核电站MSR（汽水分离再热器）是核电站常规岛重要的大型压力容器。承担着将高压缸的排汽进行汽水分离，并分别由抽汽和新蒸汽进行二级再加热的功能。由于结构特点，新蒸汽加热器套管与壳体一端封头形成大相贯焊缝连接，如图1所示，由此带来的高应力，成为设备安全性能方面的薄弱环节。
 
MSR出厂及在役检查中，此高应力部位既是重点，又是难点。MSR大相贯线焊缝的无损检测，现阶段主要是MT（磁粉检测）。而MT只能检查表面和近表面的焊缝缺陷。
 
随着设备服役期的增长，高应力部位的缺陷发生率必将增加，为了提高大相贯线的焊缝缺陷检测的可靠性，保证MSR的安全运行，必须对无损检测方法进行深入细致的探讨和研究。
 
1 应力分析

苏州热工研究院有限公司的童忠贵等研究人员以直径为φ5300mm，壁厚为60mm的蒸汽加热器为例，加热器上封头处设置一个大套管，套管直径和壁厚为φ2423mm×60mm，如图2所示。为了详细分析封头套管区域的应力分布情况，对该部位建立有限元模型，进行应力分析计算。有限元分析软件为ANSYS 10.0。
 
加热器主要设计参数如表1所示。  
加热器操作工况分为内压和外压两种，根据其实际尺寸建立有限元模型，并分别施加内压和外压载荷，求解该局部区域的应力分布。最后验证，内压与外压作用下，结构最大应力强度位置都位于套管和封头连接处大相贯线焊缝区，见图3和图4。
 
按照JB 4732—1995分析设计标准对应力进行评估，根据应力分析结果判断，该结构在正常运行条件下是安全的。但是，由于该结构是一个复杂的焊接结构，其内部存在焊接残余应力和微观组织的不均匀性，实际状况与理论分析结果存在偏差。为了保证结构的安全，特别是高应力区的安全，建议定期对焊接接头表面和内部进行无损检测。
 
2 无损检测方法和工艺的确定

按目前无损检测技术，对MSR大相贯线焊缝无损检测可以使用的方法有： RT（射线检测）、UT（超声波检测）、PT（渗透检测）和MT（磁粉检测）。由于结构原因， RT实施非常困难，一般情况下不予考虑；PT一般用于表面光滑的非铁磁性材料，对于MSR大相贯线焊缝可以在特殊情况下局部使用；那么，剩下的只有UT和MT两种方法。
 
磁粉检测对铁磁性材料非常有效，灵敏度很高，根据核电站的实际情况，建议采用灵敏度较高的荧光磁粉检测技术，但磁粉检测只能检测焊缝表面及近表面缺陷，所以内部缺陷只能运用UT检测方法。
 
由于套管内部为加热器壳侧筒体，探头无法深入，UT检测只能在套管外实施；在套管外可以实施的方法只有壳体封头内外表面。目前，UT技术发展迅速，相共振技术已具有实用的趋势，但由于没有可执行的标准，而且仪器设备的可靠性有待进一步提高。所以，结合目前核电站常规岛现场检验检测条件，对内部缺陷的检测，应该采用已十分成熟和普及的A型脉冲反射式超声波技术。
 
由于整条相贯线焊缝为非对称结构，单一的超声波探头有明显的不可达区域，即盲区。为了克服盲区，实现全覆盖，用手工方法进行分析工作量非常大，而且也不容易做到真正准确。因此采用CIVA（仿真软件）进行分析和研究。经过CIVA的分析得到了比较满意的结果，即必须采用组合探头进行检测，才能较好克服超声检测盲区。
 
为了有效提高大相贯线焊缝无损检测的有效性和准确性，对比试块是必不可少的器具。针对大相贯线焊缝，如果要制作完整的构件，投资大、成本高，而且要有很大的空间用于放置，给仪器调试和试块使用带来很大的不便。最终确定按1:1制作局部试块。由于构件尺寸大、壁厚大、局部试块制作难度非常高结合考虑研制过程中的裕量，总共制作了五块胚样，用于试制对比试块，详见图5和图6。  
根据仿真研究结果，探头需要采用K1、1.5、2.5三种类型。考虑到内外表面耦合状况的不同，定制了两组大小不同的探头。其中：8×12的一组探头（三个），用于内表面检测；13×13的一组，探头用于外表面的检测。
 
节选自《无损检测》2015年第1期
 
本文作者：童忠贵，苏州热工研究院有限公司教授级高级工程师，主要从事核电站的技术支持工作。