核電廠BOSS頭焊縫的無損檢測要求

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(深圳中廣核工程設(shè)計有限公司， 深圳 518172)

BOSS頭被廣泛應(yīng)用于核電廠的輔助管道中，主要用于母管和支管的連接。

某核電機組在運行過程中，BOSS頭焊縫出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象，經(jīng)解剖發(fā)現(xiàn)焊縫中存在嚴重的缺陷。通過查閱該BOSS頭預(yù)制焊縫的無損檢測報告得知，該焊縫按照RCC-M規(guī)范《壓水堆核島機械設(shè)備設(shè)計和建造規(guī)則》進行無損檢測，即焊接過程中對根部焊道和完工焊縫進行滲透檢測，檢測結(jié)果均為合格。另外，經(jīng)排查，很多BOSS頭焊縫均存在類似的缺陷。

無損檢測是確保焊縫質(zhì)量的重要手段，為此，筆者以核1級管道奧氏體不銹鋼BOSS頭預(yù)制焊縫的無損檢測為例，探討了對BOSS頭焊縫無損檢測方案進行改進的可行性。

1 BOSS頭焊縫的規(guī)格及檢驗要求

1.1 結(jié)構(gòu)形式和規(guī)格

核1級系統(tǒng)管道中BOSS頭與母管的連接焊縫為安放式接管焊縫。常用BOSS頭的公稱尺寸有12.7,19.5,25.4,50.8 mm等多種規(guī)格，根據(jù)結(jié)構(gòu)和尺寸分類，BOSS頭又可分為多種類型，如1,3,7,14型等。預(yù)制焊縫通常采用“先焊接后鉆孔”的加工成型工藝，即BOSS頭先預(yù)加工小孔，待BOSS頭與母管焊接完成后再擴孔至最終尺寸。圖1為一種典型的BOSS頭焊縫結(jié)構(gòu)示意。

圖1 典型的BOSS頭焊縫的結(jié)構(gòu)示意

1.2 材料和焊接檢驗要求

核1級系統(tǒng)管道的母管和BOSS頭材料均為奧氏體不銹鋼，采用非熔化極氣體保護焊和焊條電弧焊工藝焊接，焊接過程中通常對根部焊道和完工焊縫表面進行滲透檢測。

2 BOSS頭焊縫的無損檢測要求

根據(jù)RCC-M規(guī)范要求，BOSS頭預(yù)制焊縫的待焊表面、焊接過程中及焊接完成后的無損檢測要求見表1。針對BOSS頭預(yù)制焊縫，RCC-M規(guī)范的檢測要求存在下述局限性。

(1) 預(yù)制焊縫采用“先焊接后成型”工藝，滲透檢測合格的根部焊道在后續(xù)鉆孔中被加工去除；如臨近根部區(qū)域存在缺陷，阿迪王有可能在鉆孔后變?yōu)樽罱K焊縫的表面缺陷。

(2) 鉆孔后內(nèi)徑太小，內(nèi)表面無法進行滲透檢測。

(3) 滲透檢測能發(fā)現(xiàn)被檢表面區(qū)域的缺陷，但根部焊道與焊接表面之間的焊縫金屬缺乏有效的檢測手段，不利于焊接質(zhì)量的監(jiān)督與控制。

表1 RCC-M規(guī)范對BOSS頭焊縫的無損檢測要求

3 BOSS頭焊縫無損檢測要求的改進分析

3.1 射線檢測要求

3.1.1 標準規(guī)范要求

(1) RCC-M規(guī)范

RCC-M MC 3312.5《射線檢驗?zāi)z片和射線源的相對位置》中規(guī)定，在對安放式接管焊縫進行射線檢測時，膠片應(yīng)放在支管內(nèi)且緊貼被檢管壁，射線源應(yīng)放在管外側(cè)焊縫坡口的軸線上，偏差在0°～10°以內(nèi)，其檢測透照示意如圖2所示。

圖2 安放式接管焊縫射線檢測透照示意

通常情況下，內(nèi)徑不大于60 mm的安放式接管焊縫被認為難以用射線方法進行檢測，RCC-M規(guī)范也不強制要求對此類尺寸的接管焊縫進行射線檢測[1]。BOSS頭焊縫的內(nèi)徑在9.5～43 mm的范圍內(nèi)，實際檢驗中無法將膠片放置于接管內(nèi)側(cè)，因此無法按照RCC-M規(guī)范的標準要求進行射線檢測(片在內(nèi),源在外)。

(2) 其他標準

根據(jù)GB/T 3323《金屬熔化焊焊接接頭射線照相》、EN1435Non-destructiveTestingofWelds-RadiographicTestingofWeldedJoints標準，安放式接管的射線檢測可采用單壁外透法(見圖3)、單壁中心內(nèi)透法(見圖4)、單壁偏心內(nèi)透法(見圖5)進行透照。

