核電站ASG管嘴焊縫超聲檢測工藝改進

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（國核電站運行服務技術有限公司，上海 200233）

圖1 安放式管座角焊縫坡口結構圖

核電站核島內輔助給水系統（ASG）管道與主給水系統（ARE）管道連接的管嘴焊縫為安放式全焊透管座角焊縫（焊縫坡口結構見圖1）。焊縫中的一些常見缺陷（如未焊透、未熔合、裂紋等）如果漏檢或未能有效控制，在核電站運行過程中由于壓力、腐蝕、運行工況等諸多因素會不斷惡化，甚至導致破損和斷裂。這種安放式管座角焊縫由于結構影響，不便于施行射線檢測，所以對于焊縫內部情況主要采用超聲波檢測。核電站在役檢查大綱中也規定，該焊縫需要進行超聲波檢測。

鑒于主給水系統（核2級）和輔助給水系統（核2，3級）的安全級別，以及ASG管嘴焊縫結構的特殊性，有必要針對該結構的焊縫設計制作相對應的全尺寸對比試塊，進行超聲波檢測方法試驗，并編制專門的超聲波檢測工藝。

1 研究內容

1.1 全尺寸對比試塊的設計、制作

（1）調研ASG管嘴焊縫坡口結構及焊接工藝。

（2）制作與被檢焊縫材質和內外部結構基本一致的1∶1焊接試件。

（3）根據RCC－M標準中的相關規定，制作相應的對比試塊。擬選取0°和90°兩處在結構上最有代表性的區域來制作對比試塊［1]。

1.2 ASG管嘴焊縫檢測工藝研究

（1）根據RCC－M標準要求，選擇合適的檢測方法和檢測探頭。

（2）確定超聲檢測掃查方式、掃查部位。

2 ASG管嘴焊縫對比試塊制作

ARE和ASG管道的外徑分別為406，156 mm；制作與被檢焊縫材質和內外部結構基本一致的1∶1焊接試件；根據RCC－M標準中的相關規定，制作相應的對比試塊。選取0°和90°兩處在結構上最有代表性的區域來制作對比試塊。試塊示意圖如圖2和3所示。根據RCC－M標準中的要求，焊縫檢測用對比試塊上的人工反射體為直徑2 mm的長橫孔。同時，為了證明最終的檢測工藝能夠覆蓋整個焊縫區域，兩塊試塊中的長橫孔分別位于焊縫中心及焊縫熔合線附近，并且在對比試塊的根部還布置有一個高度為2 mm，長度為10 mm的人工切槽。

3 檢測方法理論分析

RCC－M標準第Ⅲ冊 MC 2634.2中規定，在可達性和幾何結構條件允許的情況下，盡量使超聲波檢測能夠覆蓋整個焊縫區域，焊縫區域應包含焊縫本體及其兩側熱影響區。第Ⅰ冊S 7722中規定，壁厚≤30 mm的角接焊縫中熱影響區為焊縫兩側各5 mm；壁厚＞30 mm的角接焊縫中熱影響區為焊縫兩側各10 mm。因此，在選擇檢測工藝時，需要根據焊縫的幾何尺寸及外形結構來選擇折射角［1]。

以往的現場工作中，主要采用2Z8×9A45和2Z8×9 A60橫波斜探頭進行該焊縫的現場檢測，但現場檢測時發現在焊縫局部存在反射幅度很高的信號。通過理論分析，發現該信號是60°探頭固有的結構信號。另外，理論分析還發現這兩種角度探頭并不能完全覆蓋整個焊縫厚度范圍，詳見圖4和5。因此，考慮增加更小角度的探頭來加強焊縫近表面區域的檢測。

考慮到兩種不同角度的探頭最好能夠相差15°以上，所以在最初的檢測方案設計中選擇30°的探頭，但試塊加工完成后，發現焊道寬度對探頭移動的影響很大，通過聲束傳播路徑模擬研究，發現采用30°探頭檢測根部人工槽的效果不好。選用35°探頭可以利用擴散角檢測人工槽，而30°探頭的主聲束角度與檢測所需的41°聲束之間的夾角太大，此時能量已經很弱。基于上述考慮，擬采用35°探頭取代30°探頭。

