一種壓水堆核電站主管道窄間隙自動焊焊縫的超聲檢測方法

朱德才，王 東，李予衛(wèi)，李付良

（中廣核工程有限公司，深圳 518000）

壓水堆核電站主管道由奧氏體－鐵素體不銹鋼材料（Z3CN20.09M）離心或靜態(tài)鑄造而成，它連接核島主設(shè)備的管道，承擔(dān)著將反應(yīng)堆產(chǎn)生的熱量傳遞給二回路工質(zhì)的功能，屬于一回路壓力邊界，對反應(yīng)堆的安全和正常運行起非常重要的保障作用［1］。其外徑范圍為828～976mm，厚度范圍為66～98mm，屬于大厚壁、大管徑的鑄造不銹鋼材料。主管道焊接是核島安裝過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，具有工序流程邏輯性強、工期緊張、焊接工作量大、焊接應(yīng)力及變形控制要求高等特點。筆者介紹了一種適用于厚壁鑄造不銹鋼焊縫的超聲檢測方法，并驗證了其可行性。

1 主管道自動焊焊縫特點

1.1 主管道母材特點

主管道由奧氏體－鐵素體不銹鋼材料（Z3CN20.09M）鑄造而成，由于鑄造不銹鋼材料的晶粒組織不均勻，存在粗大的柱狀晶，其內(nèi)部組織的各向異性嚴(yán)重。這種粗大組織對超聲波具有強烈的衰減作用，導(dǎo)致采用超聲波檢測時靈敏度變化大。另外，粗大組織也會引起強烈的散射聲波的疊加及波型轉(zhuǎn)換，導(dǎo)致假信號出現(xiàn)，且其各向異性對聲波有扭曲作用，嚴(yán)重影響缺陷大小的測量及定位。因此，核電站主管道自動焊焊縫超聲檢驗存在很多技術(shù)上的難點［2］。

1.2 坡口形式

隨著核電站批量化建設(shè)和安裝質(zhì)量要求的提高，窄間隙自動焊技術(shù)開始應(yīng)用于核電站主管道安裝中。相對傳統(tǒng)手工電弧焊，自動焊采用窄間隙坡口，焊縫填充量約為手工焊的1／10，側(cè)壁產(chǎn)生未熔合的風(fēng)險較大［3］?？紤]超聲檢測相對射線檢測，對面積型缺陷如裂紋、未熔合、夾層等更敏感，因此，主管道焊縫重點針對側(cè)壁未熔合缺陷采用超聲方法檢測。

1.3 焊縫組織特性

主管道母材為鑄造奧氏體－鐵素體不銹鋼材料，該材料焊縫在凝固過程中沒有相變，且導(dǎo)熱性差，焊縫熔池中金屬的冷卻速度慢，溫度梯度小，導(dǎo)致了粗柱狀晶的形成。因此，焊縫結(jié)晶晶粒始于半熔化的母材晶粒，沿原方向生長，止于焊縫中心。對于采用多道焊的大壁厚管道焊縫，柱狀晶生長方向沿著原晶粒方向，能穿過多層焊道持續(xù)生長，其長度能達到10mm以上，直徑一般在1mm以內(nèi)。焊道中部相鄰晶粒的方向相差微小，形成了有序的成排柱狀晶。從焊縫宏觀金相（圖1）中可清晰地看到粗大柱狀晶的纖維結(jié)構(gòu)。而且，由于奧氏體不銹鋼焊縫沒有固態(tài)相變，所以也不可能通過熱處理的方式使晶粒細化。

圖1 主管道焊縫焊接接頭宏觀形貌

2 主管道窄間隙自動焊焊縫超聲檢測方法

主管道焊縫的超聲檢測實施難度很大［4］，筆者通過設(shè)計和制作一批與受檢對象同材質(zhì)、同工藝并帶有不同人工缺陷的模擬試件，編制了完善的超聲檢驗程序，采用特制超聲探頭和超聲檢測方法進行檢測和分析，最終實現(xiàn)了對焊縫的超聲檢驗。其具體的實施步驟如下。