圖3 安放式管座焊縫單壁外透法示意

圖4 安放式管座焊縫單壁中心內(nèi)透法示意

圖5 安放式管座焊縫單壁偏心內(nèi)透法示意

當(dāng)進行A級、B級檢測時，應(yīng)符合

A級f/d≥7.5b2/3

(1)

B級f/d≥15b2/3

(2)

式中：b為射線源側(cè)工件表面與膠片的距離，當(dāng)b<1.2t時，可用公稱厚度t代替;f為射線源與工件表面的距離;d為射線源尺寸。

特殊情況下，射線源置于被檢工件內(nèi)部透照時，射線源與工件的最小距離fmin允許減小，但減小值不應(yīng)超過20%;射線源置于被檢工件內(nèi)部中心透照時，在滿足像質(zhì)計要求的前提下，射線源與工件的最小距離fmin允許減小，但減小值不應(yīng)超過50%[1-2]。

BOSS頭焊縫的內(nèi)徑在9.5～43 mm內(nèi)，實際檢驗中無法將膠片放置于接管內(nèi)側(cè)，因此無法按照GB/T 3323、EN 1435標準的要求進行單壁外透法射線檢測。

以公稱尺寸為25.4 mm的7P型BOSS頭焊縫為例，其外徑為65 mm,內(nèi)徑為9.5 mm，壁厚為27.75 mm。假設(shè)采用φ2 mm的Ir192射線源進行單壁中心內(nèi)透法進行檢測,A級檢測時，fmin≥78.5 mm(假設(shè)b=1.2t)，由于接管內(nèi)徑太小，焦距無法滿足要求，也無法按照GB/T 3323、EN 1435標準的要求進行單壁偏心內(nèi)透法或單壁中心內(nèi)透法射線檢測。

3.1.2 其他實踐經(jīng)驗

預(yù)制廠和現(xiàn)場采用一種非標準射線檢測作為輔助檢查手段，射線膠片與放射源均放于支管外側(cè)，膠片與焊縫存在較大間隙。非標射線檢測透照方法示意如圖6所示。

圖6 非標射線檢測透照方法示意

非標射線檢測工藝所拍攝的底片能夠在一定程度上發(fā)現(xiàn)焊縫內(nèi)部的缺陷，但也存在較多局限性。

(1) 底片黑度差異變化大

BOSS頭厚度梯度變化大，底片接收的射線能量極不均勻，射線底片上不同區(qū)域的黑度相差大，缺陷難以識別。

(2) 幾何不清晰度變化大

底片上不同區(qū)域的幾何不清晰度相差大，可滿足評定的區(qū)域很小。

(3) 無法實現(xiàn)100%檢查

受BOSS焊縫結(jié)構(gòu)影響，只能將射線源和膠片放置于管道兩側(cè)進行透照，無法進行管道軸向方向的透照。

(4) 缺乏驗收標準

由于射線膠片與放射源均放于支管外側(cè)，且膠片與焊縫存在較大間隙，射線底片上缺陷顯示尺寸比實際缺陷尺寸更大，國內(nèi)外均沒有此類透照方式的對應(yīng)驗收標準。

3.2 超聲檢測要求

超聲檢測對未焊透、未熔合和裂紋等面積型缺陷比較敏感，檢測靈敏度也較高，工作效率高。但由于管座角焊縫的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，超聲檢測時受到管座曲率、壁厚和馬鞍狀焊縫形式等因素的影響，以及檢測位置的局限，缺陷信號的識別難度大，缺陷的定位困難。常規(guī)超聲檢測管座角焊縫的技術(shù)難點如下所述[3-4]。

(1) 缺陷信號的識別難度大。支管曲率大，在支管面檢測時易出現(xiàn)表面波干擾，主管內(nèi)孔壁產(chǎn)生反射波干擾，即局部特定位置的變形波干擾，從而干擾波出現(xiàn)在示波屏上的位置與缺陷波出現(xiàn)的位置易混淆。

(2) 缺陷定位困難,超聲波入射方向隨入射點曲率的變化而變化，使用二次波檢測時反射面的曲率點各不相同，反射波的方向也隨反射點曲率的變化而變化，故缺陷定位受到很大影響。

(3) 探頭移動的距離一般較短，無法對焊縫整個截面實現(xiàn)100%檢測，容易導(dǎo)致焊縫中部分區(qū)域漏檢。

此外，BOSS頭母材為奧氏體不銹鋼，奧氏體焊縫粗大的柱狀晶粒組織和焊縫結(jié)構(gòu)的各向異性對超聲波有強烈的散射衰減和扭曲作用，常規(guī)的超聲探頭穿透力不足，檢測困難。

