超聲衍射時(shí)差法用于核電站常規(guī)島管道焊縫檢測(cè)的可行性

惠維山，鐘　華，穆曉忠

(中廣核工程有限公司， 深圳 518124)

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超聲衍射時(shí)差法用于核電站常規(guī)島管道焊縫檢測(cè)的可行性

惠維山，鐘華，穆曉忠

(中廣核工程有限公司， 深圳 518124)

根據(jù)核電站常規(guī)島管道焊縫施工特點(diǎn)，設(shè)計(jì)制作了帶有人工缺陷的試塊，對(duì)試塊進(jìn)行了超聲衍射時(shí)差法(TOFD)、射線及超聲檢測(cè)，并對(duì)檢測(cè)結(jié)果從檢出率、缺陷定位、缺陷定量及缺陷評(píng)級(jí)等方面進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明，TOFD方法在管道檢測(cè)方面具有較高的可靠性。通過在工程現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行TOFD和射線檢測(cè)試驗(yàn)，表明TOFD方法在核電站常規(guī)島中的應(yīng)用是可行的。

TOFD；常規(guī)島；應(yīng)用

超聲衍射時(shí)差法(簡(jiǎn)稱TOFD)以其檢測(cè)效率高、成像直觀、結(jié)果易保存、缺陷自身高度測(cè)量精度高、安全無輻射等特點(diǎn)，在石油化工壓力容器檢測(cè)中得到廣泛應(yīng)用[1-2]。TOFD方法經(jīng)過30多年的發(fā)展，已經(jīng)成為除射線、常規(guī)超聲檢測(cè)之外的重要檢測(cè)手段，美國(guó)、歐洲和中國(guó)也相繼頒布了相關(guān)檢測(cè)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)[3-6]。但該技術(shù)在管道焊縫檢測(cè)方面應(yīng)用較少，在核電站施工領(lǐng)域尚未開始應(yīng)用。

筆者針對(duì)核電站常規(guī)島常用材料焊縫，制作了裂紋、未焊透、未熔合、夾渣等人工缺陷，對(duì)TOFD、超聲檢測(cè)(UT)及射線檢測(cè)(RT)中的缺陷評(píng)級(jí)、缺陷測(cè)長(zhǎng)、測(cè)深、缺陷自身高度測(cè)量等方面內(nèi)容進(jìn)行了對(duì)比分析，論證了TOFD方法的可靠性，為TOFD方法在核電站常規(guī)島管道焊縫檢測(cè)中的應(yīng)用提供依據(jù)。

1　對(duì)比試驗(yàn)方案

1.1試塊設(shè)計(jì)與制作

由于金屬材料組織不同，對(duì)超聲波的聲學(xué)特性有一定影響，為使試驗(yàn)更接近于工程實(shí)際情況，選取核電站常規(guī)島常用的3種材料：20Cr、P22、WB36CN1進(jìn)行焊接，設(shè)計(jì)的人工缺陷尺寸模擬常規(guī)島管道常見缺陷，如裂紋、夾渣、未熔合、未焊透、氣孔等。

1.2檢測(cè)系統(tǒng)及工藝

為更好地驗(yàn)證和比較各類檢測(cè)方法在核電站常規(guī)島檢測(cè)中的適用性，筆者所設(shè)計(jì)缺陷均來自現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，所選檢測(cè)工藝均依照現(xiàn)有檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)制定。

1.2.1TOFD檢測(cè)系統(tǒng)及工藝

根據(jù)NB/T 47013.10-2010《承壓設(shè)備無損檢測(cè) 第10部分:衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)》標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于厚度為15～35 mm的試塊，采用一個(gè)檢測(cè)分區(qū)，推薦探頭的頻率范圍為5～10 MHz，角度范圍為60°～70°，晶片直徑為2～6 mm。選擇5 MHz(直徑6 mm)和7.5 MHz(直徑3 mm)兩種常見頻率，60°和70°兩種角度，分別檢測(cè)厚20,30 mm工件，利用聲學(xué)覆蓋分析進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，掃查探頭中心間距(PCS)按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的聲束覆蓋范圍深度的2/3選取，得到8組工藝參數(shù)，見表1。

表1　檢測(cè)工藝及盲區(qū)參數(shù)

