核電廠BOSS焊縫的相控陣超聲檢測

(深圳中廣核工程設(shè)計有限公司， 深圳 518172)

工程領(lǐng)域中，管道上支管連接最常見的結(jié)構(gòu)型式有以下三類：① 整體管件型，即主管與支管通過三通管件連接，如圖1所示；② 焊接支管型，即主管開孔，支管直接焊接，如圖2所示；③ 加強管接頭型，即主管開孔，通過支管連接件與支管連接，如圖3所示。焊接支管型和加強管接頭型結(jié)構(gòu)型式相較于整體管件型，具有制造工藝簡單、造價低等優(yōu)勢，在各行業(yè)應(yīng)用較廣。

圖1 整體管件型結(jié)構(gòu)示意

圖2 焊接支管型結(jié)構(gòu)示意

核電廠不銹鋼管道系統(tǒng)中大量采用的BOSS結(jié)構(gòu)為加強管接頭型，屬于補強過渡設(shè)計，管座(BOSS)與母管連接形式為安放式焊接，為全焊透角焊縫，如圖4所示。制造過程中一般采用“先鉆孔后焊接”與“先焊接后鉆孔”兩種方式，這兩種結(jié)構(gòu)對應(yīng)的BOSS形式均為RCC-M 《壓水堆核島機械設(shè)備設(shè)計和建造規(guī)則》S篇附錄SIII中推薦的管道焊接接頭形式。

圖3 加強管接頭型結(jié)構(gòu)示意

圖4 核電廠BOSS頭焊縫結(jié)構(gòu)示意

國內(nèi)核電廠較多采用RCC-M規(guī)范進行檢測。BOSS頭焊縫類似不銹鋼全焊透角焊縫,RCC-M規(guī)范中的相關(guān)規(guī)定為：① 接頭內(nèi)徑小于或等于60 mm時，完工焊縫僅要求進行液體滲透檢測；② 當接頭內(nèi)徑大于60 mm且外徑小于或等于114 mm時，或接頭外徑大于114 mm時，完工焊縫要求進行液體滲透檢測和射線檢測。核電廠不銹鋼管道系統(tǒng)采用的BOSS頭的內(nèi)、外徑尺寸較小，因此BOSS頭焊縫制造階段僅進行了液體滲透檢測。

1 BOSS焊縫相控陣超聲檢測技術(shù)開發(fā)需求

BOSS頭焊縫在核電廠一回路和2、3級管道系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。國內(nèi)某電廠BOSS頭焊縫泄漏問題的出現(xiàn)，暴露出BOSS頭焊縫預制階段的品質(zhì)問題，若不能及時處理糾正，會給核電廠的安全高效運行帶來風險，因此需要對BOSS頭焊縫制造階段和在役階段的內(nèi)部品質(zhì)檢測提出要求。

常規(guī)的無損體積檢測方法包括射線檢測和超聲檢測[1]。對于BOSS頭焊縫的特殊型式，常規(guī)超聲檢測探頭需要較大的移動空間，不適用于BOSS頭焊縫結(jié)構(gòu)型式；常規(guī)超聲檢測技術(shù)針對不銹鋼材料和焊縫的檢測經(jīng)驗不成熟；且現(xiàn)場僅能采用手工檢測方式，檢測時間長，部分BOSS頭焊縫所處的高輻射環(huán)境對超聲檢測的實施也有限制。

現(xiàn)階段BOSS頭焊縫的品質(zhì)排查采用射線檢測方法，但是現(xiàn)場實施存在如下問題：

(1) 射線檢測透照工藝為“非標”模式，底片只能布置在焊縫“腹部”，即圖4中90°(或相對的270°)側(cè)，且存在底片布置與固定困難、底片與焊縫不能緊密貼合而造成射線散射嚴重、底片評定困難等問題。

