汽水分离再热器的无损检测方法研究

摘要：核电站用汽水分离再热器结构复杂，无损检测按英国国家标准和法国ALSTOM公司工程标准进行。本文对汽水分离再热器的无损检测做了全面的论述。 关键词：核电；汽水分离再热器；英国标准；无损检测 汽水分离再热器（MSR）为核电常规设备，由主壳体、新蒸汽换热器和乏蒸汽换热器组成，其无损检测按《BS 5500 非受火熔焊压力容器规范》第5 章“检查和试验”执行，该章规定了无损检测的应用范围、检测阶段、检测人员资格、焊缝的无损检测技术、检测方法的选择、检测报告的记录要求及无损检测发现的焊接缺陷的验收标准。焊缝的无损检测标准为英国标准：射线检测按BS 2600 及BS 2910，射线灵敏度的确定应依据BS 3911；超声波检测按BS 3923 第1 部分2B 级；磁粉检测按BS 6072；着色检测按BS 6443。由于英国标准的适用范围、仪器技术指标、检测参数、系统灵敏度、缺陷的判别及评定与ASME规范及JB 4730 标准有很大的差别，有许多技术难度，因此做了以下技术工作。 1 编制厂化规程 在翻译相应的英国标准及ALSTOM公司工程标准后，编制了用于汽水分离再热器的无损检测规程：HG-N100着色检验规程、HG-N201磁粉检验规程、HG-N302 钢熔化焊对接接头射线检验规程、HG-N405 碳锰钢和低合金钢全焊透接管/支管焊缝超声波规程、HG-N406 碳锰钢和低合金钢全焊透管材和钢板对接焊缝超声波规程、HG-N410 汽水分离再热器碟形封头/ 项盖/ 管板全焊透环缝超声波规程、HG-N411给水加热器和汽水分离再热器全焊透壳体/管板焊缝超声波规程、HG 181/0006 管板堆焊着色检测、HG /Q8.05032 汽水分离再热器管板堆焊超声波检验规程。 与ASME及《JB 4730 压力容器无损检测》不同，英国标准（BS）非常细化。例如射线检测技术标准为BS 2610、BS 2910，象质计及选择等级在BS 3971中，验收标准在BS 5500 表5.7（1）及表5.7（4）中，显得比较分散，因此在编制上述规程中，将每种检测方法所规定的技术要求有机地结合在一起，这样执行起来更方便。 2 射线检测 2.1 底片黑度 RT底片黑度要求严格，如ASME要求底片黑度范围为1.8 ~ 4.0，而HG-N302 要求为2.0 ~ 4.0 之间，其中2.0~ 3.0 最适宜，在焊缝余高保留的情况下，满足其要求非常困难，对整体照相工艺参数要求更严格。例如：在对T=6 mm 焊接工艺评定试板进行RT时发现，该焊缝余高为2.8 mm，即满足BS5500 表5.7（3）焊缝余高0 ~ 3 mm 合格的情况下，要使焊缝余高及母材处的黑度同时满足2.0 ~ 4.0 的黑度范围比较困难，若通过提高管电压来增大宽容度，则IQI 灵敏度又难以满足（注：BS 灵敏度要求比ASME、JB 4730 高），最后只好对焊缝余高提出了更严格的要求，即要求该厚度焊缝余高不能大于1.5mm。表1 列出了汽水分离再热器焊缝的RT照相参数。 表0 射线检测用工艺参数 2.2 双壁单影象质计选择 由于N302、N303对双壁单影象质计选择叙述不太明确，经仔细研究BS 2910，提出了MSR双壁单影象质计选择的推荐方法：（1）依据单壁焊缝厚度选择象质计灵敏度；（2）将（1）所得的象质计百分比灵敏度乘以2，该值即为象质计放置于射源侧所需达到的象质计百分比灵敏度（参照BS2910：1986第13.1条注1）。（3）制作一个与产品相同规格的短试样（长约300 ~ 400 mm），将两只合适的象质计分别置于内外焊缝上，采用与产品相同的曝光条件拍摄一张参考底片。射源侧象质计灵敏度应达到（2）数值。同时测量并记录下胶片侧相应象质计灵敏度（参照BS2910：1986 附录C）。实际产品照相时，将象质计放置于胶片侧并放”F”铅标记以示之。所拍产品焊缝底片象质计灵敏度应达到（3）所测数值。 例如某一工件单壁焊缝厚度为8 mm，可按如下步骤选择象质计： （1）根据HG N302 表1 查得单壁透照时所要求达到的象质计百分比灵敏度为1.6%，8X 1.6% = 0.128 mm 取d = 0.125 mm。 （2）双壁单影透照时，射源侧需达到1.6% x 2 = 3.2%，d = 8 x 3.2% = 0.256 mm，取d = 0.25 mm。 （3）在对比实验参考底片上射源侧象质计应达到d=0.25 mm，若此时胶片侧发现d=0.20 mm 钢丝影像则记录这个数值。 （4）实际产品底片评定时，若象质计（胶片侧）达到d=0.20 mm 就认为该象质计灵敏度达到了标准BS2910：1986的要求。 2.3 汽水分离再热器γ照相技术的引进 由于N303、N303 规定的射线设备都是X光机，对于现场环缝照相，布片对位麻烦，检验周期长，如汽水分离再热器壳体每条环缝需拍63 张底片，若采用普通的X光机单壁外透法照相，每张底片曝光时间至少需要5分钟，且多次拍片对X光机的损耗很大。为此，利用一块与汽水分离再热器壳体厚度（T=30 mm）相同的焊接试板，采用与汽水分离再热器壳体环缝空间条件相同的布片条件用Ir-192γ源进行周向曝光透照试验，最后得到了满足BS 2610、BS2901、BS 3971、N302、N303 的合格底片，透照条件为：Ir-192γ源80 居里，曝光时间2 小时，焦距f=2700mm、胶片KODAK AA，前增感屏0.15 mm pb。然后依据BS 5500 5.6.6.1条：如果能证明可以达到相似的灵敏度，允许采用其它的技术。经与法方协商同意后，将采用Ir-192对汽水分离再热器壳体环缝进行射线照相技术编入HG-N302 规程中。对环缝的射线检测中，采用Ir-192γ射线周向曝光，一次检测整条环缝，底片照相质量、底片黑度、灵敏度完全满足标准要求，提高了检测效率，缩短了检测周期。同样，采用Co-60γ射线对新蒸封头) 水室环缝实施周向曝光技术，替代了采用4MeV加速器单片分段检测技术。 2.4 乏蒸汽内部管道焊缝双壁单影法及双片技术的组合使用 乏蒸汽内部管道为弯管/直管、弯管/ 弯管不等厚对接环缝，用常规X射线单壁单影、双壁单影或γ射线周向曝光技术或不能实施、或不满足技术要求，为此尝试采用Ir-192γ射线双壁单影透照，并采用双片曝光技术组合评片方式，试验结果良好。采用双壁单影保证了几何不清晰度要求，采用双片组合评片观测，增大了底片宽容度，保证了底片黑度要求；采用定向探头，使射线束集聚，对位更加准确，减少了大量的散乱射线，降低了散射比，进一步提高了底片成像质量，满足了象质计灵敏度要求，最终解决了现场弯管结构及不等壁厚所造成的射线检测困难。 2.5 底片的贮存、包装及标识 对汽水分离再热器底片包装进行了严格的技术管理。首先，底片的包装必须封装在原胶片制造厂提供的原装胶片盒内，底片之间夹纸分隔，双片时除中间夹纸外，另加一折纸加以包裹，与相邻底片分开。每个部件的检验底片独立存放，先用透明袋予以热密封抽真空，再放入大的底片盒中（通过密封袋可看清部件清单），封盒后数盒底片并入运输盒内。从最终装入密封防水的整台产品清单中，可清楚识别运输底片的所有信息，此类包装及运输法对于射线照相底片的贮存、包装及运输，有指导和借鉴作用。 3 超声波检测 3.1 超声波探头的设计 汽水分离再热器超声波检测用探头的综合性能指标要求很高，其直探头应满足ESI 98 - 7 标准，斜探头应满足ESI 98 - 2 标准。汽水分离再热器壳体壁厚为30 mm，封头壁厚为35 mm，插入式接管壁厚为17.5 - 160 mm，板质为低合金钢。超声波探头的频率一般可选为2.5 MHz 和5 MHz，选用较高频率时，具有脉冲宽度窄、分辨力高、指向性好等优点，缺点是当某些方向性缺陷的法线与主声束轴线之间的夹角较大时，回波波幅低。由于汽水分离再热器产品焊缝的超声波检测中采用多种角度（0°、45°、60°、70°）探测，故对不同方向的缺陷都有很好的检出效果，因此选择检测频率为5MHz。晶片尺寸也是探头的一个重要参数，晶片尺寸较小时具有近场区短的优点，但DAC的曲线较陡，晶片尺寸较大时具有DAC曲线平缓的优点，但近场区长，所以选定晶片的有效直径为10 ~ 15 mm。