鍛造奧氏體不銹鋼管道焊縫的單側(cè)超聲檢測(cè)

朱序東

(生態(tài)環(huán)境部 華北核與輻射安全監(jiān)督站，北京 100082)

ASME(美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì))鍋爐及壓力容器規(guī)范(以下簡(jiǎn)稱(chēng)ASME)要求對(duì)鍛造奧氏體不銹鋼管道環(huán)焊縫在役前和在役時(shí)進(jìn)行體積檢測(cè)，并要求對(duì)超聲檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行能力驗(yàn)證。鍛造不銹鋼管道環(huán)焊縫超聲檢測(cè)技術(shù)僅在雙側(cè)掃查的條件下通過(guò)了能力驗(yàn)證。

雖然AP1000核電機(jī)組在設(shè)計(jì)上已充分考慮了在役檢查的可達(dá)性，也采取了諸多措施，如優(yōu)化材料和結(jié)構(gòu)的可達(dá)性和可檢性設(shè)計(jì)、要求對(duì)需進(jìn)行在役檢測(cè)的焊縫進(jìn)行表面處理(去除焊縫余高)等，但AP1000核電機(jī)組部分不銹鋼管道環(huán)焊縫的超聲檢測(cè)軸向掃查只能實(shí)現(xiàn)外側(cè)單側(cè)可達(dá)，例如管道與閥門(mén)、三通、彎頭和大小頭連接處的焊縫，這些焊縫的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 只能進(jìn)行單側(cè)掃查的典型焊縫結(jié)構(gòu)示意

對(duì)于軸向只能進(jìn)行單側(cè)掃查的管道，要求可達(dá)的一側(cè)對(duì)探頭側(cè)(近端)和探頭對(duì)側(cè)的缺陷(遠(yuǎn)端)進(jìn)行長(zhǎng)度和高度的定量。超聲檢測(cè)單側(cè)掃查的近端、遠(yuǎn)端如圖2所示。

圖2 管道焊縫單側(cè)掃查的近端、遠(yuǎn)端示意

1 單側(cè)掃查的難點(diǎn)和研究現(xiàn)狀

1.1 單側(cè)掃查的特點(diǎn)和難點(diǎn)

奧氏體不銹鋼管道焊縫具有晶粒粗大的特點(diǎn)，其各向異性非常明顯，聲學(xué)特性與各向同性材料(如鐵素體管道焊縫)差異很大[1-2]，一般采用低頻縱波對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，其焊縫組織如圖3所示。

圖3 奧氏體不銹鋼管道焊縫組織

與鐵素體管道焊縫超聲檢測(cè)一般采用單晶橫波和單晶縱波探頭相比，奧氏體管道焊縫檢測(cè)增加了不同聚焦聲程的雙晶縱波探頭。橫波主要針對(duì)母材區(qū)域的缺陷檢測(cè)，縱波主要針對(duì)聲波衰減嚴(yán)重的焊縫區(qū)域的檢測(cè)，但在縱波的實(shí)際應(yīng)用中，一次波反射會(huì)引起波型轉(zhuǎn)換，一方面降低了聲波集聚的能量，另一方面縱波會(huì)產(chǎn)生變型波，給實(shí)際檢測(cè)信號(hào)的判斷造成了很大的干擾[3-4]，因此，實(shí)際檢測(cè)時(shí)只能利用一次波，通常要求焊縫表面打磨平整以利于一次波聲束的覆蓋。

單側(cè)掃查時(shí)，超聲波聲束需穿過(guò)焊縫區(qū)域才能對(duì)遠(yuǎn)端缺陷進(jìn)行檢測(cè)和定量，經(jīng)過(guò)焊縫區(qū)域的嚴(yán)重衰減，到達(dá)遠(yuǎn)端缺陷處的超聲波聲束能量大幅減弱，聲束指向性及分辨力也大大降低，不利于缺陷檢測(cè)。而雙側(cè)掃查時(shí)，超聲波探頭可以從近端和遠(yuǎn)端兩個(gè)方向?qū)θ毕葸M(jìn)行檢測(cè)和定量，檢測(cè)結(jié)果可以互為校核，檢測(cè)效果明顯優(yōu)于單側(cè)檢測(cè)的。