2.1 分層檢驗

由于受檢對象檢驗厚度大，且為粗晶材料，檢測時考慮采用不同聚焦深度和不同角度的探頭，分區(qū)進行檢驗。

檢驗區(qū)域的分層按厚度方向分為三層，分別利用不同的探頭進行檢驗，具體分層見示意圖：掃查表面以下0～30mm為第一層；掃查表面以下20～60mm為第二層；表面以下60mm至底面為第三層。此分層并不是絕對的，因為各種探頭在實際檢測時會存在一定的重疊。實際檢驗時從被檢部件外表面進行檢驗，檢驗分層方式示意圖如圖2所示。

圖2 檢驗區(qū)域的分層示意圖

2.2 探頭選擇

普通縱波直探頭很難滿足粗晶材料檢測要求，故選用了經(jīng)過特殊設(shè)計的高阻尼雙晶聚焦探頭；探頭頻率選擇1～2MHz，主要是考慮了大衰減的原因。為保證與主管道焊縫表面的良好耦合，加工了一批與主管道外表面相匹配的超聲波探頭（探頭接觸面凹形）。探頭主要包括0°，45°，35°，60°和70°雙晶縱波聚焦探頭。為覆蓋整個被檢區(qū)域（深度方向），采用了不同焦距和不同晶片尺寸的雙晶聚焦探頭。

根據(jù)圖2所示：第一層采用0°，70°，60°探頭軸向檢測，45°探頭周向檢測；第二層采用0°，45°探頭軸向檢測，35°探頭周向檢測；第三層采用0°，45°探頭軸向檢測，35°探頭周向檢測。主管道窄間隙焊縫掃查探頭均為雙晶縱波探頭，其主要參數(shù)如表1。

為確定每個探頭的基本參數(shù)（表1），采用Tomosan－Ⅲ自動超聲儀在相應(yīng)的探頭性能測試試塊上，針對每個探頭進行探頭角度、探頭頻率、探頭RF波、探頭帶寬測試。其中，探頭帶寬和頻率測試波形如圖3所示。

2.3 試塊設(shè)計

為驗證超聲檢驗方法對主管道窄間隙自動焊焊縫的檢測能力，并確定最佳超聲波檢測方法及記錄準(zhǔn)則和驗收準(zhǔn)則，采用與產(chǎn)品同材質(zhì)同規(guī)格的主管道材料，設(shè)計和制作一批檢驗對象的探頭性能測試試塊、對比試塊（參考試塊）及驗證試塊。

表1 主管道焊縫超聲檢測探頭參數(shù)

圖3 探頭帶寬和頻率測試圖

（1）探頭性能測試試塊 主要用于測試超聲波探頭的主要性能參數(shù)，如探頭角度、頻率、前沿等。試塊包括軸向檢驗和周向檢驗探頭性能試塊，試塊上人工反射體包括長橫孔和圓弧面。

（2）對比試塊／參考試塊 主要用于建立超聲DAC曲線和檢驗靈敏度，其為帶焊縫的試塊，包括軸向和周向?qū)Ρ仍噳K。試塊上加工有人工反射體和矩型槽；試塊上的人工反射體包括長橫孔（φ3.2mm）、平底孔和線切割槽（10%的試塊厚度）。

（3）驗證試塊 主要用于驗證檢驗方法的檢測能力。該試塊為帶焊縫的試塊，其尺寸規(guī)格與檢驗對象相近，試件內(nèi)包含預(yù)埋的面狀缺陷（未熔合）及加工的內(nèi)、外表面槽。

2.4 檢測系統(tǒng)

根據(jù)受檢主管道焊縫尺寸規(guī)格及焊縫位置尺寸，采用自動超聲檢測裝置，包括管道掃查小車、掃查自動控制系統(tǒng)、探頭固定裝置等。

檢查系統(tǒng)包括：TOMSCAN－Ⅲ多通道超聲儀、Tomview采集分析軟件、超聲探頭、探頭性能測試試塊、對比試塊、計算機、掃查裝置、控制器及軟件、耦合劑供給與回收系統(tǒng)、各種連接電纜。檢查系統(tǒng)連接示意圖如圖4所示。

圖4 檢測系統(tǒng)示意圖

2.5 掃查準(zhǔn)備

2.5.1 探頭參數(shù)測定和時基校準(zhǔn)