相控陣超聲檢測技術(shù)具有波束方向和焦距自由變換，檢測結(jié)果易于成像，檢測可達性和適用性好等優(yōu)點，能有效檢測對接接頭及接管座角接接頭，該技術(shù)能提高超聲檢測的精確性、重現(xiàn)性及檢測結(jié)果的可靠性，實現(xiàn)檢測結(jié)果多維顯示。研究結(jié)果表明，相控陣超聲檢測技術(shù)對管座角焊縫展現(xiàn)了其優(yōu)越性，相控陣檢測的缺陷檢出率和檢測可靠性均優(yōu)于常規(guī)超聲波檢測，可以較好地發(fā)現(xiàn)管座角焊縫的內(nèi)部缺陷[3-5]。為了驗證BOSS頭焊縫相控陣超聲檢測效果，國內(nèi)某檢測單位制作了部分BOSS頭焊縫模擬試塊進行試驗，以圖1所示的BOSS頭焊縫結(jié)構(gòu)類型為例，分別將探頭置于BOSS頭的直段和斜坡區(qū)域進行掃查，自聚焦探頭和柔性探頭能夠較好地貼合在工件上，聲束可對焊縫內(nèi)部1/3區(qū)域?qū)崿F(xiàn)全掃查覆蓋，且模擬試塊上的參考缺陷均能檢測出，掃查示意和掃查結(jié)果見圖7，8。但由于目前暫缺乏適用的缺陷驗收標準，該方法只能用于缺陷的定位，以便準確找到缺陷位置從而進行返修。如需作為缺陷的檢測和驗收手段，則還需進一步研究出合理的檢測驗收標準。

圖7 BOSS頭焊縫直段區(qū)域相控陣超聲檢測結(jié)果

3.3 滲透檢測要求

目前，對于無法或難以進行體積檢測的全焊透角焊縫，比較常用的替代方式為“增加焊接過程中的滲透檢測”，此種替代方式在核承壓設(shè)備的角焊縫或支管連接焊縫中應(yīng)用比較多，是一種成熟可靠的方式。

核1級BOSS頭焊縫采用“先焊接后鉆孔”成型工藝，焊縫厚度較大，一般用氬弧焊+手工電弧焊的方式進行作業(yè)。根據(jù)現(xiàn)場反饋，全氬焊層數(shù)至少4層。以7P型BOSS頭焊縫為例，通過計算可知，焊后內(nèi)部鉆孔切除量約為2～5 mm。根據(jù)常規(guī)焊接厚度計算可知，根部約有1～2層氬弧層被鉆掉。受接管內(nèi)徑尺寸影響，鉆孔后無法對焊縫內(nèi)表面進行滲透檢測，為確保最終產(chǎn)品焊縫的根部質(zhì)量，可對前3層逐層進行滲透檢測，即使后續(xù)鉆孔將前2層焊層切除，剩余的根部焊層仍能通過第3層的滲透檢測來確保鉆孔后的焊縫內(nèi)表面質(zhì)量狀況。

根據(jù)泄漏BOSS頭焊縫的解剖分析，發(fā)生泄漏的關(guān)鍵原因為焊接產(chǎn)生的坡口未熔合缺陷，該缺陷幾乎貫穿于焊縫壁厚。BOSS頭焊縫的厚度較厚(焊接厚度多為20 mm以上)，一般需焊接十余層，焊接過程中進行滲透檢測(通常為每三層進行一次滲透檢測)，可以及時發(fā)現(xiàn)焊接過程中的缺陷，避免形成尺寸較大的、貫穿焊縫的缺陷。

綜上所述，對于核1級BOSS頭預(yù)制焊縫，可增加焊接過程中的滲透檢驗，即焊接過程中對前3層逐層滲透檢驗、后續(xù)每3層進行滲透檢驗以及完工焊縫滲透檢驗。

4 結(jié)語

采用合適的檢測方法是BOSS頭焊縫質(zhì)量的重要保證。所采用的檢測方法應(yīng)當(dāng)能夠有效檢測出焊縫中所存在的危險性缺陷，確保焊縫焊接質(zhì)量，也應(yīng)當(dāng)避免對焊縫過度檢測而導(dǎo)致不必要的返修。

在當(dāng)前檢驗技術(shù)條件下，可增加BOSS頭預(yù)制焊縫焊接過程中的滲透檢驗來加強焊縫質(zhì)量檢查與控制。同時，應(yīng)進一步研究BOSS頭焊縫的體積檢驗方法和驗收準則，如相控陣超聲檢驗，以便實現(xiàn)焊縫內(nèi)部缺陷的有效檢測和評定。

[1] GB/T 3323-2005 金屬熔化焊焊接接頭射線照相[S].

[2] EN 1435-1997 Non-destructive testing of welds - Radiographic testing of welded joints[S].

[3] 牟彥春，金南輝，葛翔. 電站鍋爐接管座角焊縫超聲相控陣檢測技術(shù)[J]. 無損檢測，2011，33(1)：75-78.

[4] 林彤. 電站鍋爐管座角焊縫相控陣超聲檢測應(yīng)用[J]. 質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督研究，2016，47(5)：1-6.

[5] 鄧江敏. 電站鍋爐T型接管角接接頭相控陣檢測技術(shù)研究[D].南昌:南昌航空大學(xué)，2012.