朱从斌，李茂宇，王建军

(1.中广核工程有限公司， 深圳 518124；2.烟台台海玛努尔核电设备股份有限公司， 烟台 264003)



压水堆冷却剂系统离心铸造管射线检测晶间衍射影像验证

朱从斌1，李茂宇2，王建军2

(1.中广核工程有限公司， 深圳 518124；2.烟台台海玛努尔核电设备股份有限公司， 烟台 264003)

对CPR1000压水堆冷却剂系统离心铸造管进行射线检测时，在底片上发现大面积黑白相间、边缘分界不清晰、没有规律性的不规则斑纹状或斑状的疑似缺陷影像显示。通过各种物理化学和无损检测方法对影像进行排除和验证，并与铸件典型缺陷图谱中的缺陷影像进行比较，判定其属于晶间衍射产生的非缺陷类影像显示，并进行了形成机理的分析。

离心铸造管；射线检测；影像显示；晶间衍射

CPR1000压水堆冷却剂系统管路中的离心铸造直管(壁厚70 mm)，是防止带有核放射性物质的流体介质扩散外逸，保障核电厂一回路安全运行的核一级部件。依据RCC-M《压水堆核岛机械设备设计和建造规则》标准零部件采购技术规范M3406《用不含钼的铬镍奥氏体-铁素体不锈钢制造的离心浇注管——用于压水堆冷却剂系统管道》及设计技术文件的要求，应对离心铸造管进行全体积100%射线检测，其中离心铸造直管两端焊接端距最终标定线至少120 mm范围内强制要求采用192Ir进行检测，其他部位可采用60Co进行检测，依据ASTM E186静态铸造标准图谱底片进行评价[1-2]。笔者通过各种物理化学和无损检测方法对影像进行验证，并进行了形成机理的分析。

1　疑似缺陷影像描述

为了验证离心铸造直管的质量及评估两端最终的切除量，一般先进行全体积60Co射线检测，60Co底片并未发现可记录的缺陷或疑似的缺陷影像，但对两端部的120 mm焊接端范围内进行192Ir单壁内透照补充检测时，发现整个圆周方向上的底片均存在大面积可识别的黑度不均匀，边缘分界不清晰，没有规律性的斑纹状、斑状或纤维状，黑白相间、整体类似不规则网格的疑似缺陷影像显示，如图1所示。

图1　晶间衍射显示照片

针对直管底片出现的疑似缺陷影像，与ASTM E186和E446标准[3]的192Ir图谱底片典型缺陷影像进行了对比和分析，192Ir图谱底片典型缺陷影像如图2～3所示。图2为ASTM E186标准(51～114 mm)的典型缺陷类型A～F[2]，其中图2(a)为A气孔：孤立或成群，轮廓光滑，黑度较大影像；图2(b)为B夹杂：颗粒状或片状，轮廓清晰，影像整体不规则，黑度具有颗粒状特征；图2(c)为CA收缩

类缺陷：条纹或纤维状，轮廓不清晰或清晰，影像与周围对比明显；图2(d)为CB收缩类缺陷：树枝状，黑度一般较大，对比明显；图2(e)为CC收缩类缺陷：云雾状、细网纹或模糊暗斑，轮廓不清晰；图2(f)为D冷裂纹：平滑直线状或弯曲平滑线状；图2(g)为E热裂纹：不规则暗线，为波折状，有分叉；图2(h)为F内嵌物：影像轮廓清晰。离心铸造直管192Ir底片的影像特征与上述A～F类缺陷的影像存在很大的差异，因此，对ASTM E446(<51 mm)中G衍射影像标准图谱进行了分析，图3为ASTM E446(<51 mm)中G衍射影像：黑度不均匀，边缘分界不清晰，黑白相间，没有规律性的斑纹状或斑状。按照ASTM E186经验反馈，51～114 mm厚度底片不可能存在衍射斑现象，离心铸造直管刚好在这个范围之内。但是从ASTM E446(<51 mm)适当透照条件下产生的衍射影像特征可以看出，离心铸造直管192Ir底片的疑似缺陷影像特征与其非常类似。

