某核電廠小徑管不銹鋼母材的相控陣超聲檢測(cè)工藝

(中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)股份有限公司浙江分公司，海鹽 314300)

為了準(zhǔn)確測(cè)量核電廠運(yùn)行過(guò)程中工作介質(zhì)的溫度、壓力等參數(shù)，在母管中需接入一定數(shù)量的測(cè)量管線，這些測(cè)量管線一般設(shè)計(jì)為安放式接管，接管通過(guò)不銹鋼適配器焊接到碳鋼母管上，這種焊縫被稱為異種金屬對(duì)接焊縫。異種金屬對(duì)接焊縫廣泛應(yīng)用于核電廠的核級(jí)管道中，在長(zhǎng)期高溫、高壓、輻照的在役條件下，可能產(chǎn)生疲勞、裂紋等危險(xiǎn)類缺陷。某核電廠運(yùn)行過(guò)程中，其主管道小徑管適配器接頭異種金屬對(duì)接焊縫熔合線至不銹鋼母材10 mm區(qū)域內(nèi)發(fā)生兩次漏水事件，金相分析后發(fā)現(xiàn)泄漏的原因是裂紋從適配器接頭不銹鋼母材內(nèi)表面產(chǎn)生后逐步延伸到了外表面，這嚴(yán)重影響了核電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，因而保證適配器接頭不銹鋼母材的完整性顯得尤其重要。由于液體滲透方法無(wú)法對(duì)適配器接頭不銹鋼母材內(nèi)側(cè)進(jìn)行檢測(cè)，而射線檢測(cè)方法對(duì)裂紋類缺陷的檢測(cè)又存在一定局限性，因此，筆者選擇相控陣超聲檢測(cè)方法，針對(duì)該小徑管適配器接頭不銹鋼母材的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和易產(chǎn)生缺陷的位置，確定了合適的檢測(cè)工藝，對(duì)適配器接頭不銹鋼母材進(jìn)行檢測(cè)，取得了較好的檢測(cè)效果。

1 相控陣超聲檢測(cè)原理

相控陣超聲檢測(cè)的核心是基于惠更斯原理的相位控制。相控陣探頭由多個(gè)壓電晶片按一定的規(guī)律分布排列，激發(fā)時(shí)按預(yù)先設(shè)定的延遲時(shí)間分別激發(fā)各個(gè)晶片，所有晶片發(fā)射的超聲波形成一個(gè)整體波陣面，能有效地控制發(fā)射超聲束的形狀和方向，實(shí)現(xiàn)超聲波的波束掃描、偏轉(zhuǎn)和聚焦[1]。其為確定不連續(xù)性的形狀、大小和方向提供了比單個(gè)或多個(gè)探頭系統(tǒng)更大的能力。相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，可以在較大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)焦點(diǎn)位置和尺寸的動(dòng)態(tài)可調(diào)，可以保證在整個(gè)聲程范圍內(nèi)獲得較為一致的檢測(cè)分辨力，并提高檢測(cè)速度；相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)采用機(jī)械掃描和電子掃描相結(jié)合的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)圖像成像，掃查圖形以A，B，C，S視圖等多種形式呈現(xiàn)，顯示更直觀，給實(shí)際檢測(cè)提供了極大的便利。相控陣掃查示意及其成像圖如圖1所示。

圖1 相控陣超聲掃查示意與成像圖

2 檢測(cè)對(duì)象

檢測(cè)對(duì)象為某核電廠主管道小徑管適配器接頭焊縫，規(guī)格(外徑×壁厚)為φ26.5 mm×4 mm，檢測(cè)范圍為不銹鋼側(cè)焊縫熔合線至不銹鋼母材10 mm區(qū)域，如圖2中方框區(qū)域。

圖2 檢測(cè)對(duì)象實(shí)物與檢測(cè)區(qū)域示意

3 檢測(cè)工藝的確定

3.1 超聲波檢測(cè)儀

小徑管適配器接頭不銹鋼母材檢測(cè)面的管壁薄，管徑很小,在檢測(cè)時(shí)往往產(chǎn)生很多干擾波，所以小徑管適配器接頭在廠房里面分布的位置較廣，故宜選擇具有較高分辨率和較窄始脈沖寬度，且輕巧便攜、屏幕光亮度好、操作系統(tǒng)簡(jiǎn)便的儀器。同時(shí)為了便于信號(hào)的分析和處理，要選擇能儲(chǔ)存和記錄超聲波信號(hào)的超聲波檢測(cè)儀。試驗(yàn)采用滿足上述要求的Omniscan MX2型便攜式相控陣超聲檢測(cè)儀，其不僅具有高采集速率，而且有多種強(qiáng)大的軟件功能，可更有效地進(jìn)行手動(dòng)檢測(cè)。

