彎頭內(nèi)表面應(yīng)力腐蝕裂紋的超聲檢測

，，,3，

(1.中廣核核電運營管理有限公司，深圳 518214；2.大亞灣核電運營管理有限責(zé)任公司，深圳 518214；3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)威海分校，威海 264200)

某系統(tǒng)管道中大量使用奧氏體不銹鋼彎頭,對于此類彎頭，在設(shè)計上已經(jīng)從材料、制造工藝等方面考慮了防止出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕開裂的問題，因此一些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和國內(nèi)外反饋都沒有針對彎頭應(yīng)力腐蝕裂紋方面的檢查。但是，從彎頭出現(xiàn)裂紋的金相分析結(jié)果來看，彎頭原材料在彎制的冷加工過程中，有可能產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力。在役期間彎頭內(nèi)壁又承受著高溫、高壓含硼水沖刷的作用，受力情況復(fù)雜，工況惡劣；在累計運行時間足夠長的情況下，具備了形成應(yīng)力腐蝕開裂的條件。因此，必須通過超聲檢測等手段檢測彎頭內(nèi)壁應(yīng)力腐蝕裂紋發(fā)展?fàn)顟B(tài)，并采取維修措施。

目前，國內(nèi)外對于該類管道的超聲檢測主要集中在熱疲勞裂紋的檢查。但是，該類管道內(nèi)壁在制造及在役運行等期間形成的應(yīng)力腐蝕裂紋與熱疲勞導(dǎo)致的裂紋形貌有很大不同。超聲檢測時，被檢管道的幾何形狀尺寸、裂紋缺陷的形貌及方向等對于超聲回波信號的影響都很大。筆者根據(jù)管道彎頭結(jié)構(gòu)尺寸、缺陷形貌進行了理論計算，設(shè)計了超聲探頭、對比試塊、掃查方式等，確保了超聲檢測的可靠性。

1 彎頭失效機理及案例

1.1 彎頭典型失效機理

1.1.1 冷熱混流熱疲勞

熱疲勞是由管道中介質(zhì)溫度的周期性變化引起的，而溫度周期性變化則由周期性的冷水流或者熱水流泄漏到管道區(qū)域引起。不穩(wěn)定的熱分層會導(dǎo)致冷熱交替區(qū)域的應(yīng)力交變，從而產(chǎn)生熱疲勞問題。

1.1.2 彎頭應(yīng)力腐蝕裂紋

彎頭在彎曲成型后未按要求進行固溶處理，致使該類彎頭在長期高溫、高壓含硼水沖刷的服役過程中產(chǎn)生了應(yīng)力腐蝕裂紋。

1.2 裂紋缺陷位置形貌

1.2.1 熱疲勞裂紋

熱疲勞裂紋常發(fā)生在靠近焊縫區(qū)域和管道(包含彎頭)上，靠近焊縫部分的一般為周向裂紋，如圖1(a)所示；管道上的裂紋一般為平行于管道軸向的平行裂紋或者龜裂，如圖1(b)所示。

圖1 熱疲勞裂紋外觀

通過金相顯微鏡觀察熱疲勞裂紋，可以清晰看到其萌生于內(nèi)表面，屬于穿晶裂紋(見圖2)。

圖2 熱疲勞裂紋金相檢驗結(jié)果

1.2.2 制造原因引起的應(yīng)力腐蝕裂紋

國外某核電機組管道彎頭的應(yīng)力腐蝕裂紋在彎頭上的分布都與彎頭軸線呈一定角度，一般為30°～45°，基本沒有周向裂紋或與軸線平行的裂紋(見圖3，4)。

圖3 國外某核電機組管道彎頭裂紋外觀

圖4 國外某核電機組管道彎頭裂紋金相檢驗結(jié)果

在顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)的應(yīng)力腐蝕裂紋都為沿晶裂紋(晶間裂紋)。

1.3 管道失效案例

熱疲勞導(dǎo)致管道(包含彎頭)失效的統(tǒng)計信息如表1所示，從統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以看出，熱疲勞產(chǎn)生的裂紋主要為軸向、周向裂紋，龜裂等。

表1 熱疲勞導(dǎo)致管道(包含彎頭)失效的統(tǒng)計信息

2 檢測過程

2.1 檢測對象

試驗研究的對象為管道彎頭，參考ASME(美國機械工程師學(xué)會)規(guī)范和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對直徑超過254 mm的彎頭可以采用無曲率的試塊，相當(dāng)于對平面進行檢查。探頭和試塊設(shè)計研發(fā)時，選取了2″，3″，4″，6″，12″等5種規(guī)格編號的彎頭。

2.2 檢測區(qū)域

對于同一個彎頭，超聲波探頭與其內(nèi)拱、外拱、上下側(cè)面接觸面的貼合情況有明顯不同，對這3個區(qū)域需要單獨設(shè)計并計算檢測區(qū)域。因此將這3個區(qū)域分成獨立的區(qū)域：Ⅰ區(qū)(外拱區(qū))，Ⅱ區(qū)(上下側(cè)面)，Ⅲ區(qū)(內(nèi)拱區(qū))。彎管掃查分區(qū)示意如圖5所示。

