相控陣超聲檢測技術在核電廠不等厚對接環(huán)焊縫檢測中的應用

李守彬,夏中杰,孔晨光,范巖成

(1.大亞灣核電運營管理有限責任公司,廣東深圳 518124;2.中核武漢核電運行技術股份有限公司,武漢 430000)

0 引言

法國壓水堆核島機械設備設計和建造規(guī)則(RCC-M)中規(guī)定，大壁厚管道(單壁厚達43 mm)可實施的焊縫內部檢測方法主要有射線探傷、超聲波檢測，而根據(jù)射線探傷工藝采取雙壁透照的曝光參數(shù)，單個焊縫(材質TU48C，內徑?194 mm，厚度41.5 mm/57 mm的不等厚焊縫)完成射線探傷檢測耗時長達15 h，每臺核電機組有21條焊縫，在機組換料大修期間實施該項檢查，將給現(xiàn)場的檢測工作帶來極大的放射源外照射風險。

相控陣檢驗技術已在國內的球罐焊縫[1]、鋼制對接接頭焊縫[2]、核級壓力容器及熱交換器管板焊縫[3-4]等多種設備和結構的焊縫中得到廣泛應用，并針對奧氏體不銹鋼[5]的粗晶粒焊縫開展了深入研究，提升了無損檢測技術的可靠性。

本文為了對比大壁厚管道不等厚環(huán)焊縫射線探傷和超聲波檢測的特點及優(yōu)缺點，提高焊縫的缺陷檢出率，提出相控陣超聲檢測技術應用前盲測對比試塊的缺陷埋藏方案，設計、制作1∶1的人工缺陷模擬件，以進行相控陣超聲檢測和射線檢測的對比試驗驗證，開發(fā)適合該焊縫結構的相控陣超聲檢測工藝，作為無損檢測方法的補充。該相控陣超聲檢測方法相比手動超聲檢測方法可解決部分探頭掃查角度范圍不足的問題，同時解決不等厚對接焊縫超聲檢測時的缺陷定位、定量等技術難題，可在狹窄區(qū)域內實現(xiàn)焊縫全覆蓋掃查。

1 技術工藝方案

1.1 方案路線

工藝方案的具體步驟如下：(1)針對該焊縫結構，評估可能產(chǎn)生的缺陷類型；(2)開展1∶1試驗研究試塊的埋藏缺陷設計；(3)對10組埋藏缺陷進行對比研究，并對試塊分別采用中心曝光、偏心曝光、雙壁單影曝光進行射線檢測(RT)，對RT可靠性進行對比試驗與評估；(4)根據(jù)不等厚對接焊縫的結構特點開展超聲參數(shù)仿真試驗；(5)針對仿真結果，結合結構特點確定相控陣超聲檢測(PAUT)的工藝參數(shù)；(6)針對埋藏缺陷，進行RT與PAUT的工藝對比試驗；(7)根據(jù)試驗研究結果，提出針對10組埋藏缺陷的檢測注意事項和操作要領，指導現(xiàn)場作業(yè)。

1.2 關鍵技術解析

1.2.1 埋藏缺陷試塊的設計及制作

按照1∶1的比例制作模擬試塊，針對該類焊縫工況下的失效機理和易產(chǎn)生的焊接缺陷，設計試塊中的缺陷并依據(jù)結構力學進行計算。設計制作的10種人工自然缺陷涉及根部裂紋、近表面及橫向裂紋、未熔合、夾渣、氣孔等缺陷。1～10號埋藏缺陷的詳細設計尺寸見表1。

表1 人工埋藏缺陷的設計參數(shù)

工藝驗證試塊設計原則如下：

(1)參照ASME標準Ⅺ卷中的表IWB3514和壓水堆核電廠核島機械設備在役檢查規(guī)則(RSEM)附錄5.2中表V 1.3進行缺陷設計；根據(jù)ASME Ⅺ卷強制性附錄Ⅷ中鐵素體管道焊縫超聲檢測檢定要求中的相關規(guī)定進行缺陷設計(10個缺陷，其中1個為軸向缺陷，其余為周向缺陷)；

