鐵素體薄壁對接焊縫的相控陣超聲檢測

周禮峰，蔡家藩，邱進(jìn)杰，成照宇，趙 偉

(中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)股份有限公司，武漢 430223)

鐵素體薄壁對接焊縫(壁厚一般為3～6 mm)在制造期間，受余高等結(jié)構(gòu)信號影響，常規(guī)超聲檢測較為困難，缺陷信號信噪比低，檢測效率低。因此，薄壁對接焊縫一般采用射線檢測(RT)，射線檢測對該類焊縫有著較高的靈敏度，尤其對微小的體積型缺陷有著良好的分辨力。但是在工程應(yīng)用過程中，會出現(xiàn)由于結(jié)構(gòu)限制或墻體阻擋等無法實(shí)施射線檢測的情況，超聲檢測成為唯一可替代的體積檢測方法，而常規(guī)超聲檢測方法亦存在無法滿足需求的情況。

相控陣超聲檢測(PAUT)技術(shù)具有聲束聚焦靈活可控[1]，在不改變探頭布置的前提下，可對檢測對象進(jìn)行多角度、多方位掃查的特點(diǎn)，能將信號顯示為直觀的扇掃圖像，從而降低缺陷漏檢概率，提高檢測可靠性[1-2]。筆者采用相控陣超聲探頭對含有缺陷的模擬試件進(jìn)行檢測，并與射線檢測的結(jié)果做對比，總結(jié)出薄壁鐵素體焊縫的相控陣超聲檢測驗(yàn)收準(zhǔn)則。

1 薄壁對接焊縫的規(guī)范要求

薄壁對接焊縫的無損檢測方法一般為射線檢測[2]，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)RCC-M—2007 《壓水堆核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計和建造規(guī)則》 或NB/T 20003.3—2010 《核電廠核島機(jī)械設(shè)備無損檢測 第3部分：射線檢測》，射線檢測適用于任意厚度的全焊透對接焊縫和角焊縫，標(biāo)準(zhǔn)中還規(guī)定了檢測薄壁對接焊縫相應(yīng)的射線源、像質(zhì)計、透照方式、圖像質(zhì)量等檢測工藝要求。相關(guān)驗(yàn)收準(zhǔn)則如表1所示。

表1 不同標(biāo)準(zhǔn)中薄壁焊縫的射線檢測適用范圍及驗(yàn)收準(zhǔn)則

同時，當(dāng)前核電領(lǐng)域主要規(guī)范均規(guī)定了超聲檢測的適用范圍(均要求全焊透對接焊縫壁厚6 mm)，如RCC-M—2007規(guī)范適用范圍為厚度10 mm的對接焊縫；NB/T 47013—2015 《承壓設(shè)備無損檢測》 適用于厚度6 mm筒體的對接焊縫；NB/T 20003.2—2010適用于厚度不小于8 mm焊件的全焊透對接焊縫，不同規(guī)范的對接焊縫超聲檢測適用范圍如表2所示。對于壁厚小于6 mm的薄壁對接焊縫，超聲檢測方法及質(zhì)量等級要求沒有規(guī)范可以依據(jù)。

表2 不同規(guī)范的對接焊縫超聲檢測適用范圍

2 薄壁對接焊縫的相控陣超聲檢測技術(shù)

2.1 相控陣超聲檢測工藝

超聲檢測薄壁對接焊縫時，受焊縫余高的影響，超聲一次波聲束只能覆蓋焊縫根部區(qū)域。筆者采用相控陣超聲分區(qū)域覆蓋檢測，其中采用較大的聲束角度覆蓋一次波和二次波區(qū)域，采用較小聲束角度覆蓋三次波和四次波區(qū)域，相控陣探頭聲束覆蓋示意如圖1所示。相控陣超聲多角度掃查的特性，為薄壁結(jié)構(gòu)的超聲檢測提供了較好的解決方案，并且在顯示判別方面更為直觀，扇形掃查區(qū)域覆蓋如圖2所示[3]。

圖1 薄壁對接焊縫的相控陣探頭聲束覆蓋示意

圖2 扇形掃查區(qū)域覆蓋示意

通過相控陣超聲聲束仿真，可以看出當(dāng)使用45°～75°范圍的扇掃，探頭前端距離焊縫中心線5～9 mm時，相控陣扇形聲束的二次波和三次波可完全覆蓋整個焊縫區(qū)域，同時一次波和四次波扇形聲束可以部分覆蓋焊縫區(qū)域(見圖3)。

