核电厂BOSS焊缝在线堆焊修复相控阵超声检验技术——文献学习体会

文献概况与行业背景

本文发表于2023年《核动力工程》第44卷第1期，由中广核检测技术有限公司汤建帮等人完成，受中国广核集团尖峰计划纵向课题资助。核电厂反应堆换料水池与乏燃料水池冷却和处理系统（PTR）及设备循环冷却系统（RRI）中含有大量管座接头（Boss）焊缝，这些焊缝的安全性和可靠性直接影响所存储核燃料的安全状态。在役检查（In-Service Inspection，ISI）中，对这些BOSS焊缝进行缺陷排查和在线修复是核电厂监督的重点和难点。该文献针对BOSS焊缝在线堆焊修复的特殊要求和检验难点，设计了一套专用的相控阵超声（Phased Array Ultrasonic Testing，PAUT）探头和检验工艺，并制订了相应的无损检验方法和在役检查监督策略。

检验技术难点分析

BOSS焊缝的特殊性

BOSS焊缝是核电厂冷却系统中管座与容器壁的连接焊缝，其几何形状复杂、壁厚变化大、焊缝位置特殊，给无损检测带来了巨大挑战。传统的射线检测（Radiographic Testing，RT）在BOSS焊缝检测中存在明显局限性：

相控阵超声技术原理

相控阵超声技术通过多个换能器阵元（通常32～128个）的电子扫描和延时控制，实现声束的灵活偏转和聚焦。与常规超声相比，相控阵超声具有以下显著优势：

• 电子扫描替代机械扫描，检测速度快、重复性好；
• 声束偏转和聚焦角度可调，适应复杂几何形状的焊缝检测；
• 实时成像能力强，可直观显示缺陷位置和形态；
• 可记录完整的扫描数据，便于后续分析和追溯。

专用探头设计与工艺验证

探头设计要点

针对BOSS焊缝的特殊几何形状和检测需求，文献中设计了一套专用的相控阵超声探头。探头设计需要综合考虑以下因素：

• 阵元数量和间距：阵元数量越多，声束控制越精细，但探头尺寸和成本也越高；
• 工作频率：频率越高，分辨率越好，但衰减也越大，需根据BOSS焊缝壁厚选择合适频率；
• 楔块材料：楔块材料影响声速和衰减，需根据检测距离和角度进行优化；
• 探头角度范围：需覆盖BOSS焊缝的所有可能缺陷取向；
• 耦合方式：在线检测条件有限，需选择可靠的耦合方式。

检验工艺验证

文献通过试验验证了所设计的探头和检验工艺能够满足堆焊修复的检验要求。验证过程通常包括以下步骤：

1. 标准试块校准：利用标准试块校准声速、零点、角度等关键参数；
2. 模拟缺陷检测：在模拟试块上人工制造各种典型缺陷（裂纹、气孔、未熔合等），验证检测灵敏度和定位精度；
3. 实际焊缝检测：在实际BOSS焊缝上进行检测，验证工艺的可操作性和检测结果的可重复性；
4. 与破坏性试验对比：通过破坏性试验验证无损检测结果的准确性。

在役检查监督策略

检测时机与频次

核电厂在役检查对BOSS焊缝的检测时机和频次有严格规定。根据相关法规和标准，BOSS焊缝的检测通常包括：

• 初始检测：修复前对原始焊缝进行全面检测，确定缺陷位置和严重程度；
• 修复后检测：堆焊修复完成后立即进行检测，确认修复质量；
• 定期检测：按照在役检查计划进行周期性检测，监控焊缝状态变化。

验收标准与判定准则

堆焊修复的验收标准需要综合考虑以下因素：

• 缺陷类型和尺寸：不同缺陷类型（裂纹、气孔、未熔合等）有不同的验收准则；
• 缺陷位置和取向：位于焊缝表面的缺陷比位于焊缝内部的缺陷更为严重；
• 修复层质量：堆焊层的致密度、硬度、耐蚀性等性能指标需满足要求；
• 与原始焊缝的匹配性：修复层与原始焊缝之间的界面质量需满足要求。

学习心得与工程启示

该文献的研究成果对核电厂在役检查具有重要的实践指导意义。相控阵超声技术在BOSS焊缝检测中的应用，解决了传统射线检测难以适应复杂几何形状和在线检测条件的瓶颈问题。专用探头的设计和检验工艺的验证，为核电厂提供了可靠的技术手段和标准化的操作流程。在役检查监督策略的制订，确保了BOSS焊缝修复质量的持续监控和可追溯性。

从工程实践角度看，该研究也提醒我们：核电厂在役检查是一个系统工程，需要材料、焊接、无损检测、设备管理等多学科的协同配合。相控阵超声技术的引入不仅提升了检测能力，也对检测人员的技能水平提出了更高要求。建议核电厂在引进新技术的同时，加强人员培训和技术交流，确保新技术能够有效落地并发挥预期效果。此外，随着相控阵超声技术的不断发展，其在核电厂其他关键部件检测中的应用潜力也值得期待。