核電廠(chǎng)BOSS頭焊縫的無(wú)損檢測(cè)要求

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(深圳中廣核工程設(shè)計(jì)有限公司， 深圳 518172)

BOSS頭被廣泛應(yīng)用于核電廠(chǎng)的輔助管道中，主要用于母管和支管的連接。

某核電機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中，BOSS頭焊縫出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象，經(jīng)解剖發(fā)現(xiàn)焊縫中存在嚴(yán)重的缺陷。通過(guò)查閱該BOSS頭預(yù)制焊縫的無(wú)損檢測(cè)報(bào)告得知，該焊縫按照RCC-M規(guī)范《壓水堆核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則》進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，即焊接過(guò)程中對(duì)根部焊道和完工焊縫進(jìn)行滲透檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果均為合格。另外，經(jīng)排查，很多BOSS頭焊縫均存在類(lèi)似的缺陷。

無(wú)損檢測(cè)是確保焊縫質(zhì)量的重要手段，為此，筆者以核1級(jí)管道奧氏體不銹鋼BOSS頭預(yù)制焊縫的無(wú)損檢測(cè)為例，探討了對(duì)BOSS頭焊縫無(wú)損檢測(cè)方案進(jìn)行改進(jìn)的可行性。

1 BOSS頭焊縫的規(guī)格及檢驗(yàn)要求

1.1 結(jié)構(gòu)形式和規(guī)格

核1級(jí)系統(tǒng)管道中BOSS頭與母管的連接焊縫為安放式接管焊縫。常用BOSS頭的公稱(chēng)尺寸有12.7,19.5,25.4,50.8 mm等多種規(guī)格，根據(jù)結(jié)構(gòu)和尺寸分類(lèi)，BOSS頭又可分為多種類(lèi)型，如1,3,7,14型等。預(yù)制焊縫通常采用“先焊接后鉆孔”的加工成型工藝，即BOSS頭先預(yù)加工小孔，待BOSS頭與母管焊接完成后再擴(kuò)孔至最終尺寸。圖1為一種典型的BOSS頭焊縫結(jié)構(gòu)示意。

圖1 典型的BOSS頭焊縫的結(jié)構(gòu)示意

1.2 材料和焊接檢驗(yàn)要求

核1級(jí)系統(tǒng)管道的母管和BOSS頭材料均為奧氏體不銹鋼，采用非熔化極氣體保護(hù)焊和焊條電弧焊工藝焊接，焊接過(guò)程中通常對(duì)根部焊道和完工焊縫表面進(jìn)行滲透檢測(cè)。

2 BOSS頭焊縫的無(wú)損檢測(cè)要求

根據(jù)RCC-M規(guī)范要求，BOSS頭預(yù)制焊縫的待焊表面、焊接過(guò)程中及焊接完成后的無(wú)損檢測(cè)要求見(jiàn)表1。針對(duì)BOSS頭預(yù)制焊縫，RCC-M規(guī)范的檢測(cè)要求存在下述局限性。

(1) 預(yù)制焊縫采用“先焊接后成型”工藝，滲透檢測(cè)合格的根部焊道在后續(xù)鉆孔中被加工去除；如臨近根部區(qū)域存在缺陷，阿迪王有可能在鉆孔后變?yōu)樽罱K焊縫的表面缺陷。

(2) 鉆孔后內(nèi)徑太小，內(nèi)表面無(wú)法進(jìn)行滲透檢測(cè)。

(3) 滲透檢測(cè)能發(fā)現(xiàn)被檢表面區(qū)域的缺陷，但根部焊道與焊接表面之間的焊縫金屬缺乏有效的檢測(cè)手段，不利于焊接質(zhì)量的監(jiān)督與控制。

表1 RCC-M規(guī)范對(duì)BOSS頭焊縫的無(wú)損檢測(cè)要求

3 BOSS頭焊縫無(wú)損檢測(cè)要求的改進(jìn)分析

3.1 射線(xiàn)檢測(cè)要求

3.1.1 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求

(1) RCC-M規(guī)范

RCC-M MC 3312.5《射線(xiàn)檢驗(yàn)?zāi)z片和射線(xiàn)源的相對(duì)位置》中規(guī)定，在對(duì)安放式接管焊縫進(jìn)行射線(xiàn)檢測(cè)時(shí)，膠片應(yīng)放在支管內(nèi)且緊貼被檢管壁，射線(xiàn)源應(yīng)放在管外側(cè)焊縫坡口的軸線(xiàn)上，偏差在0°～10°以?xún)?nèi)，其檢測(cè)透照示意如圖2所示。