(2)將被檢部件分成了3段(上表面1/3，中表面1/3，下表面1/3)，使缺陷盡量地均勻分布；

(3)考慮到探頭只能從閥側進行檢測，當缺陷在管側時較難探測，故靠近閥側的缺陷設計了3個，其余的在焊縫中心或靠近管側；

(4)設計一個同時滿足ASME標準 Ⅺ卷的表IWB3514和RSEM 附錄5.2的表V 1.3中的缺陷，來驗證超聲檢測能力。

1.2.2 RT檢測工藝可靠性試驗研究

針對該特殊結構焊縫埋藏的10組缺陷分別開展中心曝光、偏心曝光、雙壁單影曝光3種方式(見圖1)的RT可靠性試驗研究，主要包括：(1)各曝光方法的埋藏缺陷檢出率與可靠性對比；(2)在幾何不清晰度不滿足的情況下，中心曝光和偏心曝光方式對各埋藏缺陷的檢出率。研究結果將為確定中心曝光可否作為一種曝光方式用于現(xiàn)場輔助檢測提供依據(jù)。

圖1 對試件進行RT檢測的不同曝光方式實物照片

3種RT曝光方式對埋藏缺陷的檢出結果如表2所示。由表2可以看出，根據(jù)此類結構的特點，中心曝光或偏心曝光方式可以作為后續(xù)伴隨閥門解體實施的一種輔助在役檢測方法，用于缺陷檢測及確認；對于D01根部裂紋及接近根部坡口處的D08,D09未熔合缺陷，原有的雙壁單影曝光方式由于透照厚度及方向等原因均無法檢出。

表2 不同RT曝光方式的缺陷檢出結果對比

1.2.3 結合超聲仿真制定PAUT檢測工藝

依據(jù)仿真結果、結構特點、技術要素及該焊縫結構的超聲聲束覆蓋計算[6]，結果如圖2所示。

圖2 手動超聲聲束覆蓋計算結果

確定如下PAUT參數(shù)：采用一維相控陣超聲波探頭，即頻率為5 MHz或4 MHz，晶片數(shù)量為32片，相鄰晶片的中心間距P=0.5 mm，單個晶片的寬度e=0.4 mm，晶片間隙g=0.1 mm，楔塊角度為36°(折射角為55°)[7]；或者是頻率為5 MHz 或4 MHz，晶片數(shù)量為16片，P=0.5 mm，e=0.4 mm，g=0.1 mm，楔塊角度為36°。

考慮到楔塊和檢測面接觸會有影響，由于最佳檢測面在圖2探頭1的位置(即不等厚焊縫閥門側臺階上)，臺階處外徑?308 mm，在檢驗前加工了帶弧度AOD308 mm的楔塊以保證楔塊與檢測面充分貼合。輔助檢測面探頭2和探頭3位置，也加工帶弧度的楔塊保證楔塊與檢測面貼合。主檢測面探頭1處設置：采用二次波進行檢驗，扇掃角度35°～75°，角度分辨率1°，聚焦法則采用投影聚焦，聚焦線在焊縫中心線上。探頭2和探頭3掃查面參數(shù)設置：扇掃角度40°～75°，角度分辨率1°，聚焦法則采用深度聚焦FD=45 mm。

2 相控陣超聲檢測工藝

2.1 工藝參數(shù)選擇

(1)相控陣探頭晶片參數(shù)：頻率為5 MHz或4 MHz，晶片數(shù)量為32片或16片，P=0.5 mm，e=0.4 mm，g=0.1 mm，楔塊角度為36°，根據(jù)CIVA仿真結果以及后續(xù)的試驗數(shù)據(jù)，檢驗時優(yōu)先采用4 MHz L32的探頭。

(2)繪制距離-波幅曲線(即DAC或TCG)和角度增益補償曲線：①繪制對比試塊的距離-波幅曲線，確定基準靈敏度；②繪制對比試塊的角度增益補償曲線；③采用一次波和二次波分開設置進行檢測。

(3)檢測面及探頭位置：①檢測面及探頭位置如圖2所示，探頭1的位置為主要檢測面，探頭2和探頭3的位置為輔助檢測面，相控陣扇形掃查角度范圍為35°～70°；②探頭1距焊縫邊緣51 mm，探頭2距焊縫邊緣18 mm，探頭3距焊縫邊緣5 mm。

(4)掃查方式及掃查速度：①采用手動掃查時，掃查速度不得大于150 mm/s；②采用編碼器掃查時，掃查速度不得大于20 mm/s，采用編碼器掃查時需要一個掃查裝置。

