含缺陷奧氏體不銹鋼管道對接焊縫的超聲檢驗結(jié)果驗證

宋延林 付千發(fā) 袁 驪

（中核武漢核電運行技術(shù)股份有限公司，湖北 武漢430223）

0 引言

在核工業(yè)領(lǐng)域，奧氏體不銹鋼材料因具有無磁性、高韌性和耐腐蝕等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用。目前國內(nèi)核電廠眾多堆型中，一回路主管道、余熱排出管道等承擔(dān)壓力邊界的核1級設(shè)備，均大量采用奧氏體不銹鋼材料。根據(jù)核安全相關(guān)法規(guī)要求，核電廠在運行一段時間后需按照美國機(jī)械工程師學(xué)會鍋爐及壓力容器規(guī)范（ASME BPVC）要求對相關(guān)系統(tǒng)的奧氏體不銹鋼管道對接焊縫執(zhí)行超聲檢驗。

奧氏體不銹鋼焊縫具有柱狀晶組織，晶粒粗大，超聲波在焊縫中傳播時，會受到其晶粒直徑和柱狀晶組織具有的彈性各向異性的嚴(yán)重影響，而發(fā)生聲速變化、散射衰減增大及波束偏移等情況，引起較高的本底噪聲，致使信噪比大幅降低，采用一般碳鋼的超聲檢驗方法進(jìn)行檢驗，效果不佳。

檢驗單位分別采用兩種超聲檢驗技術(shù)，對同一含預(yù)埋缺陷的奧氏體不銹鋼焊縫試件進(jìn)行了對比試驗。同時在某核電廠停堆大修期間，對某一條奧氏體不銹鋼管道焊縫進(jìn)行了驗證。

1 試驗過程

1.1 試驗對象

1.1.1 基本信息

試驗試件為管道焊縫，外徑273 mm，壁厚30.0 mm，材質(zhì)為奧氏體不銹鋼（見圖1）。

圖1 試驗件

1.1.2 缺陷信息

試驗件中的人工缺陷信息見表1。

表1 試驗件人工缺陷信息

1.2 檢驗區(qū)域

根據(jù)ASME BPVC第IX卷《核電廠部件在役檢查規(guī)則》IWB分卷的要求，檢驗區(qū)域為焊縫內(nèi)壁1/3壁厚范圍（不包括堆焊層）以及焊縫邊沿兩側(cè)各6.4 mm的母材區(qū)域。當(dāng)懷疑缺陷從焊縫內(nèi)壁1/3壁厚范圍延伸至非檢查區(qū)域范圍內(nèi)時，檢驗區(qū)域為焊縫全壁厚范圍（不包括堆焊層）以及焊縫邊沿兩側(cè)各6.4 mm的母材區(qū)域。

2 檢驗對比

對該焊縫分別采用常規(guī)自動超聲檢驗技術(shù)和手動相控陣超聲檢驗技術(shù)實施檢驗。常規(guī)自動超聲檢驗由數(shù)據(jù)采集工作站通過控制系統(tǒng)、驅(qū)動器等將安裝在管道焊縫外表面帶探頭的機(jī)械裝置驅(qū)動，按照設(shè)定的軌跡進(jìn)行掃查后儲存數(shù)據(jù)。手動相控陣超聲檢驗由相控陣超聲儀、探頭、楔塊通過手動掃查完成檢驗。

2.1 超聲儀

常規(guī)自動超聲檢驗采用Z-SCAN多通道超聲儀，手動相控陣超聲檢驗采用Olympus Ominscan MX2相控陣超聲儀。

2.2 參考試塊

兩種檢驗技術(shù)采用的參考試塊為同一試塊，該試塊與被檢管道焊縫規(guī)格尺寸一致，試塊上加工有長橫孔和EDM槽。人工反射體的參數(shù)應(yīng)滿足ASME BPVC規(guī)范第V卷《無損檢測》T-434.3的要求。

2.3 耦合劑

兩種檢驗技術(shù)采用的耦合劑為同一型號的核工業(yè)級耦合劑。耦合劑中污染物的含量應(yīng)滿足ASME BPVC規(guī)范第V卷《無損檢測》T-433中的要求。

2.4 檢驗探頭

兩種檢驗方法的探頭參數(shù)見表2、表3。為了有效降低噪聲信號的干擾，保證足夠高的信噪比，主掃探頭均采用雙晶縱波斜探頭。

表2 常規(guī)自動超聲檢驗探頭參數(shù)

表3 手動相控陣超聲檢驗探頭參數(shù)