图2　192Ir图谱底片典型缺陷影像(ASTM E186标准)

图3　G衍射影像(ASTM E446)

离心铸造芯筒的高速旋转过程中，在惯性力的作用下，金属结晶从铸件外表面向铸件内表面顺序进行，呈方向性结晶(外表面主要是柱状晶)，熔渣、气孔和夹杂物等主要集中于铸件内表层并被最终机加工去除，其他部分组织细密，一般不会出现气孔、收缩类和夹杂物等缺陷。而且由于离心铸造管是层状冷却，也基本不会出现厚度方向空间分布的收缩类缺陷。因此，从铸造工艺分析，底片上大面积存在的疑似缺陷影像为实际铸造缺陷的可能性不大。

2　工艺试验方案及试验结果

虽然离心铸造直管底片疑似缺陷影像与ASTM E186标准静态铸造典型缺陷影像特征存在较大差异，与ASTM E446标准的衍射影像类似。但由于铸造工艺不同，从核安全的角度，有必要进一步验证和分析，确定形成影像的原因和性质，排除为实际铸造缺陷的可能性。

图4　离心铸造直管45°倾角加工外观

图5　表面渗透检测照片

2.1破坏性试验验证分析对存在上述疑似缺陷影像显示严重的离心铸造直管端面进行45°倾角加工，然后对加工部位进行渗透检测，并从外圆表面向内每加工5 mm后逐层进行渗透检测，直至斜面去除完毕，均未发现任何可识别的缺陷显示，见图4～5，可以说明在工件内部沿轴向和厚度方向没有大面积的收缩类缺陷存在。2.2金相试验验证分析金相试验的目的是确认离心铸造直管存在上述严重疑似缺陷影像显示部位的金相组织形态是否正常。

取样方法及部位：对离心铸造直管端部用锯割方法进行破坏性取样，沿管子壁厚方向分别切取四个试验样块。对切取的试样用王水从不同方向、不同层次进行宏观腐蚀，观察其表面是否有明显的收缩类缺陷，然后再进行微观制样，观察其显微组织。

图6　离心铸造直管宏观金相照片

试样的宏观和微观金相组织均正常，没有发现较大的宏观偏析和收缩类缺陷，只是个别试样存在铸件上不可避免的极细小的金属夹杂物，试验结果见图6～7。

图7　离心铸造直管金相照片

金相试验结果也可以说明在工件内部沿轴向、圆周和厚度方向没有大面积的收缩类缺陷存在。

2.3不同角度的射线检测验证分析

对离心铸造直管上存在上述严重疑似缺陷影像显示的部位做好标记，采用192Ir射线源单壁内透照。第一次正对标记垂直透照，射线源平移100 mm后进行第二次透照，以不同角度透照两次的底片来验证疑似缺陷影像的变化。

第一次透照底片上疑似缺陷影像比较明显，黑白相间且形状不规则，分布无规律，放射源正对垂直部位的黑白相间影像较多，略倾斜方向较少，甚至没有出现此类显示；第二次透照底片也存在上述显示，影像位置、可识别的数量和轮廓上与第一次透照底片相比有了较大变化，正对垂直部位的黑白相间影像较多，略倾斜方向较少甚至没有出现此类显示的状况与第一次透照有相似规律，第一次透照出现较严重疑似缺陷影像的部位在第二张底片上较少。该试验说明疑似缺陷影像受射线角度的影响比较大。

2.4逐层去除柱状晶材料的射线检测验证分析

沿离心铸造直管端部壁厚方向进行了宏观金相试验，从金相照片上可以观察到从外壁向内部分别是柱状晶、混合晶和等轴晶区域，如图8所示。

图8　壁厚方向宏观金相照片

192Ir单壁内透照时，柱状晶位于胶片侧，底片出现上述疑似缺陷影像显示。根据第2.3节试验，该影像显示与透照角度的关系也比较明显，初步认为该疑似缺陷影像显示可能与离心铸造直管的柱状晶有关，在第2.1节试验的基础上补充了192Ir透照和偏移透照验证试验，结果如下：