每次檢驗之前需進行探頭參數(shù)測定和時基校準(zhǔn)。在探頭性能測試試塊上測量包括探頭的前沿、角度、頻率和焦距等信息，試塊包括周向和軸向外表面探頭性能測試兩種類型試塊；探頭的時基校準(zhǔn)需在相應(yīng)對比試塊上進行調(diào)節(jié)，具體操作為根據(jù)相應(yīng)對比試塊上的2個不同深度的橫通孔，調(diào)節(jié)超聲儀－探頭檢驗系統(tǒng)的延遲和聲速。

2.5.2 靈敏度調(diào)節(jié)

不同掃查方向探頭的靈敏度設(shè)置需在相應(yīng)的周向或軸向?qū)Ρ仍噳K上進行，每次檢測開始之前調(diào)節(jié)靈敏度，靈敏度調(diào)節(jié)采用底面回波或用對比試塊中人工反射體的相應(yīng)位置進行調(diào)節(jié)。

采用不同焦距探頭分別測試所對應(yīng)的不同深度φ3.2mm長橫孔，制作距離－波幅（DAC）靈敏度曲線，曲線示意圖如圖5所示，圖5中fd表示探頭聚焦深度，如fd20表示探頭聚焦深度為20mm。通過圖5可以看出，表1所選不同角度的探頭可覆蓋主管道窄間隙自動焊焊縫的整個被檢厚度。

2.5.3 掃查靈敏度、速度及覆蓋率

焊縫掃查靈敏度至少在基準(zhǔn)靈敏度基礎(chǔ)上增益6dB；探頭掃查速度不大于100mm／s；當(dāng)探頭垂直于聲束方向移動時，每個歩距至少有20%探頭晶片尺寸的重疊。

圖5 不同深度的距離－波幅曲線

2.5.4 掃查方法

掃查采用外側(cè)自動掃查為主，內(nèi)部可達時也可進行內(nèi)部輔助掃查。掃查方法分為軸向掃查（聲束垂直于焊縫掃查）和周向掃查（聲束平行于焊縫掃查）。軸向掃查時，周向步進；周向掃查時，軸向步進。

3 模擬件檢測試驗

根據(jù)在對比試塊上所測試的DAC曲線靈敏度，在模擬件上從外表面進行掃查。耦合劑為除鹽水，采用多種角度的雙晶縱波探頭進行軸向和周向自動掃查方式，被檢模擬件示意圖如圖6所示。

在模擬件上共有7個缺陷，其中5個缺陷埋在熔合線上模擬未熔合缺陷，另外2個為上下表面開口槽。通過采用上述檢驗方法，對模擬件上的缺陷進行外表面檢查，均能檢查出所有顯示，檢驗結(jié)果如表2所列。其中7＃缺陷僅用于觀察和見證缺陷制作情況，而不用于實際的測試。

表2 模擬件超聲檢測結(jié)果

圖6 模擬件示意圖

4 結(jié)語

目前，上述超聲檢測方法已在國內(nèi)多個壓水堆核電機組主管道焊縫檢測中成功應(yīng)用，為國內(nèi)首次。

該檢測方法采用多種角度雙晶聚焦探頭、多通道超聲檢測分析系統(tǒng)、與主管道同材質(zhì)的試塊及分層掃查方法可很好地適用于厚壁鑄造不銹鋼焊縫的超聲檢測。在主管道焊縫檢測中增加超聲檢測，不但提高了對未熔合缺陷的檢出率和定位精度，而且可與射線檢測方法形成良好互補，確保了核電站主管道焊接質(zhì)量。

［1］ 聶勇，李曉梅.核設(shè)備不銹鋼堆焊層下裂紋超聲波檢測技術(shù)［J］.無損檢測，2011，33（7）：70－74.

［2］ 張鷹，雷毅，程真喜，等.奧氏體不銹鋼焊接接頭超聲波檢測研究［J］.石油化工設(shè)備，2004（2）：14－17.

［3］ 張鷹，張延豐，雷毅.奧氏體不銹鋼焊縫的超聲波檢測方法研究［J］.無損檢測，2006，3（28）：119－122.

［4］ 孫曉娜，雷毅.厚板奧氏體不銹鋼焊縫顯微組織分析［J］.金屬熱處理，2006（10）：21－23.