1.2.2射線檢測(cè)工藝

射線檢測(cè)執(zhí)行JB/T 4730.2-2005《承壓設(shè)備無損檢測(cè)第2部分: 射線檢測(cè)》標(biāo)準(zhǔn)，所用儀器型號(hào)為X-3005-17，焦點(diǎn)尺寸為2.5 mm×2.5 mm ，焦距為700 mm，電壓為230 kV，曝光量為15 mA·min，增感屏為Pb 0.1/0.1 mm，膠片型號(hào)為柯達(dá)MX125，顯影溫度20 ℃，顯影時(shí)間5 min，定影時(shí)間10 min。

1.2.3常規(guī)超聲檢測(cè)工藝

超聲檢測(cè)執(zhí)行JB/T 4730.3-2005《承壓設(shè)備無損檢測(cè)第3部分: 超聲檢測(cè)》標(biāo)準(zhǔn)，儀器為PXUT-2，試塊型號(hào)為CSK-ⅠA和CSK-ⅢA，掃描速度按深度1∶1調(diào)節(jié)，掃查范圍大于2.5TK(T為母材厚度;K為探頭K值)，掃查方式為鋸齒形移動(dòng)和擺動(dòng)，評(píng)定線、定量線和判廢線分別為φ1 mm×6 mm-9 dB、φ1 mm×6 mm-3 dB、φ1 mm×6 mm+5 dB，表面補(bǔ)償4 dB。

2　試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1檢出率比較

試驗(yàn)利用三種方法共檢測(cè)出38個(gè)缺陷，包括圓形缺陷，長(zhǎng)條形缺陷、裂紋、未焊透、層間未熔合和坡口未熔合缺陷。缺陷檢出數(shù)如表2所示。

表2　缺陷檢出數(shù)　個(gè)

從表2可以看出:采用TOFD、超聲、射線檢測(cè)分別對(duì)裂紋、層間未熔合、圓形缺陷三類缺陷的檢出率差異較大，其中超聲有1個(gè)近表面裂紋未檢出，與超聲波束的取向性較差有關(guān)，因此未被檢出。射線有3個(gè)裂紋未檢出，射線對(duì)裂紋類缺陷的檢測(cè)靈敏度低于超聲和TOFD。對(duì)層間未熔合等具有一定取向性的小缺陷，超聲和射線的檢出能力都較差，而TOFD可以檢出所有的層間未熔合缺陷，TOFD的回波特征類似圓形缺陷。

圓形缺陷分單個(gè)圓形缺陷和密集型氣孔兩類，對(duì)于單個(gè)氣孔、夾渣和夾鎢，射線和TOFD均全部檢出，而超聲全部漏檢，通過射線檢測(cè)結(jié)果得到的圓形缺陷尺寸為φ1～φ4 mm，這說明TOFD的檢測(cè)靈敏度達(dá)到10 mm深度的φ1 mm氣孔。對(duì)密集型氣孔，超聲的檢出率較高，但仍有1個(gè)缺陷漏檢，而射線和TOFD均全部檢出。對(duì)坡口未熔合、未焊透和長(zhǎng)條形夾渣等缺陷，三種方法均全部檢出。

從以上分析可以看出，TOFD檢測(cè)具有明顯的優(yōu)勢(shì)：① TOFD檢測(cè)結(jié)果與射線檢測(cè)結(jié)果都是以二維圖像顯示，具有較高的缺陷檢出率。② TOFD對(duì)氣孔、夾雜等缺陷具有較高檢出率。③ TOFD所采集的衍射信號(hào)與缺陷取向無關(guān)，因而對(duì)裂紋有較高的檢出率。

2.2缺陷定位比較

定位包括深度、距離焊縫中心的距離和沿焊縫長(zhǎng)度三個(gè)值。沿焊縫軸線方向的長(zhǎng)度主要通過缺陷測(cè)長(zhǎng)；由于TOFD的非平行掃查存在軸偏移誤差，而無法準(zhǔn)確得到距離焊縫中心的距離；只有TOFD和超聲可以測(cè)出缺陷深度，故主要分析這兩種方法在深度定位方面的差異。

超聲檢測(cè)獲得缺陷最大回波位置深度，而TOFD獲得缺陷上下尖端衍射信號(hào)，因此TOFD獲得的缺陷深度值一般小于超聲檢測(cè)獲得的深度值，但實(shí)際試驗(yàn)時(shí)也存在TOFD測(cè)得值大于超聲檢測(cè)的情況(見圖1)，由于差異較小，對(duì)工程應(yīng)用無影響。從缺陷種類上來說，分布在工件中部和底面缺陷的深度測(cè)量差異較近表面缺陷的要小。對(duì)焊縫中部存在的裂紋、未熔合等缺陷，深度測(cè)量差異基本在3 mm以內(nèi)。

