长度范围内测量偏差不大于0.5mm。
2.4 工艺验证
按2.3工艺参数，在实际压合管上进行工艺验证，验证表明，重复测量偏差不大于0.2mm，可直接读取压合管插入长度值，且可存储检测波形图（图2），此工艺操作简单可靠；检查效率非常高，检查1个口只需要几秒钟。
为了进行UT代替RT的可行性分析，选取现场已RT检查的6个压合口，采用UT工艺进行了对比检查。
两种方法测量数据最大相差0.7mm，此偏差对压合管测长是可接受的，且RT存在影像“畸变、失真、放大”等固有不足（图3）。
图3：RT底片畸变照片
2.5 工艺操作要点
（1）每个口周向测4次（每隔90°测1次），以最小值为准。
（2）为了减少测量累积误差，在可能情况下，探头前沿应紧靠压合口管件进行测量，仪器显示数值即为插入长度值。
（3）测试时应避免探头前端耦合剂影响表面波传播。
（4）每个检测班次后进行检测系统扫描速度校验，如60mm测长范围内偏差大于± 0.5mm,对此班次所测管口进行重新测量。
（5）每个口均记录波形图备监督复查， 不合格口返修前须再次UT复查。
2.6超声波测长技术主要优点及特点
（1）工效高
UT检查工序简单，1个压合口约10秒；RT工序繁多，RT平均每个口拍片需20分钟。
（2）测长误差小
UT检测仪器水平线性误差不大于1%，测长误差±0.5mm；RT底片影像是三维物体的二维投影，影像会产生扩大、畸变现象，导致影像“失真”，因此会产生较大测长误差。
（3）可靠性高
UT操作非常简单，仪器可直接显示压合口插入长度数值，对操作人员技能要求不高，每个班前、班后进行系统校验并记录，可较好保证检测可靠性。
（4）环境友好
UT对环境无影响，不影响其它工程施工，探头可达管口表面即可满足检查空间要求（海阳项目仅有6个无法检测）；RT对检查空间要求较高（海阳项目约有300个无法检测），过程存在辐射伤害、暗室处理药水污染等环境问题，且影响其它工程施工进度。
（5）重现性好
采用汉威HS610e数字式超声波探伤仪，检测波形可存储备查，重复检查验证非常方便。
3. 技术运用情况
此项技术已在三代核电AP1000依托化项目CAS压合口测长排查中得到实施运用，及时解决了工程实际技术难题，取得了良好效益。
3.1 海阳核电项目运用情况
海阳核电1号机组排查压合口工2872个，发现不合格口68个，2号机组需排查压合口 159个，发现不合格口8个，不合口返修解体证实超声表面波测长数据准确可靠。取得主要效益如下：
（1）提高了压合管排查工效10余倍，减少海阳核电压合管排查工期约4个月，有效缓解海阳项目系统移交、及调试的进度压力。
（2）消除压合管RT排查辐射防护对其它安装工作的影响，对保证海阳项目整体进度起到一定作用。
（3）减少约300个压合口返工（返工1个压合口，需平均新增加6个压合口数量），节约材料、施工费用约300万元。
（4）降低直接排查成本约30万元，同时减少大量脚手架搭设工作。
3.2 其它核电项目运用情况
某核电项目之前采用RT排查，约有1200道口RT排查困难，2014年8月25日，根据海阳核电项目反馈，也已采用UT代替RT进行剩余压合口的排查，同样取得良好效益。
4．结语
核电压合口超声波测长技术，针对核电工程现场压合口测长的实际困难，通过解决探头选择、仪器选择、试块选择、超声波曲面传播、波型鉴别、系统调校、误差分析、重现性评估、变径管压合口检查、工艺验证、可靠性分析等关键技术难题，将超声波技术巧妙地应用于压合口测长，及时解决了AP1000依托化项目建造中的技术难题，取得了显著效益，为依托化项目建造作出了贡献。
核电技术压合口超声波测长技术具有工效高、误差小、可靠性高、环境友好、重现性好、费用低等显著优点，可替代之前射线胶片测长技术推广应用于压合管施工的质量检查，在其它相关领域也有很好的推广应用价值
参考文献
[1] 全国锅炉压力无损检测编委会 《超声波探伤》
[2] 在役轧辊表面波检测裂纹深度的判定 无损检测 2011.11 张常树
论文作者:王飞
论文发表刊物:《电力设备》2015年7期供稿
论文发表时间:2016/2/16
标签：核电论文; 超声波论文; 海阳论文; 表面波论文; 调校论文; 纵波论文; 技术论文; 《电力设备》2015年7期供稿论文;