圖3 探頭前端距離焊縫中心線5 mm和9 mm時的聲束覆蓋示意

為了提高檢測效率，試驗(yàn)中采用單軸的直線掃查，替代傳統(tǒng)的兩軸柵格掃查。由于現(xiàn)場焊接的對接焊縫余高寬度不一致，故靈活選取探頭前端距離焊縫中心線的距離(5～9 mm)，可以適應(yīng)不同的焊縫余高寬度，保證一次沿焊縫方向的掃查能夠完整覆蓋整個被檢區(qū)域。

2.2 相控陣探頭設(shè)計

一般來說，探頭頻率越高，晶片越大，探頭的聲束指向性越好，缺陷分辨率越高[4]。同時，單個晶片的尺寸越小，可獲得更強(qiáng)的聲束偏轉(zhuǎn)能力與更大的聲束有效角度范圍，還可以減少柵瓣，避免偽信號的產(chǎn)生。因此，對于薄壁對接焊縫，通常采用小晶片尺寸陣列和高頻率探頭，利用扇形多次反射波實(shí)施檢測。以6 mm厚鋼板對接焊縫為例，為保證在二次波至三次波深度范圍內(nèi)有更好的檢測效果，可設(shè)置相控陣探頭聲場-6 dB焦柱范圍為4～16 mm，不同角度的相控陣探頭聲場強(qiáng)度分布如圖4所示。

圖4 不同角度的相控陣探頭聲場強(qiáng)度分布

通過對薄壁管各參數(shù)進(jìn)行聲場仿真，確定采用頻率為5 MHz，晶片間距為0.31 mm的相控陣探頭，楔塊公稱角度為60°。

3 聲場仿真

3.1 模擬試件缺陷設(shè)計

為了研究相控陣超聲的缺陷檢出能力，設(shè)計制作了17塊含不同缺陷的鐵素體薄壁對接試件，所有試件厚度均為6 mm，且均保留焊縫余高。其中氣孔和夾渣缺陷設(shè)計尺寸(直徑)為1.2～1.5 mm，未熔合缺陷的設(shè)計長度為5 mm和10 mm。

試塊中含27個氣孔缺陷、18個夾渣缺陷和6個未熔合缺陷，共計45個體積性缺陷和6個非體積性缺陷。

3.2 缺陷仿真計算

仿真計算采用與實(shí)際檢測一致的相控陣檢測工藝，靈敏度設(shè)置參照CIVA仿真計算結(jié)果，采用φ2 mm長橫孔設(shè)置TCG(時間校正增益)曲線。17個模擬試件中不同類型缺陷(如氣孔、夾渣以及未熔合)信息與仿真靈敏度計算結(jié)果如表3所示。

通過聲場仿真，可知當(dāng)前相控陣檢測工藝可以檢測出模擬試件所設(shè)計的缺陷。其中，氣孔的仿真與實(shí)測信號如圖5所示，未熔合的仿真與實(shí)測信號如圖6所示。

圖5 氣孔的缺陷仿真與實(shí)測信號

圖6 未熔合的缺陷仿真與實(shí)測信號

4 相控陣超聲檢測試驗(yàn)及應(yīng)用

4.1 模擬件檢測試驗(yàn)

4.1.1 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)過程中使用參考試塊上φ2 mm長橫孔作為反射體，對一次波到三次波范圍內(nèi)的孔，采用TCG模式設(shè)置靈敏度曲線。通過試驗(yàn)確定采用45°～75°的扇掃角度范圍，來實(shí)現(xiàn)所有角度的TCG曲線標(biāo)定。

然后采用標(biāo)定后的TCG曲線對模擬試件中45個體積型缺陷和6個非體積型缺陷實(shí)施超聲相控陣檢測，模擬試件缺陷檢測結(jié)果如表3所示。由表3可見，當(dāng)前模擬試件中所有缺陷均可被檢出，體積型缺陷的實(shí)測靈敏度與聲場仿真靈敏度符合度為80%，非體積型缺陷的實(shí)測靈敏度與聲場仿真靈敏度符合度為100%。氣孔和夾渣缺陷的相控陣超聲典型信號如圖7所示，未熔合缺陷的相控陣超聲典型信號如圖8所示。

表3 模擬試件缺陷及其仿真與檢測結(jié)果

圖7 氣孔和夾渣缺陷的相控陣超聲典型信號

圖8 未熔合缺陷的相控陣超聲典型信號

4.1.2 小結(jié)

