不銹鋼管道對接焊縫焊接熱裂紋超聲波檢測技術

2013-10-25 05:21:34袁光華周路生張國豐

無損檢測 2013年12期

袁光華，常楠，周路生，張國豐

（國核電站運行服務技術公司，上海 200233）

核電站核輔助系統存在一定數量的奧氏體不銹鋼對接焊縫。由于焊縫安裝制造工藝原因，極易產生焊接熱裂紋。此類缺陷除表面開口類型能被滲透檢測發現外，其余埋藏性缺陷使用體積性檢測方法無法進行有效檢測。為了掌握缺陷基本情況，為核輔助管道疲勞計算及壽命評估提供依據，必須開發針對性檢測技術。筆者介紹的超聲波檢測技術主要針對管徑φ273mm，厚度30mm的奧氏體不銹鋼管道對接焊縫，其他規格的核輔助系統對接焊縫檢測技術可以此為參考。

1 不銹鋼管道對接焊縫焊接熱裂紋特征及超聲波檢測難點

根據對核輔助系統不銹鋼焊縫解剖試驗及缺陷統計，此類焊接熱裂紋的主要特征為以下四點：

（1）長度多數缺陷長度為2～3mm，最長的為8mm左右。

（2）高度絕大多數單個缺陷的高度小于3mm。

（3）深度大多數缺陷位于距焊縫外表面3mm以內，部分位于3～6mm范圍內，少數缺陷位于6mm以下和氬弧焊打底層以上區域。

（4）方向除火口裂紋外，多數缺陷的走向為沿焊道方向（周向）和45°斜向兩個方向，少數缺陷為軸向方向。

考慮此類焊接熱裂紋的主要特征、焊縫材料及焊接工藝，超聲波檢測難點主要為以下三點：

（1）由于焊接熱裂紋具有形貌不規則、開口小、長度短、自身高度小等特點，超聲波檢測時存在信號幅度低、噪聲大、分辨力差等問題。

（2）粗大的奧氏體晶粒形成高強度的草狀回波，導致聲能衰減嚴重、穿透力差，從而降低了檢驗信號的信噪比和缺陷的分辨力。

（3）晶粒的各向異性，即焊縫熔合區與焊縫中心區的晶粒成長方向的不一致將導致部分檢驗探頭產生高強度的幾何形狀信號和聲束偏轉。

2 超聲波檢測技術

2.1 參考反射體確定

根據RCCM規范有關要求以及核輔助系統不銹鋼管道對接焊縫中焊接熱裂紋的特征，采用如下參考反射體。

（1）橫通孔根據RCCM規范MC2000相關要求，在參考試塊上加工直徑為φ2mm的橫通孔［1］。考慮到近表面區域，增加了深度為2.5mm的φ2mm橫通孔。橫通孔主要用于檢測靈敏度的調節。

（2）電火花槽根據表面開口缺陷特征，在試塊表面加工不同規格、不同方向的電火花槽，目的在于開發檢測技術的能力驗證。

（3）平底孔根據內部缺陷特征，在試塊焊縫側面加工不同深度、不同方向的φ2mm平底孔，用于開發技術儀器調節及技術能力驗證。

參考試塊如圖1所示。

圖1 不銹鋼參考反射體試塊

2.2 檢測區域劃分

由于不銹鋼管道對接焊縫焊接熱裂紋超聲波檢測存在的檢測難點，根據不銹鋼材料超聲檢測的通常做法，將檢測對象沿厚度方向分為三個不同區域：表面近表面區域（0～9mm）、中部區域（5～16mm）、下部區域（10～30mm）。針對不同區域采用不同聚焦范圍的檢測探頭，以提高檢測信噪比，同時實現檢測范圍全覆蓋。