(2) 焊縫肩部區(qū)域，即圖4中0°和對應(yīng)的180°側(cè)為盲區(qū)，不能有效檢測。

為進一步保證電廠BOSS頭焊縫類似管座角焊縫的結(jié)構(gòu)完整性，借鑒火電行業(yè)鍋爐、輔汽聯(lián)箱、換熱器等碳鋼容器、管道與支管的角焊縫相控陣超聲檢測，和核電廠常規(guī)島碳鋼管道對接焊縫相控陣超聲檢測成熟的工程經(jīng)驗，開發(fā)了不銹鋼BOSS頭焊縫相控陣超聲檢測技術(shù)方案。

2 相控陣超聲檢測技術(shù)原理

與常規(guī)超聲單晶片探頭不同，相控陣超聲檢測探頭集成多個小晶片，通過電子系統(tǒng)控制陣列中的各個晶片按照一定的延時法則發(fā)射和接收超聲波，從而實現(xiàn)聲束掃描、偏轉(zhuǎn)與聚焦等功能，可在小的移動區(qū)域或不移動的情況下實現(xiàn)較大區(qū)域的檢測，同時可通過不同的偏轉(zhuǎn)、聚焦模式，提供最優(yōu)化的檢測方案。常見相控陣超聲探頭的晶片布置型式有一維線陣、面陣、雙晶面陣等,如圖5所示。

圖5 常見相控陣超聲探頭晶片布置型式

實際產(chǎn)品的相控陣超聲檢測工藝開發(fā)過程中，可根據(jù)實際檢測條件和檢測需求選擇不同結(jié)構(gòu)型式的探頭，同時設(shè)置不同的聚焦法則，包括聲束偏轉(zhuǎn)角和聚焦深度，以達到最優(yōu)化的檢測效果。

3 碳鋼對接焊縫相控陣超聲檢測經(jīng)驗

2017年，某核電廠常規(guī)島現(xiàn)場焊接檢測調(diào)試階段，由于射線檢測僅限于夜間操作，檢測效率低，不同機組同時作業(yè)存在輻射防護風險等問題，針對碳鋼管道對接焊縫，將射線檢測變更為相控陣超聲檢測。檢測方法的替代論證過程中，針對不同焊縫規(guī)格制備了帶模擬缺陷的焊接試驗件以及現(xiàn)場焊縫，分別對射線檢測和相控陣超聲檢測的缺陷檢出、缺陷長度、評定結(jié)果進行了對比分析，詳細內(nèi)容如表1所示。射線檢測按DL/T 821《金屬熔化焊對接接頭射線檢測技術(shù)和質(zhì)量分級》 Ⅱ級合格評定，相控陣超聲檢測參照NB/T47013.3 《 承壓設(shè)備無損檢測 第3部分：超聲檢測 》Ⅰ級合格評定。

從表1可以看出：

(1) 相控陣超聲檢測與射線檢測技術(shù)存在一定的差異，對不同缺陷類型的敏感性不同，因此在缺陷檢測數(shù)量、缺陷測量長度方面有一定的差異性。

(2) 整體而言，相控陣超聲檢測的缺陷檢出率較射線檢測的高，缺陷的測量尺寸較射線技術(shù)的測量尺寸大。

(3) 試驗件覆蓋不同尺寸規(guī)格的焊縫，選取的相控陣超聲檢測驗收標準評定結(jié)果相較于射線檢測評定結(jié)果更加保守。

(4) 常規(guī)島現(xiàn)場安裝的碳鋼對接焊縫采用相控陣超聲檢測方法替代射線檢測方法，有效地提高了現(xiàn)場檢測效率，降低了人員輻照劑量，縮短了電站建設(shè)調(diào)試工期，提高了電站經(jīng)濟性，為相控陣超聲檢測技術(shù)向核島設(shè)備的推廣應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。

4 不銹鋼BOSS焊縫相控陣超聲檢測技術(shù)開發(fā)