圖5 彎管掃查分區(qū)示意

3 掃查方式的改進

目前，國內(nèi)外對該類管道(包含彎頭)通用的掃查方式為“十字形”掃查，其目的是檢查周向裂紋和軸向裂紋。

根據(jù)某國外核電機組的管道彎頭應(yīng)力腐蝕裂紋的UT(超聲檢測)、RT(射線檢測)、VT(目視檢測)結(jié)果的對比，在彎頭處發(fā)現(xiàn)的裂紋并不是規(guī)則的軸向裂紋或者周向裂紋，這樣在周向掃查和軸向掃查時，就無法使超聲波的入射方向與缺陷表面垂直。聲束垂直于缺陷表面時缺陷波最高；但是當(dāng)聲束與缺陷表面有傾角時，缺陷波高隨入射角的增大而急劇下降，因此缺陷漏檢的可能性很大。

為了提高缺陷的檢出率，改進了超聲檢測工藝，由原來的 “十字形”掃查改為“米字形”掃查(見圖6)。

圖6 彎頭的超聲波掃查方式

考慮到探頭按照“米字形”軌跡在彎頭部位進行掃查時，45°和135°方向的彎頭曲率一直在發(fā)生變化，而探頭面的曲率固定，這樣容易造成耦合不好，影響缺陷的檢出率。但是這兩個方向的檢測必須予以保證，因此設(shè)計時要將探頭晶片發(fā)出聲束的方向與周向掃查形成45°和135°的夾角(見圖7)。這樣探頭運動方向為沿圓周方向，且曲率固定，同時45°和135°聲束保證了“米字形”的4個方向(見圖8)。

圖7 改進后的超聲波探頭聲束方向

圖8 改進后的超聲波探頭在彎頭上掃查聲束的方向

4 探頭理論分析

4.1 超聲波型的選擇

受檢部件的檢測區(qū)域為內(nèi)表面，在晶粒較細的材料中，橫波在端角區(qū)域的傳播有較高的端角反射率；相反，縱波在端角區(qū)域的傳播過程中，將分離出較強的橫波成分，故端角反射率較低。根據(jù)受檢部件的材料特征，超聲探頭應(yīng)選擇橫波探頭。

4.2 探頭角度的選擇

4.2.1 橫波檢測時角度計算

依據(jù)超聲波折射原理，當(dāng)?shù)诙橘|(zhì)(彎頭) 中的縱波折射角等于90°時, 第二介質(zhì)(彎頭) 中只有折射的橫波而沒有折射的縱波, 即此時的橫波折射角度最小。因此，為了保證使用純橫波檢測, 根據(jù)超聲波的折射定律可求出橫波在彎頭中的最小折射角度為33.81°，所以選擇探頭的角度應(yīng)該不小于33.81°。

選擇合適探頭的同時還必須了解彎頭周向橫波檢測的幾何原理。超聲波束與內(nèi)壁相切時的聲束路徑示意如圖9所示。

圖9 超聲波束與內(nèi)壁相切時的聲束路徑示意

如圖9所示，由入射點P向管子內(nèi)表面的延長波束畫入射線，并由圓心O引垂線與此線相交，折射角θ與θ1的關(guān)系為

sinθ1=sinθ/(1-2t/D)

(1)

當(dāng)超聲波束與內(nèi)壁相切時，即θ1=90°時，如果θ再增加，則意味著有效波束不能到達管子內(nèi)壁，不能檢出內(nèi)壁缺陷。所以將θ1=90°代入式(1)，即得到θ角的最大值。

θ=arcsin(1-2t/D)

(2)

則θ的范圍為33.81°≤θ≤arcsin(1-2t/D)。

由θ的范圍可知，探頭選擇的角度最小值固定，最大值取決于t/D(壁厚與管道直徑比值)。對于核電站一回路輔助管道彎頭，影響t/D的因素主要如下所述。

(1) 檢測對象規(guī)格

試驗研究的對象為管道彎頭，包含2″，3″，4″，6″，10″，12″，14″共7種規(guī)格編號。各個規(guī)格的彎頭都有自己的壁厚，t/D并非定值，因此對于不同規(guī)格的彎頭，其θ角最大值arcsin(1-2t/D)并不相同。各種規(guī)格彎頭對應(yīng)的探頭角度如表2所示。

表2 各種規(guī)格彎頭對應(yīng)探頭角度

(2) 掃查方式

因為增加了偏轉(zhuǎn)45°和偏轉(zhuǎn)135°的探頭聲束方向，這樣聲束與其在彎頭周向上的投影面就是一個復(fù)雜的略呈橢圓的型面，相當(dāng)于壁厚和外徑都在變化，因此這兩個方向上的探頭理論計算部分非常繁瑣。探頭折射角由于受工件曲率的影響，并不能完全覆蓋整個壁厚區(qū)域，所以可以通過CAD軟件的角度計算和CIVA軟件模擬兩種方式選擇合理的角度。

