核電站小徑薄壁管插接焊縫的相控陣超聲檢測

賀志清，楊 群，施亦斌

(國核電站運行服務技術有限公司, 上海 200233)

圖1 插接焊縫型式

核電M310機組核島及常規(guī)島存在較多小徑薄壁管插接焊縫,插接焊縫型式見圖1。由于受腐蝕、沖蝕、振動磨損等因素影響，小徑薄壁管往往成為核電站在役運行中最容易生成缺陷和發(fā)生泄漏的部件和位置。小徑薄壁管插接焊縫一般采用射線法進行檢測，但是該方法具有明顯的局限性，如：存在輻射風險，檢測區(qū)域需要隔離，檢測工期長等，并不能在核電站大修期間大范圍的應用。除此之外，射線檢測對于面積型缺陷的檢出靈敏度低。常規(guī)超聲檢測雖然能夠彌補這些不足，但是插接焊縫的焊接方式也對常規(guī)超聲方法的適用性提出了挑戰(zhàn)。

超聲相控陣能通過多次反射對插接焊縫進行全覆蓋掃查，且具有數據可記錄、現(xiàn)場效率高、靈敏度高等優(yōu)點。筆者基于CIVA仿真技術確定了小徑薄壁管插接焊縫的超聲相控陣檢測參數，制作了存在裂紋、未熔合等面積型缺陷的試樣，通過工藝試驗確定了檢測系統(tǒng)的靈敏度，并實現(xiàn)了現(xiàn)場實際應用。

1 檢驗工藝確認

篩選核電廠小徑薄壁管插接焊縫規(guī)格，確定采用如表1所示的插接焊縫為研究對象，并在試樣中設置裂紋、未熔合等面積型缺陷。

表1 試樣尺寸信息 mm

由于結構影響，現(xiàn)場插接焊縫僅能在直管側進行掃查，現(xiàn)場主要插接焊縫型式如圖2所示，其實際解剖型式如圖3所示。

圖2 插接焊縫外觀型式

圖3 插接焊縫解剖型式

圖4 聲束覆蓋仿真

選用角度范圍大、檢測效率高的扇形掃查方式。探頭楔塊曲率應與被檢焊縫外表面曲率一致或相當(能夠有效耦合)。通過設置焊縫位置(高度、寬度)進行聲束覆蓋仿真(見圖4)，仿真結果顯示為可實現(xiàn)全覆蓋。檢測采用線性陣列，頻率為4 MHz/7.5 MHz，晶片數為16個，晶片尺寸(寬×長)為0.5 mm×10 mm;楔塊型號為N60S，楔塊曲率直徑為28114 mm。

2 工藝試驗

2.1 對比試塊

采用NB/T 47013-2015《承壓設備無損檢測》標準對比試塊GS-1、GS-2(材料分別為20鋼和304鋼)進行ACG(角度增益)校準、聲速校準、楔塊延遲校準。

2.2 靈敏度試塊

小徑薄壁管焊縫超聲檢測的主要對象是裂紋缺陷，因此采用切槽作為靈敏度試塊的反射體。由于插接焊縫從插套側檢測時利用二次波檢測，故加工帶有外壁切槽的試塊。試驗采用同規(guī)格外壁切槽試塊確認基準靈敏度，其尺寸(槽深×槽長)為0.3 mm×5 mm。在保證足夠信噪比的前提下，增加6 dB為檢測靈敏度。

2.3 模擬缺陷試塊

加工等徑模擬缺陷試塊，針對不同材料加工不同高度及長度的裂紋和未熔合。缺陷參數如表2所示，缺陷高度方向的布置見圖5(圖中圓圈部分為插接焊縫部位的放大圖)。

表2 模擬缺陷參數 mm

在儀器中對不同規(guī)格的插接焊縫進行建模，建模圖如圖6所示。分別在小徑薄壁管插接焊縫缺陷對比試塊上進行手動及半自動周向掃查，并采集試驗數據，工件的A-S-C掃查布局如圖7所示，然后對采集的數據進行在線或離線分析，可以完成對缺陷定位和定量的測量。

圖5 模擬缺陷高度方向示意

圖6 檢測時工件建模圖

圖7 工件的掃查布局

對采集結果進行分析，得出檢驗結果(見表3)。由表3可見，全部缺陷均被檢出，驗證了小徑薄壁管插接焊縫超聲相控陣工藝的檢驗能力，且符合ASME Ⅺ卷附錄Ⅷ 《管道焊縫超聲檢測鑒定要求》的要求。

表3 缺陷試塊的試驗結果 mm

3 現(xiàn)場檢驗

國內某核電廠在一次大修期間計劃對系統(tǒng)小徑插接焊縫進行無損檢測,其中表面檢測采用液體滲透檢測(PT)，體積檢測采用相控陣超聲波檢測(PAUT)，必要時采用射線檢測(RT)對相控陣超聲波檢測結果進行輔助驗證。

排查的小徑插接管焊縫中發(fā)現(xiàn)2條焊縫存在缺陷。其中，1條為記錄性缺陷(見圖8)，對缺陷圖像數據進行分析可知，三角形焊縫根部處，存在固有結構信號，且信噪比較好，整圈斷續(xù)顯示；缺陷信號信噪比較好；插入直管的遠端端部信號清晰，整圈信號顯示穩(wěn)定。因此該系統(tǒng)的插接焊縫具有可檢性。另外1條為超標缺陷[見圖9(b)]，并對超標缺陷進行RT復核，從底片影像判斷為未熔合(見圖10)。

由圖9可知，缺陷信號較無缺陷信號存在較為明顯的端點信號，且如果缺陷較大，會一定程度上阻礙聲波傳播，影響端面信號顯示。

圖8 插接焊縫記錄性缺陷B掃圖像及線性跟蹤圖

圖9 插接焊縫無缺陷與面積型超標缺陷圖像對比

圖10 超標缺陷的RT影像

圖10的射線底片顯示也進一步驗證了相控陣發(fā)現(xiàn)的缺陷，且通過觀察未熔合影像的寬度，也可以進一步驗證該缺陷延與表面垂直的方向延伸。

4 結語

超聲相控陣在檢測小徑薄壁管插接焊縫時，具有工藝簡單、現(xiàn)場適應性強、檢測效率高、缺陷可記錄性、檢測靈敏度高、滿足電廠實際工程需求等優(yōu)勢。通過理論分析、試驗研究和現(xiàn)場驗證充分證明了相控陣超聲技術對于小徑薄壁管插接焊縫的檢測有效性，其檢測結果為確定小徑管缺陷狀態(tài)提供了重要支撐，提高了電廠預防性檢查和維修的有效性和可靠性，可為減少電廠因小徑管失效而造成的非計劃性停機提供有力支持。