依據(jù)表1中RCC-M—2007或NB/T 20003—2010規(guī)范射線檢測驗(yàn)收準(zhǔn)則，對于壁厚不大于6 mm的薄壁對接焊縫不允許存在尺寸大于1.5 mm的單個氣孔或者單個夾渣。同時，基于表3中對于尺寸大于1.5 mm的單個氣孔或者單個夾渣的仿真和相控陣實(shí)測結(jié)果分析，22個φ1.5 mm氣孔缺陷中有18個幅值>φ2 mm-15 dB，7個φ1.5 mm夾渣缺陷中有5個幅值>φ2 mm-13.2 dB，且所有氣孔和夾渣類缺陷實(shí)測結(jié)果均大于φ2 mm-24 dB。因此，對于壁厚不大于6 mm薄壁對接焊縫的超聲相控陣檢測初步驗(yàn)收準(zhǔn)則如下：① 應(yīng)記錄靈敏度大于等于φ2 mm-24 dB的缺陷；② 凡判定為裂紋、未熔合和未焊透的缺陷顯示，評為不合格；③ 靈敏度大于等于φ2 mm-15 dB或者長度≥5 mm的缺陷顯示，評為不合格。

4.2 現(xiàn)場焊縫相控陣超聲檢測

在國內(nèi)某核電廠進(jìn)行PAUT技術(shù)驗(yàn)證，其大部分薄壁對接焊縫處于結(jié)構(gòu)限制或墻體阻擋狀態(tài)，另外約1 000 m焊縫未受限制，對未受限制焊縫實(shí)施了RT(射線)檢測。其中，相控陣超聲檢出且RT評判為超標(biāo)缺陷的缺陷數(shù)量為309個，按照4.1.2節(jié)中的初步驗(yàn)收準(zhǔn)則判定，其結(jié)果如表4，5所示，對于所有309個RT超標(biāo)缺陷，PAUT的綜合判廢率為77%(72.5%+4.5%)。

表4 RT超標(biāo)缺陷PAUT反射波幅判定結(jié)果(≥φ2 mm-15 dB)

表5 RT超標(biāo)缺陷PAUT最大允許指示長度判定結(jié)果(5 mm)

4.3 薄壁對接焊縫驗(yàn)收準(zhǔn)則

射線檢測與相控陣超聲檢測屬于兩種不同的體積檢測方法，其中射線檢測對于體積性缺陷檢出率較高，超聲檢測對于非體積性缺陷檢出率較高。同時，壁厚不大于6 mm的薄壁對接焊縫受余高及焊縫內(nèi)外表面狀態(tài)等影響，結(jié)構(gòu)信號及變形波信號較多，缺陷較難判定。因此，結(jié)合模擬試件試驗(yàn)及現(xiàn)場焊縫的試驗(yàn)結(jié)果分析，認(rèn)為當(dāng)前的相控陣超聲初步驗(yàn)收準(zhǔn)則可作為最終驗(yàn)收準(zhǔn)則用于薄壁對接焊縫的現(xiàn)場檢測。

4.4 工程應(yīng)用

采用該相控陣超聲檢測技術(shù)對國內(nèi)某核電廠幾千米的薄壁對接焊縫實(shí)施自動檢測，并檢出了大量缺陷，這些缺陷均經(jīng)過了打磨去除、修補(bǔ)、計算等處理。其中，某典型缺陷PAUT信號及形貌如圖9所示，經(jīng)數(shù)據(jù)分析得到一段長46 mm的斷續(xù)顯示，采用砂輪機(jī)逐層(每層0.5 mm)去除焊縫，打磨約2 mm后發(fā)現(xiàn)多個夾渣和氣孔缺陷，可以看出其打磨結(jié)果與相控陣檢測結(jié)果完全一致。

圖9 某典型缺陷的PAUT信號及形貌

5 結(jié)語

通過聲場仿真、大量模擬試件缺陷檢測以及現(xiàn)場焊縫RT檢測，結(jié)合現(xiàn)場焊縫中相控陣缺陷顯示信號與逐層挖鑿后氣孔、夾渣的一致性試驗(yàn)結(jié)果，給出了薄壁對接焊縫相控陣超聲驗(yàn)收準(zhǔn)則，對特定情況下的超聲檢測結(jié)果驗(yàn)收具有很好的指導(dǎo)作用，對類似結(jié)構(gòu)焊縫的超聲檢測結(jié)果驗(yàn)收具有借鑒意義。

本文獲“2022 Evident杯超聲檢測技術(shù)優(yōu)秀論文評選”活動優(yōu)勝獎。