3.2 探頭和楔塊

與所有傳感器系統(tǒng)一樣，相控陣超聲檢測(cè)系統(tǒng)的核心是探頭。相控陣超聲探頭需使用不同形狀的多陣元換能器來(lái)滿足構(gòu)件檢測(cè)的需求。探頭的頻率對(duì)檢測(cè)有較大的影響，頻率越高，靈敏度和分辨力越高，對(duì)檢測(cè)越有利；但頻率越高，衰減越大，又對(duì)檢測(cè)不利。超聲檢測(cè)用的探頭頻率主要取決于被測(cè)材料晶粒粗細(xì)及工件厚度等，文中采用橫波檢測(cè)，頻率為5 MHz。相控陣超聲探頭一般有16到128個(gè)晶片，隨著晶片數(shù)量的增多，聲波聚焦與電子偏轉(zhuǎn)的能力會(huì)增強(qiáng)，同時(shí)檢測(cè)所覆蓋的區(qū)域也會(huì)擴(kuò)大，然而探頭的成本也會(huì)增加，文中要求在較小的檢測(cè)對(duì)象中進(jìn)行多角度的檢測(cè)，因此探頭設(shè)計(jì)不需要太多的晶片和太大的孔徑[2]。相控陣探頭組合件除了陣列探頭本身，還包括4個(gè)塑料楔塊，該楔塊曲率與適配器接頭母材的曲率一致。制定工藝中的相控陣超聲探頭具體參數(shù)為：探頭型號(hào),5S16-0.5×10;頻率,5.0 MHz;晶片間距,0.5 mm;晶片寬度,10 mm;晶片數(shù)量,16;標(biāo)稱角度,50°;波型為橫波，楔塊用途如表1所示。

表1 楔塊用途

3.3 參考試塊

根據(jù)被檢對(duì)象規(guī)格制定了合適的參考試塊，主要用于基準(zhǔn)靈敏度的設(shè)置，在試塊上刻傷，共3個(gè)槽，槽深0.4 mm，槽寬0.1 mm，槽長(zhǎng)5 mm，均為內(nèi)表面槽。參考試塊槽1為軸向槽，徑向方向，槽一端的端點(diǎn)離管口2 mm；槽2為周向槽，圓周方向，槽中心離管口2 mm；槽3為斜45°槽，沿周向(或徑向)偏轉(zhuǎn)45°，槽一端的端點(diǎn)離管口2 mm。參考試塊的刻傷圖紙如圖3所示。

圖3 參考試塊刻傷圖紙

3.4 耦合劑

所用的耦合劑對(duì)受檢部件不能有腐蝕作用，且工作結(jié)束后易清除。文中選用吳江宏達(dá)探傷器材有限公司生產(chǎn)的CG-08型核工業(yè)專用耦合劑。

4 檢測(cè)步驟

4.1 聲束覆蓋范圍設(shè)置

對(duì)小管徑適配器接頭不銹鋼母材進(jìn)行相控陣超聲扇形掃查時(shí)，應(yīng)正確選擇探頭前沿至焊縫熔合線的距離，保證扇形掃查中大角度聲束(一次波)覆蓋母材內(nèi)表面，小角度聲束(二次波)覆蓋母材外表面，以達(dá)到對(duì)適配器接頭母材100%的檢測(cè)[3]。進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，用超聲軟件UltraVision 3.3R4模擬聲束的覆蓋范圍，該工具軟件能模擬顯示母材截面及不同角度的波束覆蓋情況。通過(guò)模擬效果找到適當(dāng)?shù)牟ㄊ嵌确秶?確定采用35°～70°。軸向檢測(cè)和周向檢測(cè)的模擬聲束如圖4所示。

圖4 軸向檢測(cè)和周向檢測(cè)的模擬聲束

4.2 延遲和角度補(bǔ)償

雖然在儀器初始設(shè)置過(guò)程中輸入了探頭與楔塊等相關(guān)參數(shù)，但是輸入的參數(shù)與實(shí)際參數(shù)的誤差、楔塊磨損、掃查角度、耦合劑等因素都會(huì)影響實(shí)際的延遲數(shù)值，因此在靈敏度設(shè)置前進(jìn)行了探頭延遲補(bǔ)償。探頭延遲的測(cè)量方法是首先在聲速固定的情況下，移動(dòng)探頭尋找相應(yīng)試塊圓弧面的最大反射波幅，相控陣軟件記錄最大反射波幅，對(duì)整個(gè)角度范圍進(jìn)行延遲補(bǔ)償。角度補(bǔ)償過(guò)程中，移動(dòng)探頭獲得某一固定標(biāo)準(zhǔn)反射體的回波包絡(luò)，儀器將自動(dòng)實(shí)現(xiàn)角度增益補(bǔ)償標(biāo)定。

4.3 基準(zhǔn)靈敏度設(shè)置

對(duì)于相控陣探頭和楔塊組合，選擇折射角為45°，將參考試塊中的對(duì)應(yīng)內(nèi)表面槽信號(hào)的幅值調(diào)整至屏幕高度的80%左右，此時(shí)的儀器增益值即為基準(zhǔn)靈敏度。