1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

依據(jù)ASME規(guī)范案例N-460的定義，當(dāng)檢測(cè)區(qū)域受其它設(shè)備或結(jié)構(gòu)干擾不能被完全檢測(cè)時(shí)，檢測(cè)覆蓋率大于90%時(shí)是可以接受的，因此對(duì)于檢測(cè)覆蓋率大于90%的奧氏體不銹鋼管道焊縫，即使受結(jié)構(gòu)影響存在部分不可檢，其檢測(cè)結(jié)果也符合ASME規(guī)范的要求。單側(cè)不可達(dá)焊縫指的是檢測(cè)覆蓋率低于90%的焊縫。

單側(cè)不可達(dá)問(wèn)題在美國(guó)核電廠同樣存在，目前仍沒(méi)有有效的檢測(cè)程序和檢測(cè)技術(shù)能夠完全解決這一問(wèn)題。美國(guó)核電廠采用的是一種被稱(chēng)為“最有效的技術(shù)”的方法對(duì)單側(cè)不可達(dá)奧氏體不銹鋼管道焊縫進(jìn)行檢測(cè)，例如采用較低頻率的雙晶縱波探頭，或者將探頭貼合面加工為與管道曲率一致的曲面等。

由于美國(guó)核管會(huì)(NRC)近年來(lái)對(duì)該問(wèn)題的關(guān)注，美國(guó)電力研究院(EPRI)等單位也開(kāi)始探索論證相關(guān)技術(shù)。ASME規(guī)范第Ⅺ卷委員會(huì)也下設(shè)了檢測(cè)可達(dá)性工作組，開(kāi)發(fā)針對(duì)單側(cè)可達(dá)問(wèn)題的規(guī)范案例。EPRI只對(duì)缺陷的檢出能力進(jìn)行了試驗(yàn)，未涉及缺陷尺寸的定量(缺陷的高度和長(zhǎng)度)。EPRI的試驗(yàn)結(jié)果表明，超聲檢測(cè)技術(shù)對(duì)遠(yuǎn)端缺陷的檢出率很高，達(dá)到97%。ASME規(guī)范第Ⅺ卷委員會(huì)下設(shè)的檢測(cè)可達(dá)性工作組則主要考慮推動(dòng)ASME規(guī)范案例N-711來(lái)解決單側(cè)掃查問(wèn)題，EPRI也參與了該案例的研究工作。該案例通過(guò)失效機(jī)理分析和工程實(shí)踐，識(shí)別出了疲勞缺陷、應(yīng)力腐蝕缺陷等失效機(jī)理中的關(guān)鍵敏感部位，然后分析判斷現(xiàn)有的檢測(cè)技術(shù)是否能夠有效覆蓋識(shí)別出的關(guān)鍵敏感部位，若能覆蓋則認(rèn)為其是可接受的。通過(guò)對(duì)檢測(cè)區(qū)域的重新定義，規(guī)范案例N-711將解決大部分單側(cè)不可達(dá)問(wèn)題。目前EPRI和ASME工作組均已認(rèn)可了規(guī)范案例N-711的可行性，但該案例的使用仍未獲得NRC的正式許可。

國(guó)內(nèi)對(duì)單側(cè)掃查問(wèn)題也進(jìn)行了試驗(yàn)研究，選取典型的試塊和有代表性的缺陷進(jìn)行了試驗(yàn)，但由于試塊和缺陷的數(shù)量有限，因此需要設(shè)計(jì)制造新的試驗(yàn)研究試塊，以擴(kuò)大缺陷的樣本量。

