核反应堆压力容器自动超声检测幻象波成因分析及消除方法

2020-01-01

压力容器 2019年11期

(中核武汉核电运行技术股份有限公司，武汉 430223)

0 引言

反应堆压力容器是核动力装置中核心和关键的主设备，长期在高温、高压、高辐照等特殊环境下工作，易形成裂纹、腐蚀、疲劳损伤，是核电站主设备中主要的受力易损组件，属ASME规范、RSE-M规范要求的必检部件[1-2]。定期对反应堆压力容器进行无损检测，对及时发现焊缝产生的危险性缺陷、确保核反应堆的安全运行有重大意义。

采用自动超声检测技术对反应堆压力容器进行检测是实施在役检查的最佳途径。反应堆压力容器由法兰、上筒体、下筒体、底封头、进水口和出水口组成[3]，结构如图1所示。目前，针对不同的检查部位均有相应的超声检验技术，如反应堆压力容器焊缝的超声检测及验证[4]、反应堆压力容器接管安全端异种金属焊缝超声检测[5]、反应堆压力容器接管内圆角区超声检测[6]、反应堆压力容器接管内圆角区超声检测[7]等。在整个反应堆压力容器超声检测中，筒体焊缝检验工作量占总工作量的40%左右。在检验过程中，经常会产生一种类似于缺陷反射的波，但经过核实后既不是缺陷波，也不是各类变形波，而是一种由于容器结构变化及设备等综合因素造成的幻象波，俗称幽灵波或鬼波[8]，如图2所示。由于幻象波的存在，给缺陷的判定带来很大困难，甚至需要重新设定参数进行重扫，加大了现场检验工作量，降低了检验效率。本文针对该类现象进行分析与研究，总结自动扫查中引起幻象波的原因，得出存在结构回波下重复频率计算方法和幻象波位置计算方法，并结合实例对该方法进行验证，证明利用该方法合理设置检测参数能有效避免幻象波的出现，提高超声数据质量和现场检验效率。

图1 反应堆压力容器结构示意

图2 筒体自动超声检测幻象波示意

1 反应堆压力容器自动超声检测幻象波产生原因

在反应堆压力容器自动超声检测中，易产生结构回波引起的幻象波主要是由于以下3个原因形成的。

(1)重复频率过高。超声检测重复频率指同步脉冲在每秒钟出现的次数，即单位时间内向被检测工件发射超声脉冲的次数。如果重复频率较高时，会使没有被充分衰减的多次反射信号落入下一个扫查周期内，形成幻象波，对信号的判断产生干扰。

(2)反应堆压力容器材质晶粒度细。从超声检测的角度，工件内部缺陷和杂质越少，晶粒度越细，衰减系数越小，如果在下一个扫描开始之前，多次反射波尚未完全衰减，则容易产生幻象波。反应堆压力容器材料为低合金碳钢，其晶粒度细、衰减小，在超声检测时，更容易产生幻象波。

(3)检验灵敏度很高。反应堆压力容器检测所使用的探头为0°直探头，45°和60°横波斜探头；各探头需利用试块上不同深度的∅2 mm横通孔设置基准灵敏度；然后再增益12 dB以上作为检验时的灵敏度；此时增益值很大，容易产生幻象波。

在反应堆压力容器自动检查中，易产生幻象波干扰的区域和容器上的附属结构的位置一致。自动超声检测仪器的可设置的参数有重复频率、信号平均值、通道激发顺序等。在实际扫查中，改变重复频率值可有效消除幻象波的干扰。

2 反应堆压力容器自动超声检测重复频率计算和位置分析

2.1 超声检测重复频率计算

在自动超声检测中，重复频率的设置十分重要。为了实现高速扫查并且保证缺陷不漏检，需要设置较高的重复频率。但是，重复频率设置过高会使两次脉冲间隔时间变短，有可能使未充分衰减的回波进入下一个脉冲周期，形成幻象波，造成干扰[9]。

超声检测的重复频率一般要求如下：

C/2S≥PRF≥kv/D

(1)

式中C——材料声速，mm/s；

S——结构回波位置，mm；

v——探头扫查速度，mm/s；

PRF——重复频率，Hz；

D——探头平行于扫查方向上经过的距离，mm；

k——探头在该扫查距离上触发的脉冲次数。

2.2 幻象波计算

在超声检测时，工件中存在传播时间t1大于相邻脉冲激发时间t(t=1/F)的回波信号，F为仪器设定重复频率值，如图3所示。

图3 幻象波计算原理示意

传播时间：

t1=2S/C

(2)

回波信号接收后已经过的多个完整的脉冲周期时间t2(INT为向下取整函数)：

t2=INT(t1/t)·t

(3)

最后一次脉冲激发后，接收到回波信号的时间Δt：

Δt=t1-t2

(4)

可得此回波信号位于屏幕的位置P(半声程)：

P=ΔtC/2

(5)

经过上述公式，可根据回波信号位置计算出工件中的最大重复频率和幻象波的位置，指导检查人员设置合理的自动超声检测参数。

2.3 试验验证

2.3.1 工件及仪器

采用和压力容器材质一致的试块，试块厚度92 mm，长度587 mm。仪器为DYNARAY多通道超声仪；配套软件为Ultravision；探头为0°直探头、45°和60°横波斜探头。

2.3.2 试验方法

通过移动45°和60°横波斜探头寻找试块多次底面反射达到端角后的回波信号来模拟实际检测时遇到的结构回波信号，原理如图4所示，记录端角回波信号的显示位置和幅值。0°探头以底面反射回波次数来确定，以第一次回波幅值为80%时，选取多次底面反射后幅值为20%以下的回波信号进行记录。

图4 试验原理示意

设置不同的重复频率，对幻象波的位置和幅值进行记录，典型的幻象波如图5所示。

图5 0°,45°和60°探头不同重复频率下的波形

将试验所得结果进行分析，并按照最大允许重复频率公式和幻象波位置公式来进行验证，结果如表1所示。

表1 0°，45°和60°探头不同重复频率对比

通过以上试验结果分析对比可知：

(1)当重复频率小于最大重复频率时，不出现幻象波；重复频率大于等于最大重复频率时，会出现幻象波；

(2)幻象波的位置随着重复频率的改变而改变，其幅值无显著变化；

(3)幻象波的位置可以根据结构回波显示的位置进行计算，幻象波理论计算位置与试验实测结果一致。

3 实际案例及分析

考虑到由于探头角度、表面堆焊层等状况，无法精确确定实际结构回波位置，为了便于现场检查，可提前经过理论计算，得出建议的最大重复频率值。具体实施方式为通过预定的探头扫查起始点到结构变化的位置来计算各探头声束在第几次反射后收到结构回波，得出各探头在完整回波次数下的理论结构回波位置，以此计算出在扫查该焊缝时应设置的最大重复频率。

图6 法兰段筒体焊缝结构示意

以某电站反应堆压力容器法兰段筒体焊缝为例，法兰段焊缝下方存在接管，其结构会产生较强的回波信号，容易在检测过程中产生幻象波，通过结构图可得出探头的扫查起点到结构变化的距离，如图6所示。以此距离进行计算得出45°和60°探头声束在内壁多次反射后收到结构回波位置，0°探头选取多次底面反射后幅值为20%以下的回波信号作为结构回波，根据幻象波允许的最大重复频率公式得出各探头在此焊缝扫查时建议的重复频率值，如表2所示。