4.1 相控陣超聲檢測仿真方案

目前，碳鋼材料的超聲檢測技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用比較成熟，與碳鋼材料不同，不銹鋼超聲檢測的難點在于其具有晶粒粗大和聲學各向異性的特征[2]。粗晶會引起聲波衰減、信噪比下降，聲束能量衰減大，聲波在晶界發(fā)生散射以及波型轉(zhuǎn)換等問題；各向異性特征會引起聲束彎曲，而使得顯示定位不準[3]；并且由于BOSS管座尺寸的限制，較小尺寸探頭的能量低，發(fā)現(xiàn)缺陷的能力受限，但是大尺寸探頭耦合效果差。

為有效開展BOSS頭焊縫相控陣超聲檢測技術(shù)研究，采用仿真分析軟件CIVA開展相控陣檢測技術(shù)方案研究。采用的仿真模塊和仿真研究內(nèi)容如下：

(1) 聲場計算：據(jù)基爾霍夫公式和格林定理，利用瑞利積分可計算任意形狀聲源的發(fā)射聲場，即任意探頭的發(fā)射聲場。

(2) 缺陷響應(yīng):使用基爾霍夫近似理論可以模擬超聲場和裂紋、體積缺陷等類型缺陷的相互作用;使用幾何衍射理論可以模擬超聲場和平直裂紋類缺陷的相互作用;使用波恩理論可以近似模擬超聲場和固體夾雜物類缺陷的相互作用。

采用CIVA開展BOSS頭焊縫相控陣超聲檢測模擬仿真分析的具體流程為：

(1) 建立典型BOSS頭焊縫三維結(jié)構(gòu)模型。

(2) 將模型導入CIVA仿真軟件，并設(shè)置模型的材料、聲學性能、邊界等參數(shù)

(3) 開展BOSS頭焊縫相控陣超聲檢測的分析，包括探頭頻率、模擬缺陷響應(yīng)等分析。

(4) 固化BOSS頭焊縫相控陣超聲檢測方案。

4.2 探頭參數(shù)仿真分析

為驗證探頭的最優(yōu)化參數(shù)，對探頭參數(shù)開展如下的仿真研究。

探頭頻率選擇：對同一BOSS試驗件中的φ3 mm氣孔在不同頻率探頭(其他參數(shù)相同)的聲場中的回波幅值進行對比。以2.25 MHz頻率探頭的回波幅值為基準，仿真結(jié)果顯示：采用頻率為3.5 MHz和5 MHz的探頭檢測時，其缺陷回波幅值相較于2.25 MHz探頭的回波幅值分別低9.2 dB和20 dB。

探頭波型選擇：對同一BOSS工件中的φ3 mm氣孔在2.25 MHz探頭的橫波聲場和縱波聲場中的回波幅值進行了對比。仿真結(jié)果顯示縱波聲場中的缺陷回波幅值比橫波聲場中的缺陷回波幅值低9 dB。

聲束聚焦深度試驗：2.25 MHz探頭聲場-6 dB聚焦深度覆蓋范圍大于BOSS頭焊縫壁厚范圍，如圖6所示。

圖6 2.25 MHz探頭聲束覆蓋示意

探頭參數(shù)仿真分析結(jié)果表明:探頭頻率越大，奧氏體不銹鋼材料引起的聲束衰減越大,采用橫波探頭的回波幅值比采用縱波探頭的回波幅值大。因此，在保證探頭聲場聚焦深度能覆蓋BOSS焊縫壁厚的前提下，盡量選擇頻率低的探頭，波型選擇橫波。

4.3 相控陣超聲檢測能力仿真

結(jié)合CIVA軟件，采用矩形缺陷模型來模擬裂紋和未熔合，在BOSS頭焊縫三維模型中預置模擬缺陷，裂紋和未熔合缺陷尺寸(長×高)為5 mm×3 mm，用φ3mm球型缺陷來模擬氣孔，從而進行缺陷響應(yīng)仿真。

