不銹鋼管道對接焊縫焊接熱裂紋超聲波檢測技術(shù)

袁光華，常 楠，周路生，張國豐

（國核電站運行服務(wù)技術(shù)公司，上海 200233）

核電站核輔助系統(tǒng)存在一定數(shù)量的奧氏體不銹鋼對接焊縫。由于焊縫安裝制造工藝原因，極易產(chǎn)生焊接熱裂紋。此類缺陷除表面開口類型能被滲透檢測發(fā)現(xiàn)外，其余埋藏性缺陷使用體積性檢測方法無法進行有效檢測。為了掌握缺陷基本情況，為核輔助管道疲勞計算及壽命評估提供依據(jù)，必須開發(fā)針對性檢測技術(shù)。筆者介紹的超聲波檢測技術(shù)主要針對管徑φ273mm，厚度30mm的奧氏體不銹鋼管道對接焊縫，其他規(guī)格的核輔助系統(tǒng)對接焊縫檢測技術(shù)可以此為參考。

1 不銹鋼管道對接焊縫焊接熱裂紋特征及超聲波檢測難點

根據(jù)對核輔助系統(tǒng)不銹鋼焊縫解剖試驗及缺陷統(tǒng)計，此類焊接熱裂紋的主要特征為以下四點：

（1）長度 多數(shù)缺陷長度為2～3mm，最長的為8mm左右。

（2）高度 絕大多數(shù)單個缺陷的高度小于3mm。

（3）深度 大多數(shù)缺陷位于距焊縫外表面3mm以內(nèi)，部分位于3～6mm范圍內(nèi)，少數(shù)缺陷位于6mm以下和氬弧焊打底層以上區(qū)域。

（4）方向 除火口裂紋外，多數(shù)缺陷的走向為沿焊道方向（周向）和45°斜向兩個方向，少數(shù)缺陷為軸向方向。

考慮此類焊接熱裂紋的主要特征、焊縫材料及焊接工藝，超聲波檢測難點主要為以下三點：

（1）由于焊接熱裂紋具有形貌不規(guī)則、開口小、長度短、自身高度小等特點，超聲波檢測時存在信號幅度低、噪聲大、分辨力差等問題。

（2）粗大的奧氏體晶粒形成高強度的草狀回波，導(dǎo)致聲能衰減嚴(yán)重、穿透力差，從而降低了檢驗信號的信噪比和缺陷的分辨力。

（3）晶粒的各向異性，即焊縫熔合區(qū)與焊縫中心區(qū)的晶粒成長方向的不一致將導(dǎo)致部分檢驗探頭產(chǎn)生高強度的幾何形狀信號和聲束偏轉(zhuǎn)。

2 超聲波檢測技術(shù)

2.1 參考反射體確定

根據(jù)RCCM規(guī)范有關(guān)要求以及核輔助系統(tǒng)不銹鋼管道對接焊縫中焊接熱裂紋的特征，采用如下參考反射體。

（1）橫通孔 根據(jù)RCCM規(guī)范MC2000相關(guān)要求，在參考試塊上加工直徑為φ2mm的橫通孔［1］?？紤]到近表面區(qū)域，增加了深度為2.5mm的φ2mm橫通孔。橫通孔主要用于檢測靈敏度的調(diào)節(jié)。

（2）電火花槽 根據(jù)表面開口缺陷特征，在試塊表面加工不同規(guī)格、不同方向的電火花槽，目的在于開發(fā)檢測技術(shù)的能力驗證。

（3）平底孔 根據(jù)內(nèi)部缺陷特征，在試塊焊縫側(cè)面加工不同深度、不同方向的φ2mm平底孔，用于開發(fā)技術(shù)儀器調(diào)節(jié)及技術(shù)能力驗證。

參考試塊如圖1所示。

圖1 不銹鋼參考反射體試塊

2.2 檢測區(qū)域劃分

由于不銹鋼管道對接焊縫焊接熱裂紋超聲波檢測存在的檢測難點，根據(jù)不銹鋼材料超聲檢測的通常做法，將檢測對象沿厚度方向分為三個不同區(qū)域：表面近表面區(qū)域（0～9mm）、中部區(qū)域（5～16mm）、下部區(qū)域（10～30mm）。針對不同區(qū)域采用不同聚焦范圍的檢測探頭，以提高檢測信噪比，同時實現(xiàn)檢測范圍全覆蓋。