2 檢測(cè)區(qū)域與驗(yàn)證要求

2.1 檢測(cè)區(qū)域

鍛造奧氏體不銹鋼管道焊縫的受檢區(qū)域?yàn)楹缚p內(nèi)壁的1/3壁厚范圍，以及焊縫邊沿兩側(cè)各6.35 mm的母材區(qū)域，檢測(cè)區(qū)域如圖4所示(CDEF為受檢區(qū)域，T為母材壁厚)。當(dāng)懷疑缺陷從焊縫內(nèi)壁 1/3 壁厚范圍延伸至非檢測(cè)區(qū)域范圍內(nèi)時(shí)，檢測(cè)區(qū)域?yàn)楹缚p全壁厚范圍(不包括堆焊層)以及焊縫邊沿兩側(cè)各6.35 mm的母材區(qū)域(見(jiàn)圖4中ABEF)。

圖4 奧氏體不銹鋼管道焊縫受檢區(qū)域示意

2.2 能力驗(yàn)證要求

ASME規(guī)范第Ⅺ卷附錄Ⅷ補(bǔ)充2對(duì)鍛造奧氏體不銹鋼管道焊縫超聲檢測(cè)提出了明確的驗(yàn)證要求，主要包括驗(yàn)證用試塊要求、驗(yàn)證的執(zhí)行和驗(yàn)收準(zhǔn)則等3項(xiàng)內(nèi)容。其中，驗(yàn)收準(zhǔn)則的內(nèi)容如下。

2.2.1 檢測(cè)驗(yàn)收準(zhǔn)則

若驗(yàn)證結(jié)果滿足表1規(guī)定的檢測(cè)和誤判驗(yàn)收準(zhǔn)則，則檢測(cè)規(guī)程、 設(shè)備和人員檢測(cè)驗(yàn)收合格。

表1 檢測(cè)性能驗(yàn)證試驗(yàn)驗(yàn)收準(zhǔn)則 個(gè)

2.2.2 定量驗(yàn)收準(zhǔn)則

若驗(yàn)證結(jié)果滿足如下標(biāo)準(zhǔn)，則檢測(cè)規(guī)程、設(shè)備和人員定量驗(yàn)收合格。

(1) 與缺陷實(shí)際長(zhǎng)度相比，超聲測(cè)量的缺陷長(zhǎng)度均方根誤差不超過(guò)0.75 in. (19 mm)。

(2) 與缺陷實(shí)際深度相比，超聲測(cè)量的缺陷高度均方根誤差不超過(guò)0.125 in. (3 mm)。

3 單側(cè)掃查試驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)?zāi)康募胺桨?/h3>

為進(jìn)一步掌握當(dāng)前鍛造奧氏體不銹鋼管道環(huán)焊縫超聲檢測(cè)軸向單側(cè)掃查技術(shù)的能力，同時(shí)更好地為后續(xù)相關(guān)能力驗(yàn)證和在役檢查工作提供方向和指導(dǎo)，結(jié)合雙側(cè)掃查的結(jié)果開(kāi)展了奧氏體不銹鋼管道環(huán)焊縫超聲檢測(cè)軸向單側(cè)掃查技術(shù)試驗(yàn)。

總體試驗(yàn)方案為，選取在材料、規(guī)格、缺陷類(lèi)型、缺陷數(shù)量等方面有代表性的鍛造奧氏體不銹鋼管道環(huán)焊縫測(cè)試試塊，采用自動(dòng)超聲和手動(dòng)相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)按照雙側(cè)掃查通過(guò)驗(yàn)證的檢測(cè)程序進(jìn)行試驗(yàn)，以確定軸向單側(cè)掃查檢測(cè)技術(shù)的能力(主要為遠(yuǎn)端缺陷檢測(cè)能力和定量能力)。

3.2 試塊

依據(jù)ASME規(guī)范第Ⅺ卷附錄Ⅷ補(bǔ)充2的要求，選取了具有代表性的4種規(guī)格(每種規(guī)格1塊)的鍛造奧氏體不銹鋼管道環(huán)焊縫試塊，每塊試塊中均預(yù)埋了平面型周向人工自然缺陷，共選取了11個(gè)典型缺陷。所選缺陷涵蓋了內(nèi)表面開(kāi)口、外表面開(kāi)口和埋藏3種類(lèi)型，分布在5%T～30%T,31%T～60%T和61%T～100%T等各個(gè)壁厚范圍內(nèi)。具體試塊和缺陷信息如表2所示。

