核電主管道奧氏體不銹鋼焊縫的相控陣超聲檢測(cè)

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(1.北京市核建恒信檢測(cè)技術(shù)有限公司,北京 101300;2.中國(guó)核工業(yè)二三建設(shè)有限公司,北京 101300)

大厚度不銹鋼管道是壓水堆型核反應(yīng)堆管道安裝焊接中最重要的部分，其材料屬于Cr-Ni奧氏體不銹鋼。該材料導(dǎo)熱性較差，線膨脹系數(shù)較大，在焊接過程中會(huì)產(chǎn)生較大的焊接應(yīng)力，如果焊接材料或焊接工藝選擇不當(dāng)，會(huì)產(chǎn)生晶間腐蝕和熱裂紋等缺陷，影響焊縫的質(zhì)量。且奧氏體焊縫具有柱狀晶組織、晶粒粗大，且超聲波在焊縫中傳播時(shí)，會(huì)受到其晶粒直徑和柱狀晶組織具有的彈性各向異性的嚴(yán)重影響，而發(fā)生聲速變化、散射衰減增大及波束偏移的情況[1-5]，對(duì)其采用一般碳鋼和低合金鋼所用的超聲方法進(jìn)行檢測(cè)，效果不佳。

從20世紀(jì)70年代起，國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)奧氏體不銹鋼焊縫超聲檢測(cè)進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究[6-9]，歐、美、日等國(guó)較早開展了相關(guān)研究，并于2004年發(fā)布了有關(guān)奧氏體不銹鋼和鎳基合金焊縫超聲檢測(cè)方法的最新標(biāo)準(zhǔn)[10]。國(guó)內(nèi)對(duì)奧氏體不銹鋼焊縫超聲檢測(cè)的研究相對(duì)較晚一些。1985年，余菊生[11]對(duì)20 mm和50 mm厚的304奧氏體不銹鋼焊縫進(jìn)行超聲檢測(cè)，得出2 MHz探頭在熔合區(qū)的聲波能量衰減小于5 MHz探頭檢測(cè)時(shí)的能量衰減，縱波斜射檢測(cè)一般不用二次波反射法進(jìn)行檢測(cè)的結(jié)論。隨后張家駿總結(jié)了國(guó)內(nèi)外奧氏體不銹鋼焊縫超聲檢測(cè)有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)，也得到了系列的相關(guān)結(jié)論。1992年，曹發(fā)美等[12]采用60°折射角的窄脈沖縱波斜探頭對(duì)含9%Ni的奧氏體不銹鋼焊縫進(jìn)行檢測(cè)，取得了很好的效果。1994年，晏榮明等[5]分別采用不同參數(shù)(探頭頻率、折射角、直徑)的探頭對(duì)奧氏體不銹鋼焊縫試塊進(jìn)行檢測(cè)。2001年，康紀(jì)黔[13]等發(fā)表了《奧氏體不銹鋼焊縫超聲波檢驗(yàn)規(guī)程》，這是目前國(guó)內(nèi)比較完整的介紹奧氏體不銹鋼對(duì)接焊縫超聲檢測(cè)的規(guī)程。檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 4730-2005中的《奧氏體不銹鋼對(duì)接焊縫超聲檢測(cè)和質(zhì)量分級(jí)》也提出了一些奧氏體不銹鋼焊縫對(duì)接接頭檢測(cè)的通用技術(shù)要求[14],如采用縱波檢測(cè)、低頻檢測(cè),采用寬頻帶窄脈沖探頭來提高信噪比,采用聚焦探頭進(jìn)行檢測(cè),采用多種頻率法檢測(cè)等。

近年來，信號(hào)處理技術(shù)常用來增強(qiáng)信噪比，提取缺陷散射信息。但由于奧氏體不銹鋼材料產(chǎn)生的噪聲具有高度的相干性，常用的信號(hào)處理技術(shù)對(duì)之收效甚微。由于上述原因，目前的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)條件中對(duì)此類奧氏體不銹鋼焊縫的檢測(cè)，一般只要求進(jìn)行射線檢測(cè)和滲透檢測(cè)(包括分層滲透檢測(cè))。但是由于核反應(yīng)堆主回路管道直徑在828～976 mm間，壁厚在66～96 mm間時(shí)采用γ射線檢測(cè)的效果不佳，而射線檢測(cè)技術(shù)對(duì)體積類缺陷檢出率高，對(duì)于危害性很大的裂紋型缺陷并不敏感，很容易發(fā)生漏檢而給核工程的安全運(yùn)行帶來較大的隱患。