3 試驗結(jié)果

常規(guī)自動超聲和手動相控陣超聲的檢驗結(jié)果見表4。

表4 試件的超聲試驗結(jié)果

常規(guī)自動超聲和手動相控陣超聲檢驗的典型缺陷見圖2、圖3。

圖2 常規(guī)自動超聲典型缺陷圖

圖3 手動相控陣超聲典型缺陷

從試驗結(jié)果可以看出，試件中的人工缺陷均能被檢測出。缺陷的位置誤差在-0.77~2.86°（-2~7 mm）范圍內(nèi)。缺陷的自身高度尺寸測量，誤差在-2~1.9 mm以內(nèi)。缺陷的長度尺寸測量，誤差范圍在-1.0~5.8 mm以內(nèi)。通過計算，缺陷長度均方根誤差為3.8 mm，缺陷自身高度均方根誤差為1.0 mm，均滿足ASME BPVC規(guī)范第IX卷《核電廠部件在役檢查規(guī)則》附錄VIII中對奧氏體不銹鋼缺陷定量驗收準(zhǔn)則的要求。

4 現(xiàn)場驗證

某次停堆大修期間，檢驗單位對某一條奧氏體不銹鋼管道焊縫分別由不同的檢驗人員、采用兩種檢驗技術(shù)進(jìn)行超聲了檢驗（役前檢查結(jié)果為歷史數(shù)據(jù)），缺陷信息對比見表5，采用常規(guī)自動超聲檢驗技術(shù)檢測出的缺陷截圖見圖4，采用手動相控陣超聲檢驗技術(shù)檢測出的缺陷截圖見圖5。

圖5 缺陷截圖（手動相控陣超聲）

表5 缺陷信息對比表

圖4 缺陷截圖（常規(guī)自動超聲）

采用常規(guī)自動超聲檢驗技術(shù)實施檢驗時，役前檢查和在役檢查分別使用了同類型的超聲儀、探頭、參考試塊和機(jī)械掃查裝置，該焊縫的檢驗結(jié)果基本一致，證明該檢驗技術(shù)的重復(fù)性、可靠性基本滿足規(guī)范要求。首次大修中，對該焊縫分別采用常規(guī)自動超聲檢驗和手動超聲相控陣檢驗兩種技術(shù)，最大幅值差值為1.9 dB，最大幅值位置（缺陷所在深度）相差1.7 mm，缺陷長度相差2 mm。檢驗過程中，兩種檢驗技術(shù)所有的縱波探頭的顯示信號中，均無端點回波信號；探頭移動時，缺陷顯示回波波形孤立且波形包絡(luò)線平滑，可判斷該顯示為體積型顯示。由于ASME BPVC規(guī)范中對缺陷顯示是否發(fā)生顯著變化的界定未提及，故參考了RSE-M規(guī)范A5224章節(jié)中對缺陷顯示是否顯著變化閾值的規(guī)定，上述兩種檢驗技術(shù)的檢驗結(jié)果與役前檢查的檢驗結(jié)果比較，可認(rèn)為該缺陷顯示未發(fā)生顯著變化。綜上所述，對奧氏體不銹鋼管道對接焊縫而言，兩種檢驗技術(shù)的檢驗結(jié)果基本一致。

5 適用性分析

現(xiàn)場實施檢驗時，現(xiàn)場環(huán)境往往較為復(fù)雜，存在大量的腳手架、支撐及閥門等物理阻擋，常規(guī)自動超聲檢驗技術(shù)因需安裝掃查軌道、耦合裝置等，要求被檢部件較范圍內(nèi)完全無阻擋，才能完成檢驗區(qū)域內(nèi)的全部數(shù)據(jù)采集，同時安裝掃查裝置、更換探頭等需占用一部分時間，但該技術(shù)檢驗重復(fù)性好，人因因素對檢驗結(jié)果的人影響很小，且圖像顯示直觀，掃查數(shù)據(jù)便于儲存和線下分析；手動相控陣超聲技術(shù)設(shè)備簡單，在探頭可通過的情況下，復(fù)雜、狹小條件下均可實施，可達(dá)性很高，但掃查數(shù)據(jù)無法儲存，對檢驗人員技術(shù)水平要求也較高。

因上述兩種檢驗技術(shù)均可對缺陷實施有效檢驗，對于奧氏體不銹鋼管道對接焊縫，為了保證檢驗技術(shù)的一致性和連貫性，后續(xù)大修時，對于役前/在役檢查期間有記錄顯示的管道焊縫，仍然采用原檢驗技術(shù)實施；對于其他焊縫，可根據(jù)機(jī)組安裝特點、現(xiàn)場焊縫結(jié)構(gòu)、可達(dá)性、輻射防護(hù)最優(yōu)化原則、工作場地等特點，可采用上述兩種檢驗技術(shù)中的任意一種實施。

6 結(jié)語

針對存在缺陷的奧氏體不銹鋼管道焊縫，常規(guī)自動超聲檢驗和手動相控陣超聲檢驗兩種超聲檢驗技術(shù)均能對預(yù)埋缺陷有效檢出；

兩種檢驗技術(shù)的檢驗結(jié)果基本一致，上述兩種檢驗技術(shù)均可作為奧氏體不銹鋼管道焊縫的有效檢驗手段；

對于役前/在役檢查期間有記錄顯示的管道焊縫，采用原檢驗技術(shù)實施；對于其他焊縫，可選擇上述兩種檢驗技術(shù)中的任意一種實施。