圖10 橫波探頭端角反射范圍

4.2.2 端角反射時角度計算

橫波在端角處的聲壓反射率隨聲波入射角度的不同而變化(見圖10)，通常當(dāng)聲波入射角度在35°～55°范圍內(nèi)有較強的聲壓反射率。而根據(jù)sinθ1=sinθ/(1-2t/D)可知，θ1>θ,比如對于14″彎頭，當(dāng)θ為45°時，θ1為65°，所以需要計算各個規(guī)格彎頭的θ值以保證端角反射，進而發(fā)現(xiàn)內(nèi)壁處的裂紋。

4.2.3 探頭角度綜合選擇

根據(jù)上述探頭理論計算的結(jié)果，并且通過CIVA軟件模擬計算，聲波周向偏轉(zhuǎn)135°探頭選擇參數(shù)如表3所示。

表3 聲波周向偏轉(zhuǎn)135°探頭選擇參數(shù)

4.2.4 超聲探頭頻率的選擇

一般來說頻率越高，發(fā)射強度越高，分辨率也越高，但是頻率越高波長也越短。由于奧氏體不銹鋼材料晶粒組織較為粗大，對超聲波具有強烈的衰減作用，故采用橫波檢測時靈敏度變化較大。由于波長越短，衰減越大，所以對于壁厚薄的工件選擇4 MHz探頭，對于壁厚較厚的工件選擇2 MHz探頭。

4.2.5 耦合方式

為了提高耦合效果，探頭接觸面應(yīng)盡量加工成與工件輪廓相吻合的弧面。但是為了利于探頭擺動掃查，在不影響耦合的情況下將接觸面加工為平面，如規(guī)格編號為12″和14″的彎頭。

4.3 試塊設(shè)計

4.3.1 標(biāo)準(zhǔn)試塊設(shè)計

標(biāo)準(zhǔn)試塊用于檢測超聲波探頭的主要性能參數(shù)，如探頭角度、頻率、前沿等，包括軸向和周向探頭性能測試兩種類型試塊。試塊的材料與被檢測對象相同，試塊上的人工反射體為長橫孔和圓弧面。

4.3.2 對比試塊設(shè)計

對比試塊主要用于基準(zhǔn)靈敏度的確定，試塊的材料與被檢測對象相同，試塊上的人工反射體為長橫孔和內(nèi)外表面矩形槽(見表4)。

表4 對比試塊規(guī)格

4.3.3 驗證試塊設(shè)計

驗證試塊主要用于確定檢驗靈敏度，具體的設(shè)計如表5所示。

表5 試驗驗證試塊規(guī)格

5 試驗過程

5.1 明測試驗

以對比試塊1 mm 深槽為基準(zhǔn)靈敏度，規(guī)格編號為2″，3″，4″，6″，12″彎頭對應(yīng)的試驗驗證試塊上長度為10 mm，深度為1 mm的管道軸向、周向和偏轉(zhuǎn)45°或135°的周向槽都能被檢出。

對2″彎頭驗證試塊采取6種探頭，從左偏、右偏及內(nèi)外拱進行檢測，對6″彎頭驗證試塊采取多種探頭從周向及軸向、正反方向進行檢測，驗證了該探頭工藝方案的可靠性。

5.2 盲測試驗

按照彎管超聲檢測方法，對更換后的有真實裂紋缺陷的彎頭進行盲測，共發(fā)現(xiàn)3個區(qū)域的缺陷，具體檢測結(jié)果如下所述。

(1) 偏轉(zhuǎn) 45°探頭在彎頭母材上發(fā)現(xiàn)一個長150 mm，寬150 mm的區(qū)域,在此區(qū)域共有4處缺陷顯示，并進行了定量檢測。

(2) 偏轉(zhuǎn) 135°探頭在彎頭母材上發(fā)現(xiàn)一個長150 mm，寬150 mm的區(qū)域,在此區(qū)域共有4處缺陷顯示，并進行了定量檢測。

(3) 偏轉(zhuǎn) 45°探頭在熱影響區(qū)發(fā)現(xiàn)一處長度小于10 mm 的缺陷顯示，并進行了定量檢測。

將盲測結(jié)果與之前彎頭更換后進行的內(nèi)表面目視、滲透檢測結(jié)果進行比對，確定檢測結(jié)果一致。

6 結(jié)語

對管道彎頭的結(jié)構(gòu)尺寸、缺陷形貌進行了理論計算，設(shè)計了超聲探頭、對比試塊、掃查方式等，通過對比分析和試驗研究，確保了對核電站彎頭的超聲檢測的靈敏度和分辨力。