相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)的出現(xiàn)為解決核電主管道奧氏體不銹鋼焊縫檢測(cè)提供了新思路，其主要有以下特點(diǎn)：① 可用計(jì)算機(jī)軟件控制聲束角度、聚焦距離和焦點(diǎn)尺寸；② 可用單個(gè)小型的電控多元探頭在同一位置作多角度檢測(cè)；③ 可對(duì)復(fù)雜的幾何形狀進(jìn)行檢測(cè),機(jī)動(dòng)、靈活性較大；④ 配置機(jī)械夾具, 可對(duì)整個(gè)試件作高速、全面掃查;⑤ 采用計(jì)算機(jī)采集信號(hào)和處理數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了超聲檢測(cè)的圖像化，數(shù)據(jù)可存儲(chǔ)及離線分析。2002年，美國(guó)電力研究所嘗試采用相控陣超聲波技術(shù)檢測(cè)壓水堆(PWR)主冷卻管道上的焊縫，發(fā)現(xiàn)可以大大縮短檢查時(shí)間，從而降低工作人員的受照量并節(jié)省開支。即使是對(duì)很難接觸到的焊縫(例如反應(yīng)堆壓力容器封頭的熔透焊縫)，該技術(shù)也能夠以一次掃描動(dòng)作完成，但檢測(cè)精度和可靠性仍有待于進(jìn)一步提高。筆者采取理論研究、分析計(jì)算、數(shù)值模擬以及超聲相控陣檢測(cè)、射線檢測(cè)等多種手段相結(jié)合的方式，制定核工程奧氏體不銹鋼焊縫相控陣超聲檢測(cè)工藝，在厚壁奧氏體不銹鋼焊縫建模及超聲檢測(cè)數(shù)值模擬、相控陣超聲檢測(cè)方法及現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)應(yīng)用等方面取得突破。

1 奧氏體不銹鋼母材及焊縫的微觀組織和聲學(xué)響應(yīng)

為了研究奧氏體晶粒對(duì)超聲波傳播特征的影響，對(duì)奧氏體不銹鋼焊縫的微觀組織進(jìn)行了分析。通過對(duì)焊縫組織結(jié)構(gòu)建模專用試塊進(jìn)行金相顯微觀察，利用聲學(xué)參量測(cè)量等方法對(duì)奧氏體不銹鋼試樣進(jìn)行了研究，從而為焊縫物理建模及后續(xù)的超聲檢測(cè)數(shù)值模擬提供依據(jù)。以?shī)W氏體不銹鋼試塊PA-SA-6、PA-SA-7的宏觀組織為例(見圖1,2)進(jìn)行分析。從圖1可以看出，焊縫與母材的組織存在明顯差異。焊縫區(qū)域?yàn)榕帕芯o密的柱狀晶組織，且不同區(qū)域的柱狀晶方向有所差別；母材組織晶粒相對(duì)細(xì)小，但各處并不均勻，在焊縫右側(cè)可以看出明顯的分層現(xiàn)象。從圖2可以看出：左側(cè)母材(①,③,⑤小圖)中鐵素體呈網(wǎng)狀分布，右側(cè)母材(②,④,⑥小圖)中鐵素體則呈長(zhǎng)粒狀，且分布較為離散。這種微觀組織的顯著差異，會(huì)影響超聲波在其中的傳播特性及檢測(cè)效果。

對(duì)奧氏體不銹鋼試塊(PA-SA-1和PA-SA-2)不同位置的縱波速度測(cè)試表明，試塊中聲速在5 000～6 000 m·s-1之間波動(dòng)，如圖3所示(圖中的采點(diǎn)表示一條線中的相對(duì)采點(diǎn)位置，無單位)。

圖4為同一個(gè)試塊(PA-SA-1)上兩個(gè)測(cè)試位置的超聲回波信號(hào)及其幅度譜情況。由圖4可看出，回波信號(hào)中均出現(xiàn)了明顯的“草狀回波”，表明材料內(nèi)部晶粒組織粗大，散射衰減嚴(yán)重。

圖1 奧氏體不銹鋼試塊(PA-SA-6)宏觀組織照片

圖2 奧氏體不銹鋼試塊(PA-SA-7)焊縫及兩端母材的金相組織

圖3 試塊不同位置的超聲縱波聲速

圖4 PA-SA-1試塊不同位置超聲波回波信號(hào)及其幅度譜

2 奧氏體不銹鋼焊縫相控陣超聲檢測(cè)方法

文章設(shè)計(jì)制作了厚壁CCASS焊縫超聲檢測(cè)試塊共15塊；根據(jù)CCASS焊縫超聲波傳播規(guī)律及超聲散射衰減機(jī)理，將數(shù)值模擬和超聲測(cè)試、射線檢測(cè)及解剖驗(yàn)證相結(jié)合，研究CCASS焊縫中超聲波聲束聚焦、偏轉(zhuǎn)、形成等原理，并對(duì)相控陣超聲探頭參數(shù)、聚焦法則參數(shù)、超聲參數(shù)進(jìn)行了設(shè)置及優(yōu)化，提高了缺陷檢測(cè)信噪比，最終確定了核電站厚壁CCASS焊縫相控陣超聲檢測(cè)方法及工藝，在多種成像方式、最大檢測(cè)厚度、檢測(cè)信噪比、缺陷檢出率及缺陷長(zhǎng)度定量等方面均取得突破，最大檢測(cè)厚度可達(dá)110 mm。