(1) 进行全厚度单壁外透照(即柱状晶位于射线源侧时)试验，底片黑度均匀，没有发现类似的疑似缺陷影像。

(2) 加工5 mm后的透照底片，偏移试验结果与第2.3节试验一致，疑似缺陷影像明显减弱。

(3) 加工去除10 mm后的透照底片，已经没有了明显的疑似缺陷影像，底片黑度基本均匀。在此基础上，增大焦距和减小焦距透照，底片仍没有发现明显的疑似缺陷影像。

(4) 对加工掉10 mm柱状晶材料的离心铸造直管用X射线机再进行拍摄，仍然清晰可见黑白相间的影像;倾斜约10°进行拍摄，可以发现影像分布发生了较大变化。

(5) 截取两个试块，分别加工掉等轴晶和柱状晶部分，分别采用192Ir射线源进行透照。去除等轴晶的试块透照底片存在明显的疑似缺陷影像显示，去除柱状晶的试块透照底片黑度均匀细腻，未发现有类似的疑似影像存在。

以上试验可以充分说明疑似缺陷影像受晶粒大小(尤其是柱状晶)和射线能量的影响比较大;试验也更进一步说明经过混合晶和等轴晶区的过滤后，针对192Ir射线源，柱状晶对产生疑似缺陷影像的影响已经消失。

3　试验结果分析

(1) 从X射线、60Co和192Ir透照结果看出，去除柱状晶后的X射线检测仍发现疑似缺陷影像，该影像受射线能量和角度的影响很大，符合衍射显像特征。

(2) 从单独柱状晶透照、去除柱状晶后透照以及单壁内、外方式透照验证结果可以看出，该影像受晶粒尺寸大小以及不同晶粒占的比例和位置分布的影响很大，符合衍射现象特征。虽然ASTM E 186说明在70 mm内铸件不会出现衍射现象，但其是基于静态铸造工艺而言的，离心铸造独特的柱状晶分布和比例足以在射线检测时产生衍射现象。

(3) 该影像与ASTM E446衍射影像的特征可以进行类比，结合机加工解剖和渗透检测没有发现实际铸造缺陷的结果，也能间接证明该疑似影像是衍射现象产生的。

4　结语

不同的铸造工艺对应的晶粒类型和分布均存在差异，铸件晶粒比较粗大，射线底片容易出现晶间衍射现象，主要与晶体几何学和晶体入射辐射方向有关，制订铸件射线检测工艺和选择检测参数时应予以考虑。

晶间衍射现象是可以通过验证试验进行确认和排除的，并不会对射线底片实际的评估产生较大的不利影响，透照工艺的改变不会改变气孔、收缩类或其他非连续性的影像，但衍射影像的类型和分布会发生剧烈变化。

[1]RCC-M 2000Edition & addendum 2002 deign and construction rules for mechanical components of PWR nuclear islands [S].

[2]ASTM E 186-93Standardreference radiographs for heavy-walled (51 to 114 mm) steel castings[S].

[3]ASTM E 446-93Standard reference radiographs for steel castings up to 51 mm in thickness[S].

Verification of RT Crystal Diffraction Image of the Centrifugal Casting Tube for PWR Coolant System

ZHU Cong-bin1, LI Mao-yu2, WANG Jian-jun2

(1.China Nuclear Power Engineering Co., Ltd., Shenzhen 518124, China;2.Yantai Taihaimanuer Nuclear Equipment Co., Ltd., Yantai 264003, China)

On RT testing of centrifugal casting pipe of CPR1000 PWR coolant system, an image on the film with a large area of black and white, and with unclear edge boundary was found. The image was also characteristic of irregular patch or defect image. Through a variety of physical and chemical methods and non-destructive examination methods for exclusion and verification and by comparing it with the defect image of typical casting defect map, it was verified that the image was the non-defect image caused by the crystal diffraction, and following on its formation mechanism was analyzed.

Centrifugal casting tube; RT test; Image; Crystal diffraction

2016-01-08

朱从斌(1974-),男，高级工程师，主要从事无损检测技术研究和机械设备质量监督工作。

朱从斌， E-mail: congbinzhu@163.com。

10.11973/wsjc201609009

TG115.28

A

1000-6656(2016)09-0033-04