表2 試塊和缺陷信息 mm

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

3.3.1 缺陷檢測(cè)結(jié)果

分別采用自動(dòng)超聲和手動(dòng)相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)，對(duì)表2中的所有缺陷進(jìn)行檢測(cè)。自動(dòng)超聲檢測(cè)主要采用0°，45°，60°，70°雙晶縱波聚焦探頭，采用頻率為2 MHz的探頭進(jìn)行檢測(cè)，4 MHz的探頭進(jìn)行定量。同時(shí)，依據(jù)焦距，對(duì)較厚焊縫分層實(shí)施檢測(cè)。手動(dòng)相控陣超聲檢測(cè)主要采用一維單晶或二維雙晶檢測(cè)探頭，軸向掃查采用縱波聲束角度為30°～70°，聲束角度步進(jìn)小于1°的扇掃檢測(cè)方式；周向掃查采用縱波聲束角度為30°～60°，聲束角度步進(jìn)小于1°的扇掃檢測(cè)方式。對(duì)于壁厚較厚的焊縫，采用不同的聚焦深度對(duì)檢測(cè)區(qū)域進(jìn)行分層掃查。經(jīng)試驗(yàn)，所有缺陷均可通過(guò)近端掃查和遠(yuǎn)端掃查檢出，所有缺陷信號(hào)的最大幅值均達(dá)到規(guī)定的記錄閾值，且缺陷信號(hào)的信噪比均不小于12 dB。

3.3.2 缺陷定量結(jié)果

分別采用自動(dòng)超聲和手動(dòng)相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)，對(duì)所檢測(cè)到的缺陷進(jìn)行了定量，且同時(shí)統(tǒng)計(jì)了同一缺陷的近端定量結(jié)果和遠(yuǎn)端定量結(jié)果。

采用自動(dòng)超聲檢測(cè)技術(shù)的定量結(jié)果如表3所示(表中D1,D3,D4,D6缺陷的遠(yuǎn)端掃查及D3缺陷的近端掃查均未發(fā)現(xiàn)端點(diǎn)信號(hào)， 根據(jù)相應(yīng)檢測(cè)程序，定義其高度小于3 mm；均方根計(jì)算時(shí)，其高度均取值3 mm)。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，上述11個(gè)缺陷自動(dòng)超聲遠(yuǎn)端掃查的實(shí)測(cè)高度均方根偏差為3.41 mm，實(shí)測(cè)長(zhǎng)度均方根偏差為8.67 mm；近端掃查的實(shí)測(cè)高度均方根偏差為1.71 mm，實(shí)測(cè)長(zhǎng)度均方根偏差為6.02 mm。

采用手動(dòng)相控陣檢測(cè)的定量結(jié)果如表4所示(表中D1,D3缺陷的遠(yuǎn)端掃查及D3缺陷的近端掃查均未發(fā)現(xiàn)端點(diǎn)信號(hào)，根據(jù)相應(yīng)檢測(cè)程序，定義其高度小于3 mm；均方根計(jì)算時(shí)，其高度均取值3 mm)。

表3 自動(dòng)超聲檢測(cè)缺陷定量結(jié)果 mm

表4 手動(dòng)相控陣超聲檢測(cè)缺陷定量結(jié)果 mm

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，上述11個(gè)缺陷手動(dòng)相控陣超聲遠(yuǎn)端掃查的實(shí)測(cè)高度均方根偏差為3.78 mm，實(shí)測(cè)長(zhǎng)度均方根偏差為9.04 mm；近端掃查的實(shí)測(cè)高度均方根偏差為2.26 mm，實(shí)測(cè)長(zhǎng)度均方根偏差為6.16 mm。

3.4 試驗(yàn)結(jié)論與分析

(1) 自動(dòng)超聲檢測(cè)技術(shù)的遠(yuǎn)端掃查和近端掃查，均可檢出11個(gè)缺陷，且缺陷信號(hào)信噪比不低于12 dB。以D11缺陷為例，其自動(dòng)超聲檢測(cè)近端掃查和遠(yuǎn)端掃查的信號(hào)如圖5所示。

