ITER 超导导体铠甲焊缝的渗透检测

刘小川，武 玉，刘华军

（中科院等离子体物理研究所，合肥 230031）

PF线圈为国际热核实验反应堆（ITER）中的极向场线圈，在整个装置的运行中起着至关重要的作用，因此对其品质提出了最严格的要求。为了保证PF导体焊缝的质量，对其进行无损检测是必不可少的步骤。目前用于PF铠甲焊缝上的无损检测技术主要是射线检测技术及渗透检测技术，两种技术的结合可以保证焊缝内外表面的缺陷不漏检。渗透检测技术主要检测PF导体焊缝的表面及近表面的开口缺陷，从而排除表面开口缺陷在导体成型受力中产生延展造成裂纹，影响PF线圈的极向磁场。

1 PF铠甲焊接工艺及检测区域

PF铠甲是外方内圆的结构，材质为316L 不锈钢。其焊接方法为氩弧自动多层焊，四边角手工氩弧焊，焊缝形式为单面施焊双面成型。外表面焊缝经打磨处理后无焊缝余高，内表面余高不大于0.15 mm，焊缝宽度为10mm。

依据ASME标准第V 卷第6 章“液体渗透检测”的规定，PF铠甲对接焊缝渗透检测的区域为焊缝及两侧各25mm 的距离，如图1所示。

2 检测技术要求

根据ITER 国际核聚变PF 导体的技术规范，PF导体焊缝液体渗透检测验收标准为：

①不允许有任何线性显示。②单个圆形显示不大于1mm；在同一条线上，4个或者4个以上的圆形显示相距不大于1.5mm。

图1 PF铠甲对接焊缝渗透检测区域

3 渗透检测方法

采用的溶剂去除型渗透检测法具有较高的检测灵敏度，能检测出非常细小的开口缺陷，检测灵敏度高，检测速度快［1］。渗透剂采用颗粒度较小的WU－T 系列，高灵敏度，卤素与硫含量进行了严格的控制，渗透迅速，显像清晰均匀细腻，对比强烈，能更好地反映出缺陷走向和形状［3］。

4 渗透检测工艺程序

4.1 试验准备

需准备灵敏度试块，保证有足够的检测灵敏度；WU－T 系列的渗透剂、清洗剂、显像剂；温度计，时钟，放大镜，平面镜，记录本，照相机，日光灯，不脱毛抹布，手套及口罩。

4.2 灵敏度检验

采用镀铬对比试块对渗透检测材料的性能及操作工艺进行检验［3］；不锈钢镀铬试块等级应达到3级（高级），能清晰发现试块上第3 区的人工裂纹［4］。

4.3 检测步骤

预清洗，干燥，施加渗透剂，去除渗透表面多余的渗透剂，干燥，施加显像剂，观察评定后处理。

4.4 检验实施

检验实施时注意事项：

（1）实施渗透检测适宜的温度范围为10～40℃［4］。如果在实际检测中，温度不在以上范围，则应通过对比试验确保实际温度下进行渗透检测的有效性。

（2）喷砂、打磨工艺可能导致表面开口缺陷被封闭掩盖，可采用浸蚀的方法进行处理。

（3）采用喷涂法施加渗透液［5］，避免过多的渗透液堆积在导体焊缝表面造成渗漏，污染下层导体表面，同时也增加了清洗难度。

（4）在清洗的时候避免过清洗。

（5）显像观察时应用放大镜及反光镜，放大镜用于观察识别缺陷［6］，反光镜主要用于观察导体焊缝的下表面，避免因观察不全造成缺陷漏检。

5 检测结果与分析

通过显像观察，缺陷呈现月牙型，位于焊缝边缘。并对缺陷进行了金相分析，进一步确定了缺陷的性质。图2为金相分析后放大的缺陷形貌。

图2 缺陷放大40倍时的形貌

图3 缺陷放大100倍时局部形貌

经过金相分析确定缺陷为裂纹，造成焊缝表面产生裂纹的因素很多，针对PF 导体的生产环境及成型过程，造成焊缝表面出现裂纹的情况最有可能为以下两点：

（1）焊接过程中产生的热裂纹。一般熔敷金属在冷却结晶的过程中，晶间存在大量薄膜状低熔点共晶物，又在结晶拉应力的共同作用下，极易产生热裂纹［7］，可用液态薄膜理论来解释其原理［8］。在焊接完成后进行第一次渗透检测并没有发现任何缺陷，说明裂纹掩埋在焊缝中，而导体经过收缆绕制，因受到力的作用，造成裂纹的延伸和开口，从而在第二次渗透检测中被检出。

（2）外来夹杂物引起［9］。在PF 导体成型绕制的过程中，需要经过若干程序，因此对周围环境无法达到有效清洁度的控制。极有可能在成型过程中外来夹杂物被压进导体。在绕制完成后脱落，造成了压痕，然后受力扩展，延展成裂纹。无论是焊接过程中产生的热裂纹还是夹杂物引起的，此类缺陷都非常危险［10］。因此超导中心一方面加强了焊接技术的培训，另一方面也对生产环境提出了更高的要求。

6 结语

渗透检测技术在PF铠甲对接焊缝检测中至关重要，它对焊缝表面缺陷有着较高的检出率，弥补了射线检测的不足，保证了PF 铠甲对接焊缝的质量。检测中检出的微小缺陷经过打磨后并不影响焊缝的质量，从而保证了资源的有效利用。

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