汽水分离再热器的超声波检测中需要单直探头、双直探头和单斜探头，对于双直探头，由于其延迟块为可修磨的塑料，可以修磨成与工件曲面形状相吻合，声耦合条件大大改善。最后完成了单直探头（5P14Z、5P20Z）、双直探头（5P14/2 X 2、5P20/2 X 2、5P10 X 12 X 2）、单斜探头（5P13 X 13 X 38、5P13 X 13 X 45、5P13 X 13 X 60、5P13X 13 X 70）的设计工作。另外，还从德国购买了用于管板堆焊层超声波检测的ESMB 4H 双晶直探头（频率4MHz、晶片尺寸ф11 mm）。 3.2 超声波缺陷分类与定量检测技术 超声波检测具有检测速度快、成本低、对危害性缺陷灵敏度高的优点，因此广泛应用于焊缝内部缺陷的无损检测中，也存在显示不直观、对检测人员技术水平要求高的特点。ASME 规范与JB 4730 标准仅要求测定缺陷的回波幅度及指示长度（采用6dB法和50%DAC法），而英国标准对超声波检测人员的水平要求更高，BS 3923 有关于回波动态波形的4种分类（波形1，波形2，波形3，波形4），缺陷类型的6 种分类（点状、线状、体积状、平面状、多重性、根部轮廓）、测长方法有6dB、最大波幅法和20dB 法，不仅要测定缺陷的长度，还要测定缺陷的高度，按BS5500对缺陷评定时，又将缺陷分为平面纵向显示：显示具有平面性，它平行或近似平行于焊缝轴向（即纵向裂纹、侧壁未熔合、层间未熔合）；平面横向显示：显示具有平面性，它位于焊缝轴线横向（即横向裂纹）；平面性表面：显示为平面纵向显示或平面横向显示，它位于邻近表面的0.25 壁厚或6 mm 范围内，两者取小者（即纵向和横向裂纹、侧壁未熔合、根部未熔合或根部未焊透）；多重显示：密集或成群显示，适用于在所用灵敏度下按照单个显示无法评价时（即密集或成群空穴或夹渣）；体积显示：显示具有可测量长度或可测量壁厚方向通透尺寸的特征，并且不能定为平面性显示（即线性或球形孔穴或夹渣）；线性显示：显示有测量长度但没有测量宽度或壁厚方向尺寸的特性，并且不能定为平面性显示（即线性夹渣）；独立显示：显示不能测量尺寸，但在选用灵敏度下能与邻近的显示区分开。因此操作起来非常困难，在此情况下，焊制了带有缺陷的典型坐式接管焊缝，进行对比试验，掌握了超声检测波形分类及测长技术。 3.3 插入式全焊透接管角焊缝的超声波检测 水分离再热器插入式全焊透接管角焊缝的超声波检测采用HG N405 规程，该规程依据BS 3923 和ALSTOM工程标准N405 编制。BS 3923 标准将两连接管之间的焊接接头分为三类：分支焊缝、接管焊缝和管接头焊缝。分支焊缝小径管的直径大于等于大径管的一半；接管焊缝小径管直径小于大径管直径的一半；管接头焊缝是接管焊缝的一种，其小径管内径小于等于120 mm，壁厚<12.5 mm。汽水分离再热器接管角焊缝324~1620 mm，属于接管焊缝。坡口有内坡口、外坡口，手工焊接，依据焊缝的检测等级（BS 3923 IIB）和空间的可接近性，选择壳体内外表面和接管内表面做检测面，采用5P13 X13X45、5P13 X13X60、5P13 X13 X70 三种角度的单斜探头在壳体内外表面做一次波检测，参考反射体为ф1.5x30 mm 横孔，又采用5P10x12x2直探头在接管内表面检测，参考反射体为ф1.5x30 mm 横孔。采用4种角度探头在三个可接近方向对焊接接头进行检测，第一是大大提高了方向性缺陷的检出能力，第二是与JB4730-94标准（斜探头的参考反射体为ф1.5x30 mm 横孔，直探头的参考反射击体为ф2平底孔）不同，HG N405规程中斜探头与直探头的参考反射体都是ф1.5x30 mm，因此斜探头与直探头间的检出结果具有可比性，第三是通过不同角度、不同接近方向的探头对同一缺陷反射回波波幅和波型的比较分析，有利于对缺陷波型的理解和判定。 