2.3 表面近表面超聲波檢測技術(shù)

根據(jù)實際檢測經(jīng)驗反饋，針對表面近表面區(qū)域，表面波探頭及常規(guī)大角度超聲探頭均不能取得較好的檢測效果。綜合考慮后決定采用超聲爬波的檢測技術(shù)。

2.3.1 超聲爬波探頭

超聲爬波探頭的類型有單晶爬波探頭、雙晶并列式爬波探頭和雙晶串列式爬波探頭等。通過對爬波探頭的類型、晶片頻率、晶片尺寸、阻抗匹配、焦點距離等參數(shù)的優(yōu)化與組合，最終研制出了適合奧氏體不銹鋼管道焊縫表面、近表面缺陷檢測的雙晶并列式爬波探頭，其規(guī)格為2mm×6mm×13mm TRCr2F15。

2.3.2 超聲爬波測高技術(shù)

試驗發(fā)現(xiàn)爬波探頭所接收到的表面、近表面缺陷回波信號中包含了許多缺陷特征信息，包括缺陷最大回波處深度、缺陷的上端點反射信號和缺陷下端點反射信號。圖2缺陷上端點、最大波幅處以及下端點超聲波反射，圖3為對應(yīng)顯示的A掃信號。

圖2 爬波測高技術(shù)示意

圖3 爬波測高波形顯示

利用來自缺陷本身的上下端點反射波確定缺陷的自身高度與利用端點衍射波法測量缺陷高度技術(shù)存在一定的差異。由于爬波在近表面?zhèn)鞑ミ^程中可以看成是一系列與表面平行的波組成，因此近表面缺陷的端點反射波幅度遠(yuǎn)大于端點衍射波幅度（特別是垂直于焊縫表面的缺陷），且其端點反射信號較端點衍射信號更易分辨。

2.3.3 超聲爬波探頭性能

經(jīng)試驗測試，超聲爬波探頭性能主要如下：

（1）有效覆蓋深度：0～9mm。

（2）信噪比 參考試塊上表面近表面區(qū)域（0～9mm）內(nèi)所有參考反射體信噪比大于24dB。

（3）檢測能力 能有效檢測出自身高度大于1.0mm的平面性缺陷。

（4）測高能力 可對自身高度2mm以上的缺陷進行高度測量，其測高精度優(yōu)于±1mm。

2.4 不銹鋼焊縫中下部區(qū)域超聲波檢測技術(shù)

2.4.1 中部區(qū)域檢測技術(shù)及探頭選擇

中部區(qū)域（5～16mm）超聲波檢測技術(shù)采用2.5MHz 60°雙晶縱波斜探頭，尺寸為2mm×8mm×16mm。雙晶縱波斜探頭采用一發(fā)一收的工作模式，利用收發(fā)晶片聲束交叉形成菱形區(qū)域而達到聚焦效果，從而大幅提高其焦距范圍內(nèi)信號的強度、分辨力和信噪比。同時，由于發(fā)射和接收分開，降低了楔塊與接觸面耦合不良引起的界面干擾信號。

2.4.2 下部區(qū)域檢測技術(shù)及探頭選擇

對于下部區(qū)域的檢測，通常采用45°探頭。但是經(jīng)過試驗證明，由于核輔助管道焊縫中晶粒成長方向的原因，導(dǎo)致45°的超聲波穿透焊縫的能力比較差，在界面上產(chǎn)生較強的聲束偏轉(zhuǎn)，形成較強的幾何結(jié)構(gòu)信號，干擾缺陷的判別，如圖4所示。

圖4 45°探頭幾何結(jié)構(gòu)信號干擾示意

通過試驗發(fā)現(xiàn)，這種幾何結(jié)構(gòu)信號的強度在φ2mm－5dB～φ2mm＋4dB之間，信號的顯示深度在19～26mm，其位置及當(dāng)量信息對于不銹鋼焊縫下部區(qū)域缺陷信號的判斷造成強烈干擾。圖5為焊接試件幾何結(jié)構(gòu)信號波形。