4.4 表面條件準(zhǔn)備

受檢表面不得有油漆、氧化皮、干耦合介質(zhì)以及可能妨礙探頭自由移動(dòng)、影響超聲波在工件中的良好傳播或引起判斷錯(cuò)誤的任何其他雜物以及表面的不平整情況。

4.5 掃查

用相控陣超聲探頭，配合相應(yīng)的楔塊在管道外表面焊縫不銹鋼側(cè)對(duì)檢測(cè)區(qū)域進(jìn)行軸向、周向和偏轉(zhuǎn)掃查，掃查速度不能超過(guò)75 mm·s-1，如果耦合條件不佳時(shí)，需降低掃查速度。測(cè)長(zhǎng)和測(cè)高時(shí)，掃查速度不能超過(guò)25 mm·s-1。

4.6 記錄

對(duì)于超過(guò)記錄閾值的缺陷顯示應(yīng)予以分析，記錄所發(fā)現(xiàn)平面狀特征顯示的最大回波信號(hào)幅值，測(cè)量并記錄發(fā)現(xiàn)顯示信號(hào)時(shí)的探頭空間位置，在三維結(jié)構(gòu)圖紙中標(biāo)記探頭位置；從扇掃圖中讀取顯示信號(hào)所處的相對(duì)空間位置(聲束角度以及距離)，結(jié)合三維圖最終獲得相應(yīng)的顯示信號(hào)位置。

5 檢測(cè)試驗(yàn)

為了有效驗(yàn)證上述檢測(cè)系統(tǒng)的可靠性，采用上述工藝對(duì)模擬試件進(jìn)行檢測(cè)。模擬試塊采用核電廠運(yùn)行使用過(guò)的適配器接頭不銹鋼母材，在母材內(nèi)表面刻有3個(gè)不同方向的深0.2 mm的槽，模擬試件如圖5所示。對(duì)模擬試塊進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果顯示槽1，2，3反射的波形均十分明顯，完全能夠分辨出來(lái)，其對(duì)應(yīng)的顯示信號(hào)如圖6～8所示。

圖5 適配器接頭不銹鋼母材模擬試件

圖6 模擬試件中槽1對(duì)應(yīng)的相控陣超聲檢測(cè)信號(hào)

圖7 模擬試件中槽2對(duì)應(yīng)的相控陣超聲檢測(cè)信號(hào)

圖8 模擬試件中槽3對(duì)應(yīng)的相控陣超聲檢測(cè)信號(hào)

6 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用

在某核電機(jī)組停堆大修中，采用上述工藝對(duì)廠房?jī)?nèi)6處小徑管適配器接頭焊縫不銹鋼母材及9個(gè)預(yù)制件實(shí)施了相控陣超聲檢測(cè)，檢驗(yàn)區(qū)域?yàn)檫m配器側(cè)焊縫熔合線至不銹鋼母材10 mm區(qū)域。檢測(cè)結(jié)果如下：在A適配器接頭焊縫不銹鋼母材上發(fā)現(xiàn)2處軸向顯示，在B適配器接頭焊縫不銹鋼母材上發(fā)現(xiàn)1處周向顯示, 其余4條適配器接頭焊縫不銹鋼母材及預(yù)制件上未發(fā)現(xiàn)可記錄顯示，缺陷數(shù)據(jù)見(jiàn)表2(表中x表示周向位置，y表示軸向位置，D表示深度)。A適配器接頭焊縫不銹鋼母材上的顯示見(jiàn)圖9和圖10，缺陷位置見(jiàn)圖11；B適配器接頭焊縫不銹鋼母材上的顯示見(jiàn)圖12，缺陷位置見(jiàn)圖13。核電廠維修部門對(duì)發(fā)現(xiàn)顯示的兩個(gè)適配器進(jìn)行了處理，用檢測(cè)合格的預(yù)制件對(duì)其進(jìn)行了更換。新更換的適配器接頭不銹鋼母材應(yīng)用效果良好，運(yùn)行1年多未發(fā)生開(kāi)裂現(xiàn)象。

圖9 A適配器接頭焊縫不銹鋼母材上編號(hào)為D01的缺陷顯示

圖10 A適配器接頭焊縫不銹鋼母材上編號(hào)為D02的缺陷顯示

圖11 A適配器接頭焊縫不銹鋼母材缺陷位置示意

圖12 B適配器接頭焊縫不銹鋼母材上編號(hào)為D01的缺陷顯示

圖13 B適配器接頭焊縫不銹鋼母材缺陷位置示意

表2 適配器接頭焊縫不銹鋼母材缺陷數(shù)據(jù)

7 結(jié)論

根據(jù)小管徑適配器接頭焊縫不銹鋼母材的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)相控陣超聲的原理分析確定了其相控陣超聲檢測(cè)工藝，包括檢測(cè)波形、探頭頻率、角度、晶片尺寸等。對(duì)模擬試件的檢測(cè)以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，采用的工藝基本能夠滿足質(zhì)量檢測(cè)的要求。