(5)掃查結果保存：①采用手動掃查時，掃查結果保存為A掃查和扇形掃查圖像；②采用編碼器掃查時，掃查結果保存為A掃查、扇形掃查、B掃查及C掃查圖像，即采用三視圖形式保存結果。

2.2 試塊

(1)標準試塊：采用國產(chǎn)的CSK-IA試塊或MC2000標準中規(guī)定的標準試塊。

(2)對比試塊：①在被檢工件延長部分截??；②材料和熱處理狀態(tài)均與被檢工件相同或相近(一般為加工所留的邊角料)；③采用聲學性能與被檢工件相同或相似的材料。

對比試塊的制作方法：(1)人工反射體采用直徑為2 mm的橫通孔；(2)對比試塊的厚度與被檢工件相同，寬度為30 mm，長度應至少能滿足一次反射波扇形掃查角度范圍的移動空間要求，對比試塊的形狀應與被檢工件具有相同或相近的曲率半徑；(3)第1個人工反射體位于表面下10 mm，第2個人工反射體位于厚度的1/2位置，第3個人工反射體位于厚度的3/4位置，并注意控制3個反射體之間的間隔。

3 對缺陷的定量分析

按照深度位置，該不等厚對接焊縫缺陷分為近外表面、埋藏、內表面缺陷，在測試試塊所設計的10個缺陷均通過PAUT實現(xiàn)檢出，在缺陷定量方面，由于焊縫結構限制，導致超聲掃查面較窄，同時由于掃查面的厚度與焊縫實際厚度不一致，在缺陷定量上增加了檢測的難度，不能采用常規(guī)定量方法進行[8]。

表3 缺陷設計尺寸與試驗定量尺寸

由于縱波探頭無法進行二次波檢查，采用橫波探頭及其二次波，并利用不同角度對焊縫進行超聲檢查，按缺陷所在側(接管側或管道側)坡口平面進行計算，以此來對缺陷進行更加準確的定量[6，9]，若發(fā)現(xiàn)缺陷，也便于對缺陷位置實施返修[10-12]，針對缺陷的精確定量方法，本文以D08缺陷作為案例進行計算說明，以指導現(xiàn)場的具體定量分析。

D08缺陷設計尺寸與試驗定量尺寸如表3所示。長度測量方法按最大幅值-12dB法進行長度測量。如圖3所示，找到D08缺陷的最大波幅，將最大波幅高度調整至80%滿屏，將最大波幅下降至20%滿屏的位置作為缺陷長度的左右端點，分別為255.6°和268.5°，缺陷的長度范圍為兩者差值12.9°。

圖3 缺陷長度測量方法

位置計算方法為取長度范圍的中心為缺陷位置。由長度測量方法可知，D08缺陷的長度范圍為255.6°～ 268.5°，中心位置約為262.1°。高度測量方法按上下端點讀取值相對高度計算。如圖4所示，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)信號，D08上端點讀數(shù)D1為33.2 mm，下端點讀數(shù)D2為47.8 mm，兩者差值14.6 mm，即為該缺陷高度。

(a)D08上端點 (b)D08下端點

深度計算方法由于該平面為非規(guī)則面，缺陷的深度信息需根據(jù)缺陷測量高度和坡口幾何尺寸信息計算得出，D08缺陷在閥側，如圖5,6所示，則其實際深度(以閥側坡口水平面為基準面)應為D1-(D-X1)=23.9 mm，即缺陷實際深度為23.9 mm。

圖5 埋藏缺陷分布及尺寸

圖6 掃查方式及裝置示意

4 結語

對該系統(tǒng)不等厚對接焊縫試塊的試驗結果表明，為該相控陣工藝所設計制作的自動掃查裝置及工藝可以實現(xiàn)對缺陷的檢出，對于個別缺陷的再次核實，輔助以手動PAUT進行檢測。對分析結果進行計算，實測缺陷長度的均方根誤差為10.30 mm，實測缺陷高度均方根誤差為1.56 mm，滿足ASME Ⅺ卷附錄Ⅷ規(guī)定的驗證要求,

相對于傳統(tǒng)的射線檢測和手動超聲檢測，相控陣超聲檢測因其所需掃查范圍小、檢測效率高、直觀、可靠性較高等優(yōu)點而越來越受到重視。值得注意的是，在針對某種特殊結構焊縫實施新的檢測工藝之前，有必要先制作各類有針對性的埋藏缺陷，并經(jīng)過詳細地試驗驗證，以此作為采用新檢測工藝的前提。