從圖5可以看出，近端掃查和遠(yuǎn)端掃查均檢出了該缺陷，相比而言，近端掃查的信噪比更優(yōu)，上、下端點(diǎn)信號(hào)也更容易區(qū)分和辨別，這是由于遠(yuǎn)端掃查時(shí)超聲波聲束經(jīng)過(guò)焊縫區(qū)，焊縫區(qū)晶粒的各向異性相比母材和熱影響區(qū)的更為明顯，超聲波能量嚴(yán)重衰減，聲束指向性及分辨力降低，因此檢測(cè)信號(hào)的信噪比下降且干擾信號(hào)增多。

(2) 手動(dòng)相控陣超聲遠(yuǎn)端掃查和近端掃查，均可檢出11個(gè)缺陷，且缺陷信號(hào)信噪比不低于12 dB。以D11缺陷為例，其相控陣超聲檢測(cè)近端掃查和遠(yuǎn)端掃查的信號(hào)如圖6所示。

圖5 D11缺陷自動(dòng)超聲檢測(cè)近端掃查和遠(yuǎn)端掃查的信號(hào)

圖6 D11缺陷手動(dòng)相控陣超聲檢測(cè)近端掃查和遠(yuǎn)端掃查的信號(hào)

從圖6可以看出，相控陣檢測(cè)近端掃查和遠(yuǎn)端掃查均檢出了該缺陷，相比而言，近端掃查的信噪比更優(yōu)，理由同自動(dòng)檢測(cè)。

(3) 由定量結(jié)果可以看出，近端掃查時(shí)的高度測(cè)量均方根偏差和長(zhǎng)度均方根偏差均小于遠(yuǎn)端掃查的，且遠(yuǎn)端掃查高度測(cè)量均方根偏差不滿足能力驗(yàn)證驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)要求，原因是焊縫區(qū)造成了聲束能量的衰減和聲束方向的扭曲，導(dǎo)致了測(cè)量結(jié)果的偏差更大。除此之外，還應(yīng)考慮到平面型缺陷的取向，并不是每一次測(cè)量,近端掃查都會(huì)比遠(yuǎn)端掃查得到更為準(zhǔn)確的結(jié)果(這只是一般情況)，但均方根統(tǒng)計(jì)結(jié)果會(huì)反映更真實(shí)的情況。

4 結(jié)語(yǔ)

鑒于目前國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有有效地針對(duì)單側(cè)掃查給出具體要求和規(guī)定，對(duì)于單側(cè)掃查的處理提出如下建議。對(duì)于雙側(cè)檢測(cè)覆蓋率大于90%的鍛造奧氏體不銹鋼管道焊縫，按照ASME規(guī)范第Ⅺ卷的要求，在檢測(cè)報(bào)告中注明不可達(dá)區(qū)域即可。雖然遠(yuǎn)端缺陷高度定量不滿足驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的要求，但由于遠(yuǎn)端可有效檢測(cè)出缺陷，所以遠(yuǎn)端掃查也可用于缺陷的檢測(cè)。如果檢測(cè)出缺陷，可通過(guò)其他方法補(bǔ)充對(duì)其進(jìn)行輔助判定和確認(rèn)，進(jìn)行分析評(píng)價(jià)或修理更換等。在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步加強(qiáng)單側(cè)掃查技術(shù)的研究，并聯(lián)合核電廠營(yíng)運(yùn)單位持續(xù)跟蹤國(guó)內(nèi)外該問(wèn)題的研究進(jìn)展，特別關(guān)注不同失效機(jī)理(如熱疲勞、晶間應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂等)對(duì)超聲檢測(cè)區(qū)域的影響，制定有針對(duì)性的超聲檢測(cè)技術(shù)。對(duì)于鍛造奧氏體不銹鋼管道超聲檢測(cè)技術(shù)的能力驗(yàn)證，建議在采用雙側(cè)掃查驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，針對(duì)單側(cè)掃查補(bǔ)充缺陷的檢測(cè)試驗(yàn)。