2.1 相控陣超聲設(shè)置參數(shù)優(yōu)化

相控陣超聲檢測(cè)儀器的超聲參數(shù)設(shè)置對(duì)檢測(cè)空間分辨率和對(duì)比度分辨率有重要影響，明確各個(gè)參數(shù)對(duì)檢測(cè)效果的影響規(guī)律，并給出各參數(shù)的優(yōu)化原則和優(yōu)化方法，對(duì)奧氏體不銹鋼焊縫超聲檢測(cè)研究具有重要意義。相控陣超聲設(shè)置參數(shù)包括：通道增益、脈沖寬度、帶通濾波、采樣頻率、平滑化、平均化、脈沖重復(fù)頻率、采樣位數(shù)、時(shí)基模式、電壓等。圖5為脈沖寬度從100 ns到1 000 ns變化時(shí)的扇形掃查圖，可以看出過小或者過大的脈沖寬度檢測(cè)效果都不是很好，實(shí)際檢測(cè)中應(yīng)選取合適的脈沖寬度。

圖6為半聲程聚焦模式下的脈沖寬度-回波幅值-信噪比曲線，可以看出，隨著脈沖寬度的變化，目標(biāo)孔的回波幅值先增后減，在450～500 ns左右存在一個(gè)最大值，噪聲幅值也呈現(xiàn)相同的規(guī)律。因此，實(shí)際檢測(cè)中，應(yīng)使脈沖寬度調(diào)整到陣列探頭主頻周期的一半左右，這樣既能保證回波的幅值，同時(shí)信噪比也能達(dá)到要求。

圖5 不同脈沖寬度值對(duì)應(yīng)φ3 mm邊鉆孔的扇掃圖

圖6 半聲程聚焦模式下的脈沖寬度-回波幅值-信噪比曲線

2.2 相控陣超聲聚焦參數(shù)優(yōu)化

相控陣超聲檢測(cè)聚焦參數(shù)主要包括聚焦類型、焦距、探頭類型等。文章僅以焦點(diǎn)深度為例進(jìn)行敘述。圖7為不同真實(shí)深度聚焦距離對(duì)深度為48 mm的邊鉆孔的檢測(cè)效果,可以看出在真實(shí)深度聚焦條件下，應(yīng)適當(dāng)調(diào)小聚焦距離以滿足實(shí)際檢測(cè)要求。

圖7 不同真實(shí)深度聚焦距離對(duì)深度為48 mm的邊鉆孔的檢測(cè)效果

圖8是不同真實(shí)深度聚焦焦距F時(shí)，檢測(cè)距上表面48 mm、直徑3 mm的邊鉆孔時(shí)的扇掃圖。由缺陷的扇掃結(jié)果可知，聚焦位置與檢測(cè)位置相同時(shí)，成像結(jié)果得到明顯優(yōu)化。

圖8 不同真實(shí)深度聚焦焦距F時(shí)，深度為48 mm的邊鉆孔的扇掃圖

3 核電站主管道焊縫相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用

根據(jù)奧氏體不銹鋼焊縫相控陣超聲檢測(cè)和射線檢測(cè)的對(duì)比結(jié)果，對(duì)相控陣超聲檢測(cè)的可靠性、檢測(cè)技術(shù)及精度等進(jìn)行了研究，分析了影響檢測(cè)質(zhì)量及可靠性的因素，規(guī)范了核電廠主管道焊縫相控陣超聲檢測(cè)的實(shí)施過程和驗(yàn)收準(zhǔn)則，包括人員資格、超聲波檢測(cè)設(shè)備、檢測(cè)技術(shù)參數(shù)、過程控制、記錄準(zhǔn)則及驗(yàn)收準(zhǔn)則和檢測(cè)報(bào)告等。目前該技術(shù)已成功應(yīng)用于核電站主管道焊縫的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中，提高了檢測(cè)的質(zhì)量和效率，對(duì)確保核電站的安全運(yùn)行具有重要意義。

4 結(jié)論

(1) 奧氏體不銹鋼焊縫晶粒粗大，且柱狀晶與等軸晶混雜，這種微觀組織的顯著差異，顯著地影響了超聲波在其中的傳播特性及檢測(cè)效果。試樣中聲速在5 000～6 000 m·s-1間波動(dòng)，回波信號(hào)中出現(xiàn)明顯的“草狀回波”。試驗(yàn)通過確定彈性各向異性介質(zhì)彈性常數(shù)等方法，使奧氏體不銹鋼超聲檢測(cè)數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)吻合良好。

(2) 通過對(duì)超聲設(shè)置參數(shù)和聚焦參數(shù)的優(yōu)化發(fā)現(xiàn)，當(dāng)脈沖寬度在陣列探頭主頻周期的一半左右時(shí)，既能保證回波的幅值，又能滿足信噪比要求。在真實(shí)深度聚焦條件下，應(yīng)適當(dāng)調(diào)小聚焦距離以滿足實(shí)際檢測(cè)要求，且聚焦位置與檢測(cè)位置相同時(shí)，成像質(zhì)量得到明顯優(yōu)化。

(3) 試驗(yàn)成果已成功應(yīng)用于核電站主管道焊縫的超聲檢測(cè)工作中，開創(chuàng)了我國(guó)核電建造關(guān)鍵路徑采用具有世界先進(jìn)水平的超聲成像檢測(cè)技術(shù)的先河。

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