圖2 安放式接管焊縫射線(xiàn)檢測(cè)透照示意

通常情況下，內(nèi)徑不大于60 mm的安放式接管焊縫被認(rèn)為難以用射線(xiàn)方法進(jìn)行檢測(cè)，RCC-M規(guī)范也不強(qiáng)制要求對(duì)此類(lèi)尺寸的接管焊縫進(jìn)行射線(xiàn)檢測(cè)[1]。BOSS頭焊縫的內(nèi)徑在9.5～43 mm的范圍內(nèi)，實(shí)際檢驗(yàn)中無(wú)法將膠片放置于接管內(nèi)側(cè)，因此無(wú)法按照RCC-M規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行射線(xiàn)檢測(cè)(片在內(nèi),源在外)。

(2) 其他標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)GB/T 3323《金屬熔化焊焊接接頭射線(xiàn)照相》、EN1435Non-destructiveTestingofWelds-RadiographicTestingofWeldedJoints標(biāo)準(zhǔn)，安放式接管的射線(xiàn)檢測(cè)可采用單壁外透法(見(jiàn)圖3)、單壁中心內(nèi)透法(見(jiàn)圖4)、單壁偏心內(nèi)透法(見(jiàn)圖5)進(jìn)行透照。

圖3 安放式管座焊縫單壁外透法示意

圖4 安放式管座焊縫單壁中心內(nèi)透法示意

圖5 安放式管座焊縫單壁偏心內(nèi)透法示意

當(dāng)進(jìn)行A級(jí)、B級(jí)檢測(cè)時(shí)，應(yīng)符合

A級(jí)f/d≥7.5b2/3

(1)

B級(jí)f/d≥15b2/3

(2)

式中：b為射線(xiàn)源側(cè)工件表面與膠片的距離，當(dāng)b<1.2t時(shí)，可用公稱(chēng)厚度t代替;f為射線(xiàn)源與工件表面的距離;d為射線(xiàn)源尺寸。

特殊情況下，射線(xiàn)源置于被檢工件內(nèi)部透照時(shí)，射線(xiàn)源與工件的最小距離fmin允許減小，但減小值不應(yīng)超過(guò)20%;射線(xiàn)源置于被檢工件內(nèi)部中心透照時(shí)，在滿(mǎn)足像質(zhì)計(jì)要求的前提下，射線(xiàn)源與工件的最小距離fmin允許減小，但減小值不應(yīng)超過(guò)50%[1-2]。

BOSS頭焊縫的內(nèi)徑在9.5～43 mm內(nèi)，實(shí)際檢驗(yàn)中無(wú)法將膠片放置于接管內(nèi)側(cè)，因此無(wú)法按照GB/T 3323、EN 1435標(biāo)準(zhǔn)的要求進(jìn)行單壁外透法射線(xiàn)檢測(cè)。

以公稱(chēng)尺寸為25.4 mm的7P型BOSS頭焊縫為例，其外徑為65 mm,內(nèi)徑為9.5 mm，壁厚為27.75 mm。假設(shè)采用φ2 mm的Ir192射線(xiàn)源進(jìn)行單壁中心內(nèi)透法進(jìn)行檢測(cè),A級(jí)檢測(cè)時(shí)，fmin≥78.5 mm(假設(shè)b=1.2t)，由于接管內(nèi)徑太小，焦距無(wú)法滿(mǎn)足要求，也無(wú)法按照GB/T 3323、EN 1435標(biāo)準(zhǔn)的要求進(jìn)行單壁偏心內(nèi)透法或單壁中心內(nèi)透法射線(xiàn)檢測(cè)。

3.1.2 其他實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)

預(yù)制廠(chǎng)和現(xiàn)場(chǎng)采用一種非標(biāo)準(zhǔn)射線(xiàn)檢測(cè)作為輔助檢查手段，射線(xiàn)膠片與放射源均放于支管外側(cè)，膠片與焊縫存在較大間隙。非標(biāo)射線(xiàn)檢測(cè)透照方法示意如圖6所示。