3.4 堆焊层的超声波检测 汽水分离再热器管板堆焊层基材为BS 1501 223-490，堆焊层为Inconel 625，参照ALSTOM工程标准Q8.1 / 5032编制了HG Q8.1/5032 规程，设计、加工、制做了阶梯试块和堆焊层试块，采用德国探头ESMB 4H双晶直探头，并使用了一种新型耦合剂：羧甲基纤维素胶，其耦合效果与化学浆糊相近，但具有非腐蚀性和易于水洗清除等优点。HGQ8.1/5032把回波显示分为两类，即体积型显示和非体积显示，通过实际检测，现已掌握了该种技术。 4 磁粉检测技术 由于磁粉检测具有检测灵敏度高，检测速度快，可检测铁磁性材料表面和近表面的不连续性，能直观地显示不连续性的位置、形状、大小和严重程度等优点。根据设计要求，由碳锰钢和铁素体不锈钢、碳钢和低合金钢制作的零部件的焊缝、坡口与母材均按照HG-N201 磁粉检验规程，该规程符合GEC规程。 根据HG N201规程的规定，触头在被检表面引起过热或电弧均认为是缺陷。技术图纸要求进行磁粉检测的部件，依据产品的结构特征和外形尺寸，尽可能选择磁轭法对其进行磁粉检测，由于小径管曲率半径太大，管座角焊缝、坡口及磁轭法无法实施检测的部件，才选用触头法对其进行磁粉检测，而触头与工件表面接触的触点，统一采用醒目的记号笔作出标记，然后再用磁轭法对触点进行检测，观察是否有过热裂纹的产生，将所有可能产生表面不连续性的隐患均消除在萌芽中。 在检测过程为保证不连续处磁痕的清晰可辨及有利于磁痕的形成，选用符合BS 4609 标准的300 目黑磁粉。当被检工件打磨露出金属光泽时，其表面与黑磁粉形成最大的视觉反差；当焊缝表面是焊后自然状态时，应在焊缝表面喷涂一薄层反差增强剂，提高与黑磁粉的对比度，但工件温度超过30 ℃时不能采用反差增强剂。该规定在JB 4730-94标准中无限制。磁悬液的浓度采用梨形离心管测定其沉淀值，BS 4609 推荐的沉淀体积为1.24~3.5 ml。ASME法规与JB4730规程推荐的沉淀量为1.2-2.4ml。磁悬液浓度的沉淀体积越高，磁悬液浓度越大，施加到工件表面上的磁粉的数量越多，使工件表面造成很大的噪声，给评判磁痕带来了一定的困难。通过实验，选择磁悬液浓度的沉淀体积在1.6-2.4ml之间，此时磁痕的形成、观察、评判都比较理想。 HG N201 规程提供了的各种工件触头放置位置的示意图，是ASME 规程和JB4730规程中没有的，该触头位置示意图包括窄坡口、宽坡口、双坡口、宽焊缝和窄焊缝。该触头的摆放位置及组合方式简明、清晰、直观，具有一定的复盖，不会造成漏检，今后在检测其它部件时也有参考价值。 5 着色检测技术 着色检测技术适用于非铁磁材料的表面开口不连续性的检测，对奥氏体不锈钢和镍基合金的检测应用着色检测。管板镍基合金的堆焊，在直径2米多的管板上，堆焊一层厚度10 mm 左右的Inconel 625镍基合金，管板管孔角焊缝为自熔型焊缝，管材为Inconel 625。 根据HG N100 着色检测规程的要求，对镍基合金和奥氏体不锈钢检测时，检测材料中的氯、硫含量应不超过1%。通过各商家产品的对比试验，选择中日合资美柯达检测器材（苏州）有限公司的DPT-4型溶剂去除型着色检测剂，该检测材料中的氯、氟、硫含量均满足规程的要求，同时满足ASME 法规第V卷第6 章的基本方法对蒸发残渣中元素质量含量的分析值。 检测过程中严格执行检验标准的同时，在管系组装现场，保证环境的清洁，在去除管系角焊缝表面多余渗透透剂时，采用擦洗工艺，对流入管孔内部的渗透剂将布绑在木棒上，蘸着清洗剂逐排逐个擦洗，每个管内反复多次，即保证了产品质量，又达到要求。 在着色检测报告填写过程中，按监检代表的要求，除填写检测材料的型号外，还要注明生产日期、有效期、质量保证书编号等，依此可进行跟踪查询。 6 结语 通过汽水分离再热器的无损检测技术研究，已完全掌握了英国标准无损检测技术。 作者简介：施文忠（1966- ），男，1986年毕业于四川大学物理系，高级工程师，从事锅炉压力容器无损检测工作，通讯地址：黑龙江省哈尔滨锅炉厂有限责任公司检查处。

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