仿真過程中，選取兩種結(jié)構(gòu)典型的BOSS頭焊縫(見圖7)開展相控陣超聲檢測能力仿真。

圖7 典型BOSS頭焊縫結(jié)構(gòu)示意

以檢測深度對應(yīng)φ2 mm橫通孔所獲得的A掃描最高值調(diào)整到100%滿屏作為基準，以此作為探頭掃查時的基準靈敏度。探頭放置區(qū)域為BOSS直段或斜面上，設(shè)置的模擬人工缺陷信息如表2所示。

表2 模擬缺陷類型和布置位置

第一類型BOSS頭焊縫CIVA模擬仿真缺陷的響應(yīng)圖像如圖8所示。

圖8 第一類BOSS頭焊縫部分仿真結(jié)果

針對兩類典型BOSS頭焊縫開展不同位置、不同類型缺陷的相控陣超聲技術(shù)檢測能力仿真分析，試驗結(jié)果如表3所示，仿真結(jié)果表明相控陣超聲技術(shù)可對大部分缺陷進行有效檢測。

表3 模擬缺陷仿真分析結(jié)果

4.4 相控陣超聲檢測仿真分析總結(jié)

4.1節(jié)和4.2節(jié)的檢測參數(shù)仿真分析和模擬缺陷響應(yīng)仿真分析結(jié)果直觀地展現(xiàn)了軟件仿真條件下不銹鋼BOSS頭焊縫的相控陣超聲檢測效果，說明CIVA軟件是一種有效的超聲檢測仿真分析工具，可直觀地進行相控陣超聲檢測聲場和模擬缺陷的響應(yīng)分析，為相控陣工藝的開發(fā)和優(yōu)化提供了理論支撐，對不銹鋼BOSS頭焊縫相控陣超聲檢測方案設(shè)計具有重要指導意義。

模擬缺陷響應(yīng)分析表明，軟件仿真情況下能有效檢測大部分模擬缺陷,但同時也存在部分缺陷因為掃查空間限制或缺陷位置影響而出現(xiàn)信號響應(yīng)較弱，信號幅值較低或不能檢出的情況。

5 展望

現(xiàn)階段，CIVA軟件仿真分析過程中設(shè)置的BOSS頭不銹鋼原材料和焊縫為均質(zhì)材料，在分析條件下聲學性能穩(wěn)定。但在實際檢測條件下，不銹鋼的粗大晶粒和各向異性的復雜性將帶來聲束能量衰減、信噪比下降、晶界散射以及波型轉(zhuǎn)換，導致缺陷響應(yīng)幅值小，定位困難等問題，這都需要進行更加深入地研究，進一步優(yōu)化軟件參數(shù)設(shè)置，在最接近實際檢測條件情況下開展檢測方案優(yōu)化設(shè)計。

BOSS頭焊縫相控陣超聲檢測技術(shù)方案考慮從BOSS接頭上直段或斜面上進行掃查，核電站使用的BOSS頭型式多樣，部分BOSS頭直段設(shè)計值僅為8 mm左右，且焊接過程中直段可能進一步減小。常規(guī)的相控陣超聲探頭尺寸不滿足從直段直接檢測的要求，且如果定制更小尺寸的探頭，探頭能量也是潛在的問題。因此，后續(xù)研究階段將補充考慮從母管側(cè)進行檢測或直接從焊縫上進行掃查的檢測方案，以獲得BOSS頭焊縫相控陣超聲檢測的最佳檢測效果。

后續(xù)實際檢測工藝開發(fā)過程中，將以模擬仿真分析結(jié)果為基礎(chǔ)，制定帶模擬缺陷的真實試塊，開展不銹鋼BOSS頭焊縫相控陣超聲檢測效果驗證，對比實測結(jié)果和仿真分析試驗結(jié)果，優(yōu)化檢測工藝。