4 檢測工藝試驗

選擇檢測用探頭時，主要從以下幾方面考慮：

（1）焊縫表面寬度大，需要選用前沿盡量小的探頭進行檢測。

（2）實際檢測時探頭的掃查軌跡是一個馬鞍形，為了獲得良好的耦合效果，探頭與工件的接觸表面應盡量小，所以在達到合適的靈敏度的前提下，探頭晶片尺寸應較小。

（3）需要使用一次反射波進行檢測，因此可選用頻率稍高的探頭，以提高超聲波束的指向性，有利于信號的分辨。

原檢測工藝中采用60°探頭進行檢測，但通過試驗發現，60°探頭的實際檢測效果不佳，故決定取消60°探頭，理由主要有三點：一是60°探頭的聲束擴散過于明顯，導致經過底面一次反射后，人工缺陷的回波能量低，信號不易辨認；二是此時的結構反射信號過于強烈，干擾缺陷信號的判別；三是在原設計方案中，60°探頭主要用于檢測焊縫根部缺陷，但35°和45°探頭已經能清晰地發現根部人工槽的信號，這說明60°探頭預計的檢測區域已經得到了有效覆蓋。基于上述三點考慮，實際檢測工藝中取消了60°探頭。為驗證35°探頭和45°探頭的檢測覆蓋能力，對兩種角度探頭在半擴散角范圍內的覆蓋范圍進行了理論模擬。根據橫波斜探頭半擴散角的計算公式，頻率為5 MHz，晶片尺寸為4 mm×6 mm的探頭，其半擴散角為6°。根據探頭半擴散角理論計算結果，分別對35°探頭和45°探頭在0°試塊位置和90°試塊位置的覆蓋范圍進行了理論模擬，詳見圖6和7。

從理論模擬分析圖中可以看出，在半擴散角范圍內，35°探頭在0°位置焊縫表面余高處存在一小塊深度約為1 mm的未覆蓋區域，在焊縫根部則存在一塊深度約為6 mm的未覆蓋區，而45°探頭能覆蓋所有的焊縫根部區域，但在焊縫表面的未覆蓋區域則大于35°探頭。綜合兩種角度探頭的覆蓋區域可以知道，0°位置焊縫表面余高處存在一小塊深度約為1 mm的未覆蓋區域，建議此處可采用磁粉檢測方法進行補充檢測；90°位置處，在半擴散角范圍內，35°探頭和45°探頭均能覆蓋所有的焊縫區域，此處采用這兩種角度探頭檢測時無盲區。

工藝試驗時所有探頭都是小晶片、短前沿探頭，探頭清單見表1。

表1 探頭工藝試驗參數

采用表1中所列探頭分別從ASG管嘴外表面、ARE管道外表面對試塊進行掃查，并將發現的信號進行記錄和整理，部分反射體信號見圖8～11。由此可見，60°探頭只能采用一次波從管嘴側發現孔1和孔2的反射信號。從ARE管側檢測時，由于探頭擴散的原因，各反射體信號難以清晰分辨。35°探頭和45°探頭分別從管嘴側和ARE管側進行檢測時，能夠檢出所有的人工反射體。

5 結論

（1）加工制作了1∶1的0°和90°ASG超聲波對比試塊。

（2）試驗中所采用的改進后的超聲波檢測技術能有效檢測出試塊上的人工缺陷，且滿足RCC－M標準要求。

（3）通過試驗，了解了ASG/ARE管嘴焊縫的一些結構特點、焊接工藝和聲學特性。

［1]RCC－M MC 2000—2004 壓水堆核島機械設備設計和建造法則 合金鋼［S].

［2]鄭暉.超聲檢測［M].北京：中國勞動社會保障出版社，2008.