圖1　超聲檢測(cè)和TOFD檢測(cè)試塊缺陷深度比較

2.3缺陷長(zhǎng)度測(cè)量比較

對(duì)于缺陷長(zhǎng)度的測(cè)量，射線檢測(cè)結(jié)果一般比較準(zhǔn)確，因?yàn)樯渚€檢測(cè)獲得的是缺陷在檢測(cè)平面的投影，可以直接測(cè)量得到缺陷長(zhǎng)度。常規(guī)超聲檢測(cè)常用6 dB法，得到的為指示長(zhǎng)度。TOFD在測(cè)長(zhǎng)方面同樣不具備優(yōu)勢(shì)，一般采用拋物線指針對(duì)缺陷信號(hào)進(jìn)行測(cè)長(zhǎng)，但是由于TOFD檢測(cè)出缺陷圖像的邊界不易準(zhǔn)確識(shí)別，因此其測(cè)長(zhǎng)存在較大的人為誤差。

三種方法測(cè)長(zhǎng)均存在較大的差異性。對(duì)裂紋類缺陷來說，有4個(gè)裂紋的TOFD測(cè)長(zhǎng)與射線測(cè)長(zhǎng)差異小于5 mm，其他裂紋測(cè)長(zhǎng)均存在較大差異，所對(duì)應(yīng)的缺陷為橫向裂紋，TOFD對(duì)橫向裂紋所檢出的長(zhǎng)度為沿焊縫方向，圖像測(cè)長(zhǎng)一般較小。常規(guī)超聲與射線檢測(cè)的差異要大于TOFD。TOFD測(cè)長(zhǎng)結(jié)果大于射線測(cè)長(zhǎng)的裂紋數(shù),占裂紋總數(shù)的44%，但總體來說，在裂紋測(cè)長(zhǎng)法中，TOFD與射線相比不具備優(yōu)勢(shì)。

對(duì)于3個(gè)條形夾渣，從TOFD和射線圖像上看到，其具有明顯的長(zhǎng)條形缺陷特征，但TOFD測(cè)長(zhǎng)與UT和射線對(duì)比存在約不大于5 mm的誤差?？傮w來說，對(duì)較明顯的條形缺陷，TOFD依然不能保證缺陷測(cè)長(zhǎng)的準(zhǔn)確性和重復(fù)性。

對(duì)坡口未熔合缺陷來說，TOFD測(cè)長(zhǎng)與射線檢測(cè)結(jié)果總體較為接近，且均略低于射線檢測(cè)結(jié)果，從射線檢測(cè)結(jié)果可以看到，所制作的未熔合缺陷均為清晰的平行于焊縫的長(zhǎng)條形缺陷，因此其測(cè)長(zhǎng)準(zhǔn)確度較高。常規(guī)超聲與射線檢測(cè)的差異要大于TOFD。

對(duì)于密集型氣孔來說，從射線圖片可以看到，一些密集型氣孔為多個(gè)孔無規(guī)則排布在一起，另一些密集型孔為由2～3個(gè)氣孔排布為一條近似直線，此時(shí)其TOFD圖像有類似長(zhǎng)條形缺陷的特征，從圖可以看到，這類缺陷的測(cè)長(zhǎng)準(zhǔn)確率較隨機(jī)排布?xì)饪椎母?。常?guī)超聲與射線檢測(cè)的差異要大于TOFD。

對(duì)于圓形缺陷來說(單個(gè)氣孔或夾渣)，超聲均未檢出，因此通過對(duì)比TOFD和射線檢測(cè)結(jié)果可以看出，基本上TOFD測(cè)長(zhǎng)值要大于缺陷實(shí)際值，這也驗(yàn)證了TOFD檢測(cè)易將良性缺陷判定為不合格的問題。2.4長(zhǎng)條形缺陷高度測(cè)量與質(zhì)量評(píng)級(jí)

三種檢測(cè)方法在現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中均規(guī)定不允許存在裂紋、未熔合、未焊透等缺陷；而點(diǎn)狀、線狀缺陷無法測(cè)高，因此質(zhì)量評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)以條形缺陷測(cè)高為主。對(duì)試驗(yàn)中可測(cè)的條狀缺陷進(jìn)行平行掃查，由于設(shè)計(jì)的3個(gè)條形缺陷長(zhǎng)度較長(zhǎng)，高度較高，射線評(píng)定為Ⅳ級(jí),TOFD和常規(guī)UT評(píng)定為Ⅲ級(jí),均為最高級(jí)。在較大尺寸缺陷的評(píng)級(jí)方面,三種方法均能有效檢出,評(píng)定級(jí)別相當(dāng)。

