核電站壓力容器堆焊層下超聲波探傷中變型波的識別

余 哲,劉 洋

(中廣核檢測技術有限公司,蘇州 )

由于超聲檢測具有檢測成本低、速度快、靈敏度高、儀器輕、對現場環境要求低等優點,所以廣泛地應用在核電站設備的無損檢驗中,如檢測核電站壓力容器筒體焊縫、蒸發器筒體焊縫和穩壓器支撐裙焊縫等。目前,核工業超聲波探傷中所采用的脈沖式多通道超聲波數字探傷儀是依靠觀察,分析軟件中的A,B,C,D 掃描圖像來判斷缺陷[1-2]。探頭接收的各種回波信號都顯示在圖像上,有的是缺陷反射信號,有的則不是。因此,正確判斷顯示信號的真假,對防止誤判、提高超聲波檢測準確性有著重要作用。焊縫超聲波檢驗中,影響缺陷判斷的反射信號種類很多,如電噪聲引起的假信號、根部結構信號和表面波信號等。在此,筆者就核電站壓力容器堆焊層下焊縫檢查中所遇到的一種特殊的反射波——變型反射波產生的原因和判斷方法進行闡述。

1 變型反射波實例

核電站壓力容器環焊縫通常從內表面進行自動超聲檢測。由于壓力容器的特殊工作環境,壓力容器筒體焊接好后,內表面堆焊了一層8～10 mm 厚的堆焊層。超聲檢查環焊縫時探頭聲束需經過堆焊層到達被檢區域。

在對某一核電站壓力容器筒體環焊縫超聲自動檢查時發現,在一次底波之前經常會出現兩個反射波。其中一個能量較小、位置固定,并且具有一定的長度,其特征像是條孔。另一個能量較大,位置更靠近根部,其特征是幾乎整圈焊縫都有,如圖1。

圖1 偽缺陷顯示

2 理論分析

2.1 奧氏體不銹鋼的聲學特性

奧氏體不銹鋼的堆焊層在凝固過程中沒有奧氏體向鐵素體轉變的相變,室溫下仍保留鑄態奧氏體晶粒,因此堆焊層的晶粒粗大。堆焊層金屬在冷卻時,母材方向散熱條件好,奧氏體晶粒生長取向基本垂直于母材表面, 如圖2。由于堆焊層的材質晶粒較粗,聲學性能各向異性明顯。超聲波傳播過程中散亂反射和衰減嚴重,在探傷儀示波屏上容易出現草狀回波。

圖2 堆焊層界面金相照片

2.2 變型波的產生

超聲波按質點的振動方向與波的傳播方向的關系分為縱波(L)、橫波(S)、表面波(R)和板波(Lamb)四種類型。當超聲橫波傾斜入射到異質界面時,除了產生與入射波同類型的反射波和折射波外,還會產生與入射波不同類型的反射波和折射波,這種現象稱為波型轉換,即橫波斜入射時會在第二介質中產生折射縱波和折射橫波。

當橫波S 以β 角入射到堆焊層與碳鋼母材界面時,根據超聲波折射定理:

在界面b 處將產生一個α角的折射橫波,且αS＞βs。因為縱波聲速約為橫波的兩倍,可知變型縱波反射角將遠遠大于橫波入射角。由于橫波探頭的角度在第一臨界角和第二臨界角之間,計算可知此時變型縱波將沿界面傳播或超出工件表面。所以一般情況下,掃查圖像上不會出現變型縱波反射信號。

由于奧氏體堆焊層晶粒生長取向基本垂直于母材表面,橫波入射到界面時不僅會產生上述的橫波折射,還會產生兩個沿著晶粒生長方向垂直于結合面的變型波,一個為橫波,另一為縱波(圖3)。

圖3 聲束模擬圖

2.3 變型波的定位

如圖3 所示,變型橫波S 從入射點b 到達下表面反射時,沿深度方向所經過的聲程HS正好是母材的厚度T 。通常多通道超聲波數字探傷儀的掃描范圍采用深度調節法調節。由于橫波在堆焊層和碳鋼中的聲速相差不大,且堆焊層的厚度t遠遠小于母材T的厚度。因此,可以近似認為堆焊層與母材界面在圖像中顯示的深度為堆焊層的厚度t,變型橫波S 在圖像上顯示的深度位置為:

同樣,變型縱波L 從入射點b 到達下表面反射時,沿深度方向所經過的聲程HL也為母材的厚度T,但變型縱波與橫波的聲速不同,所以將縱波所經過的聲程HL換算成橫波所經過的聲程HL/S,則變型縱波L 在圖像上顯示的深度位置為:

可見,變型波在圖像上顯示的位置與探頭的入射角、堆焊層厚度和母材厚度有關。

3 試驗與理論分析比較

通過試驗對上述理論進行驗證。試驗所用試塊為一堆焊層厚度為10 mm,母材厚度為194 mm 的環焊縫;儀器采用M IDAS 多通道數字超聲自動采集系統;探頭采用RTD 橫波45°2 M Hz 和55°2 M Hz兩種探頭;檢查方向為軸向和周向。

軸向掃查時,對采集的數據進行分析發現,45°和55°探頭均出現兩個顯示信號(圖4)。周向掃查時,只發現一個顯示信號(圖5)。

分別對以上顯示的深度位置進行測量。圖4(a)中信號A 深度為83 mm, 信號B 深度為149 mm。圖4(b)中信號A 深度為70 mm,信號B深度為122 mm 。

圖4 軸向掃查B 掃描圖像

圖5 周向掃查B 掃描圖像

假設上述理論成立,那么信號A 為縱波變型波,B 為橫波變型波。將T=194 mm,α=45°,t=10 mm代入式(2),計算45°探頭掃查發現的縱波變型波A 深度應為:

將T=194 mm ,α=45°,t=10 mm 代入式(1),得橫波變型波B 深度為:

同理,計算得到55°探頭發現的縱波變型波A深度應為71.2 mm , 橫波變型波B 深度應為121.3 mm。

可見,試驗數據值與理論計算值誤差在1～3 mm,數據吻合較好。證實了檢查中發現的顯示信號是由堆焊層界面反射的變型波所造成的。

綜上所述,在堆焊層下焊縫超聲波檢測過程中,由于堆焊層的影響,會在固定的位置出現變型波信號,影響缺陷的判斷。文中所推導的公式和分析方法,對判斷變型波所造成的偽缺陷具有普遍的應用價值。

[1] 李家維, 陳積懋.無損檢測手冊[M] .北京:機械工業出版社, 1985.

[2] 全國鍋爐壓力容器無損檢測人員資格考核委員會組織編寫.超聲波探傷[M] .北京:中國鍋爐壓力容器安全雜志社, 1995.