2.3 表面近表面超聲波檢測技術

根據實際檢測經驗反饋，針對表面近表面區域，表面波探頭及常規大角度超聲探頭均不能取得較好的檢測效果。綜合考慮后決定采用超聲爬波的檢測技術。

2.3.1 超聲爬波探頭

超聲爬波探頭的類型有單晶爬波探頭、雙晶并列式爬波探頭和雙晶串列式爬波探頭等。通過對爬波探頭的類型、晶片頻率、晶片尺寸、阻抗匹配、焦點距離等參數的優化與組合，最終研制出了適合奧氏體不銹鋼管道焊縫表面、近表面缺陷檢測的雙晶并列式爬波探頭，其規格為2mm×6mm×13mm TRCr2F15。

2.3.2 超聲爬波測高技術

試驗發現爬波探頭所接收到的表面、近表面缺陷回波信號中包含了許多缺陷特征信息，包括缺陷最大回波處深度、缺陷的上端點反射信號和缺陷下端點反射信號。圖2缺陷上端點、最大波幅處以及下端點超聲波反射，圖3為對應顯示的A掃信號。

圖2 爬波測高技術示意

圖3 爬波測高波形顯示

利用來自缺陷本身的上下端點反射波確定缺陷的自身高度與利用端點衍射波法測量缺陷高度技術存在一定的差異。由于爬波在近表面傳播過程中可以看成是一系列與表面平行的波組成，因此近表面缺陷的端點反射波幅度遠大于端點衍射波幅度（特別是垂直于焊縫表面的缺陷），且其端點反射信號較端點衍射信號更易分辨。

2.3.3 超聲爬波探頭性能

經試驗測試，超聲爬波探頭性能主要如下：

（1）有效覆蓋深度：0～9mm。

（2）信噪比參考試塊上表面近表面區域（0～9mm）內所有參考反射體信噪比大于24dB。

（3）檢測能力能有效檢測出自身高度大于1.0mm的平面性缺陷。

（4）測高能力可對自身高度2mm以上的缺陷進行高度測量，其測高精度優于±1mm。

2.4 不銹鋼焊縫中下部區域超聲波檢測技術

2.4.1 中部區域檢測技術及探頭選擇

中部區域（5～16mm）超聲波檢測技術采用2.5MHz 60°雙晶縱波斜探頭，尺寸為2mm×8mm×16mm。雙晶縱波斜探頭采用一發一收的工作模式，利用收發晶片聲束交叉形成菱形區域而達到聚焦效果，從而大幅提高其焦距范圍內信號的強度、分辨力和信噪比。同時，由于發射和接收分開，降低了楔塊與接觸面耦合不良引起的界面干擾信號。

2.4.2 下部區域檢測技術及探頭選擇

對于下部區域的檢測，通常采用45°探頭。但是經過試驗證明，由于核輔助管道焊縫中晶粒成長方向的原因，導致45°的超聲波穿透焊縫的能力比較差，在界面上產生較強的聲束偏轉，形成較強的幾何結構信號，干擾缺陷的判別，如圖4所示。

圖4 45°探頭幾何結構信號干擾示意

通過試驗發現，這種幾何結構信號的強度在φ2mm－5dB～φ2mm＋4dB之間，信號的顯示深度在19～26mm，其位置及當量信息對于不銹鋼焊縫下部區域缺陷信號的判斷造成強烈干擾。圖5為焊接試件幾何結構信號波形。

為了排除下部區域幾何結構信號的干擾，先后試驗了37°和50°等種不同角度的雙晶縱波探頭。經過試驗，發現37°探頭同樣具有較強的幾何信號，而50°探頭的類似幾何信號則比較弱，基本不影響缺陷信號的判定。在此基礎上，進行探頭參數的進一步優化，最終確定采用探頭的規格為1.5P8×14A50F30，該雙晶縱波聚焦探頭具有較強的穿透焊縫的能力，由于焊縫界面引起聲束偏轉而形成的幾何結構信號的強度在標準要求的記錄靈敏度附近（標準記錄靈敏度為φ2mm－14dB），基本不影響缺陷判斷。