圖6 非標(biāo)射線(xiàn)檢測(cè)透照方法示意

非標(biāo)射線(xiàn)檢測(cè)工藝所拍攝的底片能夠在一定程度上發(fā)現(xiàn)焊縫內(nèi)部的缺陷，但也存在較多局限性。

(1) 底片黑度差異變化大

BOSS頭厚度梯度變化大，底片接收的射線(xiàn)能量極不均勻，射線(xiàn)底片上不同區(qū)域的黑度相差大，缺陷難以識(shí)別。

(2) 幾何不清晰度變化大

底片上不同區(qū)域的幾何不清晰度相差大，可滿(mǎn)足評(píng)定的區(qū)域很小。

(3) 無(wú)法實(shí)現(xiàn)100%檢查

受BOSS焊縫結(jié)構(gòu)影響，只能將射線(xiàn)源和膠片放置于管道兩側(cè)進(jìn)行透照，無(wú)法進(jìn)行管道軸向方向的透照。

(4) 缺乏驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)

由于射線(xiàn)膠片與放射源均放于支管外側(cè)，且膠片與焊縫存在較大間隙，射線(xiàn)底片上缺陷顯示尺寸比實(shí)際缺陷尺寸更大，國(guó)內(nèi)外均沒(méi)有此類(lèi)透照方式的對(duì)應(yīng)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 超聲檢測(cè)要求

超聲檢測(cè)對(duì)未焊透、未熔合和裂紋等面積型缺陷比較敏感，檢測(cè)靈敏度也較高，工作效率高。但由于管座角焊縫的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，超聲檢測(cè)時(shí)受到管座曲率、壁厚和馬鞍狀焊縫形式等因素的影響，以及檢測(cè)位置的局限，缺陷信號(hào)的識(shí)別難度大，缺陷的定位困難。常規(guī)超聲檢測(cè)管座角焊縫的技術(shù)難點(diǎn)如下所述[3-4]。

(1) 缺陷信號(hào)的識(shí)別難度大。支管曲率大，在支管面檢測(cè)時(shí)易出現(xiàn)表面波干擾，主管內(nèi)孔壁產(chǎn)生反射波干擾，即局部特定位置的變形波干擾，從而干擾波出現(xiàn)在示波屏上的位置與缺陷波出現(xiàn)的位置易混淆。

(2) 缺陷定位困難,超聲波入射方向隨入射點(diǎn)曲率的變化而變化，使用二次波檢測(cè)時(shí)反射面的曲率點(diǎn)各不相同，反射波的方向也隨反射點(diǎn)曲率的變化而變化，故缺陷定位受到很大影響。

(3) 探頭移動(dòng)的距離一般較短，無(wú)法對(duì)焊縫整個(gè)截面實(shí)現(xiàn)100%檢測(cè)，容易導(dǎo)致焊縫中部分區(qū)域漏檢。

此外，BOSS頭母材為奧氏體不銹鋼，奧氏體焊縫粗大的柱狀晶粒組織和焊縫結(jié)構(gòu)的各向異性對(duì)超聲波有強(qiáng)烈的散射衰減和扭曲作用，常規(guī)的超聲探頭穿透力不足，檢測(cè)困難。

相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)具有波束方向和焦距自由變換，檢測(cè)結(jié)果易于成像，檢測(cè)可達(dá)性和適用性好等優(yōu)點(diǎn)，能有效檢測(cè)對(duì)接接頭及接管座角接接頭，該技術(shù)能提高超聲檢測(cè)的精確性、重現(xiàn)性及檢測(cè)結(jié)果的可靠性，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)結(jié)果多維顯示。研究結(jié)果表明，相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)對(duì)管座角焊縫展現(xiàn)了其優(yōu)越性，相控陣檢測(cè)的缺陷檢出率和檢測(cè)可靠性均優(yōu)于常規(guī)超聲波檢測(cè)，可以較好地發(fā)現(xiàn)管座角焊縫的內(nèi)部缺陷[3-5]。為了驗(yàn)證BOSS頭焊縫相控陣超聲檢測(cè)效果，國(guó)內(nèi)某檢測(cè)單位制作了部分BOSS頭焊縫模擬試塊進(jìn)行試驗(yàn)，以圖1所示的BOSS頭焊縫結(jié)構(gòu)類(lèi)型為例，分別將探頭置于BOSS頭的直段和斜坡區(qū)域進(jìn)行掃查，自聚焦探頭和柔性探頭能夠較好地貼合在工件上，聲束可對(duì)焊縫內(nèi)部1/3區(qū)域?qū)崿F(xiàn)全掃查覆蓋，且模擬試塊上的參考缺陷均能檢測(cè)出，掃查示意和掃查結(jié)果見(jiàn)圖7，8。但由于目前暫缺乏適用的缺陷驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，該方法只能用于缺陷的定位，以便準(zhǔn)確找到缺陷位置從而進(jìn)行返修。如需作為缺陷的檢測(cè)和驗(yàn)收手段，則還需進(jìn)一步研究出合理的檢測(cè)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