為了排除下部區(qū)域幾何結(jié)構(gòu)信號的干擾，先后試驗了37°和50°等種不同角度的雙晶縱波探頭。經(jīng)過試驗，發(fā)現(xiàn)37°探頭同樣具有較強的幾何信號，而50°探頭的類似幾何信號則比較弱，基本不影響缺陷信號的判定。在此基礎(chǔ)上，進行探頭參數(shù)的進一步優(yōu)化，最終確定采用探頭的規(guī)格為1.5P8×14A50F30，該雙晶縱波聚焦探頭具有較強的穿透焊縫的能力，由于焊縫界面引起聲束偏轉(zhuǎn)而形成的幾何結(jié)構(gòu)信號的強度在標(biāo)準(zhǔn)要求的記錄靈敏度附近（標(biāo)準(zhǔn)記錄靈敏度為φ2mm－14dB），基本不影響缺陷判斷。

圖5 焊接試件幾何結(jié)構(gòu)信號

2.4.3 中下部區(qū)域測高技術(shù)及探頭選擇

根據(jù)超聲波理論以及試驗發(fā)現(xiàn)，雙晶縱波探頭檢測裂紋類或平面性缺陷時，所接收到的缺陷信號中包含缺陷最大回波處信號、缺陷的上端點尖端衍射信號和下端點尖端衍射信號。利用上下端點尖端衍射信號可以實現(xiàn)缺陷自身高度的測量。

經(jīng)試驗測試，中下部區(qū)域檢測探頭性能要求為：

（1）有效覆蓋深度 中部區(qū)域探頭（5～16mm）、下部區(qū)域探頭（10～30mm）。

（2）信噪比 滿足使參考試塊中下部區(qū)域內(nèi)所有參考反射體信噪比大于15dB。

（3）測高能力 可對自身高度4mm以上的缺陷進行高度測量。

3 檢測技術(shù)性能驗證

3.1 驗證解剖試驗及結(jié)果

為驗證爬波檢測技術(shù)是否能有效檢測出不銹鋼焊縫表面、近表面中存在的焊接熱裂紋，并驗證對近表面缺陷進行定深和測高的精度，先后進行了兩次性能驗證解剖試驗。首先為技術(shù)開發(fā)階段的解剖，其次為在技術(shù)開發(fā)驗收階段的解剖。其檢驗與解剖結(jié)果具體見表1。

圖6為在性能驗證過程中，打磨一定深度后進行PT檢驗驗證，PT檢驗結(jié)果表明超聲爬波對于缺陷檢出及長度檢驗的準(zhǔn)確性。

表1 超聲爬波檢測結(jié)果與解剖結(jié)果對比

圖7為在性能驗證過程中，打磨至接近超聲檢驗結(jié)果的下斷點位置進行的金相檢驗，金相檢驗結(jié)果表明超聲爬波對于下斷點位置檢測的準(zhǔn)確性。

圖6 5號缺陷解剖過程中PT照片

圖7 5號缺陷沿長度方向的金相拼圖

3.2 中下部區(qū)域檢測探頭性能驗證

試驗及課題驗收過程中，采用雙晶縱波聚焦探頭對焊接試件進行了檢測，并對其中部分缺陷進行解剖，以驗證雙晶縱波探頭的性能。圖8為焊接試件上某焊接熱裂紋波形。

圖8中焊接熱裂紋的缺陷參數(shù)為：缺陷當(dāng)量為φ2mm－8dB，缺陷深度為19.10mm，缺陷高度為4.01mm。

根據(jù)雙晶縱波探頭的檢測結(jié)果，對焊接試件進行了解剖，解剖采用沿焊縫剖面線切割的方式進行。經(jīng)解剖證明，檢測到的缺陷為熱裂紋，缺陷埋藏深度為19mm，高度為4mm，解剖結(jié)果與檢測結(jié)果一致。圖9為解剖結(jié)果PT顯示。

圖8 中下部區(qū)域焊接熱裂紋波形顯示

圖9 中下部區(qū)域焊接熱裂紋解剖PT顯示

4 結(jié)語

超聲波爬波檢測技術(shù)有效地解決了核電站核輔助系統(tǒng)不銹鋼對接焊縫焊接熱裂紋的檢測問題，為核輔助管道疲勞計算及壽命評估提供了可靠依據(jù)。

同時，雖然介紹的檢測技術(shù)針對特定的對象，但提及的針對表面近表面區(qū)域的超聲爬波檢測技術(shù)以及奧氏體材料焊縫中結(jié)構(gòu)信號產(chǎn)生機理及解決方法，對于其他奧氏體鋼焊縫及異種鋼焊縫的檢查都具有一定的借鑒作用。

［1］ RCC－M 壓水堆核島機械設(shè)備設(shè)計和建造規(guī)則［S］.