3　現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，在現(xiàn)場(chǎng)選取了12條焊縫，拍攝42張射線底片進(jìn)行了對(duì)比分析，通過統(tǒng)計(jì)得出的缺陷檢出數(shù)據(jù)如表3所示。

表3　現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)缺陷檢出數(shù)比較

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，TOFD在常規(guī)島現(xiàn)場(chǎng)管道焊縫具備使用環(huán)境，國(guó)家質(zhì)檢總局針對(duì)TOFD檢測(cè)人員有專門的培訓(xùn)考核項(xiàng)目。射線檢測(cè)在現(xiàn)場(chǎng)采用雙壁單影透照方式進(jìn)行，因透照厚度大，曝光時(shí)間長(zhǎng)，而使得焊縫內(nèi)小圓形缺陷不易檢出，TOFD則可以避免此類情況發(fā)生。在評(píng)級(jí)方面，TOFD個(gè)別評(píng)級(jí)較射線寬松，但總體結(jié)論均合格，不影響焊接質(zhì)量的評(píng)判。

4　結(jié)論

(1) TOFD檢測(cè)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外民用制造行業(yè)，并已形成完善的標(biāo)準(zhǔn)體系和人員培訓(xùn)考核體系。TOFD檢測(cè)為一維掃查，檢測(cè)速度較常規(guī)超聲和射線有較大幅度提高，特別是不涉及輻射防護(hù)，為安裝、調(diào)試節(jié)省大量時(shí)間，利于確保工程進(jìn)度。

(2) 在缺陷檢出率方面，超聲、射線和TOFD的檢出率分別為71%,87%和100%，超聲易漏檢氣孔、夾渣等圓形缺陷，射線易漏檢裂紋等面積型缺陷。

(3) 在缺陷深度測(cè)量方面，超聲和TOFD的深度測(cè)量差異小于3 mm。

(4) 在缺陷測(cè)長(zhǎng)方面，TOFD與射線測(cè)長(zhǎng)根據(jù)缺陷類型不同，存在不同程度差異，對(duì)于較為規(guī)則長(zhǎng)條形缺陷，兩種方法測(cè)長(zhǎng)差異均小于5 mm。

(5) 針對(duì)長(zhǎng)條形缺陷，TOFD與射線檢測(cè)在缺陷長(zhǎng)度方面的質(zhì)量評(píng)級(jí)規(guī)定相同，但TOFD還對(duì)缺陷高度做出要求，TOFD的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)較射線嚴(yán)格。

綜合分析認(rèn)為，在核電常規(guī)島安裝工程中厚壁管道焊縫檢測(cè)中,TOFD代替射線檢測(cè)是可行的。

[1]CARVALHO A A, REBELLO J M A, SOUZA M P V, et al. Reliability of nondestructive test techniques in the inspection of pipelines used in the oil industry[J]. International Journal of Pressure Vessels and Piping,2008, 85(11):745-751.

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[5]ENV 583-6:2000 Nondestructive testing-ultrasonic examination-Part6:Time-of-flight diffraction technique as a method for detection and part sizing of discontinuities[S].[6]ASME Code Case 2235-9. Use of ultrasonic examination in lieu of radiography section I and section Ⅶ，division 1 and 2[S].

The Feasibility of TOFD Detection in Nuclear Power Conventional Island Pipeline Weld

HUI Wei-shan, ZHONG Hua, MU Xiao-zhong

(China Nuclear Power Engineer Co., Ltd., Shenzhen 518124, China)

According to the construction features of conventional island of nuclear power plant, test blocks with artificial defects were designed and manufactured. The TOFD, X-ray and conventional ultrasonic detection on the test block were performed. The detection results from the detection rate, defect location and quantification of defects and defect rating were compared and analyzed. Results show that the TOFD technique in pipeline detection is of high detection reliability. By means of TOFD and radiographic testing in engineering, the application of TOFD technology in conventional island of nuclear power plant is feasible.

TOFD; Conventional island; Application

2016-01-29

惠維山(1975-)，男，高級(jí)工程師，主要從事核電站建設(shè)期間的材料、焊接的無損檢測(cè)技術(shù)和質(zhì)量管理工作。

惠維山, E-mail: huiweishan@cgnpc.com.cn。

10.11973/wsjc201609010

TG115.28；TL4

A

1000-6656(2016)09-0037-03