圖7 BOSS頭焊縫直段區(qū)域相控陣超聲檢測(cè)結(jié)果

3.3 滲透檢測(cè)要求

目前，對(duì)于無(wú)法或難以進(jìn)行體積檢測(cè)的全焊透角焊縫，比較常用的替代方式為“增加焊接過(guò)程中的滲透檢測(cè)”，此種替代方式在核承壓設(shè)備的角焊縫或支管連接焊縫中應(yīng)用比較多，是一種成熟可靠的方式。

核1級(jí)BOSS頭焊縫采用“先焊接后鉆孔”成型工藝，焊縫厚度較大，一般用氬弧焊+手工電弧焊的方式進(jìn)行作業(yè)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)反饋，全氬焊層數(shù)至少4層。以7P型BOSS頭焊縫為例，通過(guò)計(jì)算可知，焊后內(nèi)部鉆孔切除量約為2～5 mm。根據(jù)常規(guī)焊接厚度計(jì)算可知，根部約有1～2層氬弧層被鉆掉。受接管內(nèi)徑尺寸影響，鉆孔后無(wú)法對(duì)焊縫內(nèi)表面進(jìn)行滲透檢測(cè)，為確保最終產(chǎn)品焊縫的根部質(zhì)量，可對(duì)前3層逐層進(jìn)行滲透檢測(cè)，即使后續(xù)鉆孔將前2層焊層切除，剩余的根部焊層仍能通過(guò)第3層的滲透檢測(cè)來(lái)確保鉆孔后的焊縫內(nèi)表面質(zhì)量狀況。

根據(jù)泄漏BOSS頭焊縫的解剖分析，發(fā)生泄漏的關(guān)鍵原因?yàn)楹附赢a(chǎn)生的坡口未熔合缺陷，該缺陷幾乎貫穿于焊縫壁厚。BOSS頭焊縫的厚度較厚(焊接厚度多為20 mm以上)，一般需焊接十余層，焊接過(guò)程中進(jìn)行滲透檢測(cè)(通常為每三層進(jìn)行一次滲透檢測(cè))，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)焊接過(guò)程中的缺陷，避免形成尺寸較大的、貫穿焊縫的缺陷。

綜上所述，對(duì)于核1級(jí)BOSS頭預(yù)制焊縫，可增加焊接過(guò)程中的滲透檢驗(yàn)，即焊接過(guò)程中對(duì)前3層逐層滲透檢驗(yàn)、后續(xù)每3層進(jìn)行滲透檢驗(yàn)以及完工焊縫滲透檢驗(yàn)。

4 結(jié)語(yǔ)

采用合適的檢測(cè)方法是BOSS頭焊縫質(zhì)量的重要保證。所采用的檢測(cè)方法應(yīng)當(dāng)能夠有效檢測(cè)出焊縫中所存在的危險(xiǎn)性缺陷，確保焊縫焊接質(zhì)量，也應(yīng)當(dāng)避免對(duì)焊縫過(guò)度檢測(cè)而導(dǎo)致不必要的返修。

在當(dāng)前檢驗(yàn)技術(shù)條件下，可增加BOSS頭預(yù)制焊縫焊接過(guò)程中的滲透檢驗(yàn)來(lái)加強(qiáng)焊縫質(zhì)量檢查與控制。同時(shí)，應(yīng)進(jìn)一步研究BOSS頭焊縫的體積檢驗(yàn)方法和驗(yàn)收準(zhǔn)則，如相控陣超聲檢驗(yàn)，以便實(shí)現(xiàn)焊縫內(nèi)部缺陷的有效檢測(cè)和評(píng)定。

[1] GB/T 3323-2005 金屬熔化焊焊接接頭射線(xiàn)照相[S].

[2] EN 1435-1997 Non-destructive testing of welds - Radiographic testing of welded joints[S].

[3] 牟彥春，金南輝，葛翔. 電站鍋爐接管座角焊縫超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)[J]. 無(wú)損檢測(cè)，2011，33(1)：75-78.

[4] 林彤. 電站鍋爐管座角焊縫相控陣超聲檢測(cè)應(yīng)用[J]. 質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督研究，2016，47(5)：1-6.

[5] 鄧江敏. 電站鍋爐T型接管角接接頭相控陣檢測(cè)技術(shù)研究[D].南昌:南昌航空大學(xué)，2012.